机电一体化课程设2016(附3D图)

1、机电一体化课程设计 班级： 学号： 姓名： 指导老师： 吴来杰、付先成 目录一、 课程设计的题目及任务要求3二、 课程设计的目的及意义4三、 系统方案论证4四、 各单元电路分析与设计64.1 油压检测电路64.2 油温检测电路84.3 A/D接口电路94.4 单片机扩展电路114.5 键盘接口电路114.6 LED显示接口电路124.7 报警电路134.8电源电路144.9 程序下载电路15五、 电路原理图及PCB图设计155.1 原理图的绘制155.1.1新建新项目155.1.2修改器件编号和封装形式175.1.3连线175.2 网络表的生成与导入185.2.1网络表的生成185.2.2生成

2、材料清单185.2.3网络表的导入195.3 PCB图的布局与布线205.3.1布局205.3.2设置设计规则205.3.3布线215.3.4设计规则检查215.3.5生成网表225.3.5网表比较235.3.6补泪滴和覆铜23六、 课程设计小结25七、附录261、电路原理图262、PCB电路图263、3D效果图261、 课程设计的题目及任务要求设计一个基于单片机的液压系统油压、油温检测系统，其中：压力P=016MPa;油温t=0120。要求设计并绘制电路原理图和印刷电路板（PCB图），内容包括：（1） 绘制电路原理图；（2） 绘制印刷电路板图；（3） 撰写设计报告书。2、 课程设计的目的及意

3、义机电一体化课程设计作为机械电子专业的实践教学环节，考察学生综合运用所学专业知识进行分析问题和解决问题的能力。科学合理地安排课程设计的内容。使学生即能在有限的时间内掌机电一体化设备的设计过程，培养学生的工程设计能力和解决实际问题能力，又能训练学生抓住问题的主要矛盾有针对性的加以深入的研究是课程设计成功与否的关键所在。机电一体化的关键技术有：机械技术、计算机及信息处理技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术。这些技术在现代社会中发挥着越来越重要的作用，这就要求我们要与时俱进，积极学习新技术，才能更好地应对未来工作的需要。因此这次课程设计，一方面让我们从理论到实践的一个联系，另一方

4、面也是温习和巩固所学的专业知识特别是单片机方面的知识，对于单片机系统能够从整体上认识和把握，能够从整体的高度上根据实际需求设计出有效的系统。接触和学习一种相当有效的电路设计软件PROTEL99，熟悉和了解基本的操作，能够根据设计需求独立设计和布局出合理的电路原理图（SCH）和电路板图（PCB）。系统化针对实际问题的解决和设计思路，掌握独立解决问题的方法，为即将面临的社会实践打好基础，都是非常必要的。3、 系统方案论证1、单片机控制的液压油温检测系统中，其要检测的指标有油压和油温两个。油压的检测要用压力传感器，而油温的检测要用温度传感器。传感器一般由敏感元件，转换元件和基本转换电路三部分组成。敏

5、感元件直接感受被测量，并以确定的关系输出某一物理量。转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量。基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量。2、电量通过整流电路的输出电压不是理想的平滑直流，而是单方向的脉动直流，即除了直流分量以外还有许多交流分量。所以要针对电源的负载特性选择合适的滤波电路。滤波电路就是使单向脉动直流变成平滑直流的电路，常用电阻，电容和电感组合而成。3、由于传感器检测到的信号经整流，滤波放大电路后输出的是模拟信号（如电压、电流、频率等）。这些信号计算机是识别不了的，所以要进行A/D转换。A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟信号转换成数字信号，以适应计算机处理。4、通

6、过A/D转换电路输出数字信号，该信号进入MCS-51单片机，通过单片机来实现检测和控制功能。本系统中要控制油温和油压，还要在油温和油压超过设定的额定值时，系统发出报警。所以要通过显示器，键盘和报警电路来实现。5、通过MAX232和9针串口将写好的程序下载到单片机中，应用程序的方法实现控制。图1 系统组成方框图其中：1、 液压压力传感器采用油压传感器选型为PTC302压力传感器；2、 油温传感器选型为FST600103铂电阻温度传感器；3、 A/D转换芯片采用ADC0809；4、 单片机采用80C52；5、 I/O扩展采用8255；6、 下载电路采用MAX232和9针串口。4、 各单元电路分析与

7、设计4.1 油压检测电路由于压力P在016MPa之间，所以根据要求选用PTC302压力传感器，如图2所示。PTC302压力传感器的相关参数如下：量 程： -0.101150(MPa) 综合精度： 0.25%FS、0.5%FS输出信号： 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压： 24DCV(936DCV) 介质温度： -2085150 环境温度： 常温(-2085) 负载电阻： 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻： 大于2000M (100VDC) 密封等级： IP65 长期稳定性能： 0.1%FS/年 振动影响： 在机械振动频率20Hz1000

8、Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口：四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 螺纹连接：1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计外形尺寸：M20×26×85图2 PTC302压力传感器实物图选用输出信号为05V的三线制PTC302压力传感器，由于输出信号范围与A/D转换要求的信号范围相同，故不需要进行放大，直接进行滤波处理，电路图如图3所示。图3 油压检测电路图电路图中应用RC滤波电路进行滤波，而后接一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。4.2 油温检测电路由于油温t在01

9、20之间，所以根据要求选用FST600103铂电阻温度传感器，如图4所示。FST600103铂电阻温度传感器的相关参数如下：技术指标测量范围（）：-500；-5050；050；0100；0150；0200；0250安装方式：插入式 插入深度(mm)：10、15、20、25、30、40、50；可按用户要求定制探头尺寸(mm)：3 4 5 6 8传感器Pt100 Pt1000阻值1×Pt100 1tPT1000信号线规格2wire or 3wire 输出信号420mA（2wire）；05V、15V、110V（3wire）长期稳定性（1年）±0.1%FS响应时间T=50 2.3s

10、；T=90 5.4s环境温度-40+125介质温度-200+250介质兼容性与316L不锈钢兼容的各种介质图4 FST600103铂电阻温度传感器实物图选用输出信号为05V的三线制FST600103铂电阻温度传感器，由于输出信号范围与A/D转换要求的信号范围相同，故不需要进行放大，直接进行滤波处理，电路图如图5所示。图5 油温检测电路图4.3 A/D接口电路考虑到液压系统对于油压、油温测量的精度要求，选用8位的ADC0809，则压力测量的最小分辨值为，温度测量的最小分辨值为，能够满足液压系统对于压力、温度精度的要求，A/D接口电路如图6所示。图6 A/D接口电路图ADC0809是典型的8位8通

11、道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模数信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码器电路，其转换时间为100us左右。IN-7IN-0是模数输入通道，ADC0809对输入信号的电压要求是05V，若信号过小还需要进行放大。另外，模拟输入量在A/D转换过程中其值不应该有变化，对变化快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路，本课题中的油压及油温的变化不会很快，所以不必采用采样保持电路。A、B、C是地址线，设置P0.1P0.3口经过地址锁存器74LS373后接A、B、C地址线。ALE地址锁存允许信号，A、B、C地址状态进入地址锁存器中，由P2.3及WR控制地址锁存

12、。START转换启动信号，上跳沿时，所有内部寄存器清零，下跳沿时，开始进行A/D转换，在转换过程中应保持低电平，由P2.3及WR控制转换信号。D7D0数据输出线，和单片机的P0口直接连接。EOC输出允许信号，用于控制三态门。4.4 单片机扩展电路单片机内部的硬件电路已基本上构成具有基本形式的微机系统，可以满足许多控制场合的需要。这些电路包括定时器、中断、串行接口、内部数据存储器、外部程序存储器等。但为了在应用中硬件电路还不够用，需要在单片机外增加新的电路（芯片），也就是所谓的扩展。本设计采用的扩展芯片是8255，如图7所示。图7 单片机扩展电路应用8255进行单片机I/O的扩展，8255的D0

13、D7与单片机P1口相连，RD和WR控制信号的读写，单片机与A0、A1以及CS相连的P2.2P2.0控制8255的读写地址。4.5 键盘接口电路 为了减少键盘和单片机接口时所占用I/O口线的数目，此系统采用了串行口控制的键盘接口，扩展了4×4的行列式键盘，用以输入油压、油温的报警设定值。通过8255的PB0PB7对键盘的输入信号进行采集，从而达到控制的目的，如图8所示。8255可编程输入输出接口芯片具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能。 RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

14、 CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8155与CPU进行通讯。 RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8155通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入。图8 键盘接口电路4.6 LED显示接口电路根据压力与温度测量时的精度以及测量范围的大小，选用4位共阳极数码管05641A,通过键盘控制压力与温度的显示，其封装及各引脚如图9所示。图9 共阳极数码管05641A封装及各引脚图 8255的PA口连接74LS244的输入，控制数码管显示的数字与小数点；PC4、

15、PC5控制74LS244的锁存状态；PC0PC3控制达林顿管的输入从而控制数码管的点亮与熄灭，如图10所示。图10 LED显示接口电路4.7 报警电路 单片机的T1接口接电阻及PNP，当油压或油温超过范围时，将T1置低，通过PNP放大电流使蜂鸣器报警，如图11所示。图11 报警电路4.8电源电路由于传感器的供电电压为24V，而单片机的电压为5V，而民用电压为220V，故需要将220V电压先转化为24V，再通过芯片转至5V。在将220V电压转化为24V时考虑到电压不稳定，杂波较多，所以直接选用24v4a电源适配器。所以只需设计24V转为5V的电路，电路如图12所示。图12 电源电路4.9 程序下

16、载电路程序通过9针串口与MAX232芯片下载到单片机中，控制系统的检测，如图13所示。图13 程序下载电路5、 电路原理图及PCB图设计5.1 原理图的绘制5.1.1新建新项目 打开Protel99se，点击文件、新建，新建一个文件夹，如图14所示。输入项目名称、保存路径，如图15所示。再点OK，鼠标指向右下空白窗口，点击右键，出现下拉菜单并点选New，出现如图16所示界面。图14 新建项目图15 输入项目名称、保存路径图16 建立原理图5.1.2修改器件编号和封装形式添加文件库，找到所需元器件，并更改器件编号和封装形式，如图17所示。图17 修改器件编号和封装形式5.1.3连线通过工具条进行

17、连线，如图18所示。图18 用于连线的工具条5.2 网络表的生成与导入5.2.1网络表的生成原理图画完后，点击Design下的生成网表，如图19所示。生成的网表如图20所示。图19 生成网表图20 生成的网表5.2.2生成材料清单在原理图中点击报告，再点击材料清单，可生成材料清单如图21所示。图21 材料清单5.2.3网络表的导入新建一个PCB文件，点击设计，选中需要导入的网表，导入网表如图22所示。图22 导入网表5.3 PCB图的布局与布线5.3.1布局首先在KeepOutLayer层画电路板边框线，然后将器件平铺摆放到边框线内。布局要遵循美观、连线最短、过孔最少的三原则。另外，像晶振电路

18、、复位电路要尽可能靠近芯片引脚，如图23所示。图23 布局5.3.2设置设计规则设置线间间距如图24所示，设置线宽如图25所示。图24 设置线间间距图25 设置线宽5.3.3布线通过工具条进行连线，如图26所示。图26 布线的工具条5.3.4设计规则检查点击工具中的设计规则检查，查找错误，如图27所示。图27 设计规则检查5.3.5生成网表点击设计中的网表管理器，生成网表，如图28所示。图28 生成网表1图28 生成网表2图29 生成的网表5.3.5网表比较在设计中选择比较网表，再导入两个网表，进行比较即可，如图30所示。图30 网表比较5.3.6补泪滴和覆铜点击工具、泪滴焊盘，进行补泪滴，效果如图31所示。图31 补泪滴 点击工具条中的覆铜工具（图32），给顶层和底层覆铜，效果如图33、34所示。图32 工具条及覆铜工具图33 顶层覆铜图34 底层覆铜6、 课程设计小结这次课程设计历时两周，在两周的时间里我们完成了传感器的选择、原理图的设计以及PCB板的设计。这次课程设计涉及到了单片机、测试技术、电工电子技术等多方面的知识，是对机电知识的一次综合。在这次课程设计中我遇到了不少困难，起初对于Protel99se这个软