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机电一体化课程设计报告

班 级：
学 号：
姓 名：
指导老师：

2018年3月
一、设计题目及设计要求
单片机的油压、油温检测系统设计，设计一个基于单片机的油压、油温检测系统。其中：压力P=0-16Mpa；油温T=0-120：
要求设计并绘制电路原理图和印刷电路板（PCB图）：
1.绘制电路原理图；
2.绘制印刷电路版图；
3.撰写设计报告书；

二、课程设计的目的及意义
机电一体化是微电子技术向传统机械工业领域迅速渗透的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴的综合性学科。机电一体化技术一方面极大地提高了机电产品的性能，另一方面又极大地提高了产品生产系统的生产效率。近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机技术与电电子技术日益得到普遍重视和广泛的应用，它已经遍及人们的日常生活和国民经济各个领域。
现代数学信号处理的发展趋势之一是在通用的硬件上借助软件实现复杂的功能，伴随对软件依赖性的增加，软件的开发成本也相应提高，甚至出现赶超硬件投入的趋势。
机电一体化是指机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装备和电子设备以及软件等有机的结合起来所构成的系统的总称。也就是说机电一体化的连接机械和电子、气压、液压等相关的的关键技术，在微电子技术、计算机技术、及信息处理技术的高速发展，消费者对高性能、高自动化的机械化产品提出了更高的要求，也就是要求我们从事机械设计制造及自动化行业的技术人员掌握机电一体化技术的重要性所在。
机电一体化的关键技术有：
1.机械技术；
2.计算机及信息处理技术；
3.系统技术；
4.自动控制技术；
5.传感检测技术；
6.侍服传动技术。
在新的历史背景下，同时因也是个知识爆炸的年代，不管是对祖国经济的发展，还是一个很现实的问题：对自己将来的发展，对于掌握、精通这门技术都尤为的显得重要。
而这次课程设计，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。
为了更好设计出油温、油压检测系统，就必须了解液压油油温过高的危害及液压系统压力失常对液压系统工作性能的影响。
（1）液压油油温过高的危害：
1.液压油黏度、容积效率和液压系统工作效率均下降，泄漏增加，甚至使机械设备无法正常工作。
2.液压系统的零件因过热而膨胀，破坏了相对运动零件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增加、液压阀容易卡死，同时使润滑油膜变薄、机械磨损增加，结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因过早磨损而使其失效或报废。
3.加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。
4.油液汽化、水分蒸发，容易使液压元件产生穴蚀；油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和液压阀内的小孔，使液压系统不能正常工作。
（2）液压系统压力失常对液压系统工作性能的影响：
1.液压系统不能实现正确的工作循环，特别是在压力控制的顺序动作回路中。
2.执行部件处于原始位置不动作，液压设备根本不能工作。
3.出现噪声，执行运动部件速度显着降低，甚至产生爬行。
本次设计题目旨在控制和检测液压系统的液压和液压油的温度，以防系统的压力或者油温的变化而导致的系统工作不稳定。另外，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。
三、方案设计及系统工作原理
（1）方案设计
整个系统设计采用单片机与高精度传感器结合的方式，即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端温度传感器和压力传感器完成信号的采集与转换。
系统整体框图如下：
按键输入

8031
压
力
传
感
器

滤波及
信号放
大电路
A/D
转换

显示

温
度
传
感
器

滤波及
信号放
大电路
A/D
转换

报警器

（2）系统工作原理
整个系统拟采用压力传感器和温度传感器对所需的信号进行采集，当获取所需的信号之后，经过对信号的滤波和放大电路的放大号，传输至A/D转换器进行A/D转换，将采集到的模拟信号转化为数字信号，最后将数字信号读入8051单片机内，经过单片机的数据处理后，最后将处理后的结果显示出来。
在系统中，设置按键电路，当按键按下，向单片机输入信号，单片机接收信号后，可改变预设的压力和油温值，使系统能够在不同的状况下工作，增加了系统的灵活性。系统中还设计有显示电路部分，经单片机处理后的数据，可由显示模块将所测量的压力和油温显示出来，增强了系统的实用性。此外，当所测量的油温或压力超出了预设值之后，系统会自动触发报警装置，向外界发出警报。
合理性论证：在系统的设计过程中，经检查，系统的原理是可行的，方案布置的也比较合理，因此，该设计方案是可行的、合理的。

四、 各单元电路分析与设计
（1）单片机选择：
单片机的选择在整个系统中至关重要，需要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求。在本次的设计中，选择最常用到的51系列单片机。
AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内含有4KB的掩膜ROM，用于存放程序和原始数据；内部数据存储器包括RAM（128×8）和RAM地址寄存器，用于存放可读/写的数据。
AT80C51单片机有如下特性：
①片内含有两个16位的定时器/计数器，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制；
②有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出；
③内部含有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个；
④内部有时钟电路，为单片机产生时钟脉冲序列；
AT80C51单片机共有40个管脚，介绍如下：
①4个8位的并行输入/输出口线：P0.0~P0.7/P1.0~P1.7/P2.0~P2.7/P3.0~P3.7
②地址锁存控制信号ALE，用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
③外部程序存储器读选通信号PSEN,Z在读外部ROM时有效，实现外部ROM单元的读操作；
④访问程序存储器控制信号EA，当为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
⑤复位信号RST，当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用于完成单片机的复位操作；
⑥外界晶体引线端XTAL1和XTAL2，当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号；
⑦地线GND和电源接口VCC；
单片机引脚图如下所示：

（2）压力传感器选择及滤波及信号放大电路设计1.压力传感器选择
该系统采用应变式压力传感器，其型号为AK-1C-2应变式压力传感器，特点如下：
①外壳和膜片一体结构，体积小，平膜片感压；
②性能稳定可靠，量程范围广；
③不锈钢材料，耐腐蚀，安装使用方便；
④连接螺纹：M20×1.5 (可提供用户要求的各种机械连接方式，最小外形尺寸：ø10)；
⑤适用于各种动态、静态、一般腐蚀气体、液体的压力测量。

AK-1C-2主要技术指标如下：
主 要 技 术 指 标
测量范围
AK-1C-2
0～0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60
MPa
　　　输出灵敏度
>0.5～0.8
mV/V
　　　基本误差
±0.2; ±0.3; ±0.5
%F.S
　　　线性误差L
±0.2; ±0.3; ±0.5
%F.S
　　　回程误差H　　　
±0.2; ±0.3; ±0.5
%F.S
　　　重复性R
±0.2; ±0.3; ±0.5
%F.S
　　　工作温度
-10～+60
℃
　　　温度补偿范围
室温～+60
℃
　　　零点温度影响
±0.3
%F.S/10 ℃
　　　输出温度影响
±0.3
%F.S/10 ℃
　　　激励电压
5～12
VDC
　　　绝缘电阻
1000
MΩ/100VDC
　　　输入电阻
350±20
Ω
　　　输出电阻
350±20
Ω
　　　零点输出
0～±5
%F.S
　　　安全过负荷率
120
%F.S
电路设计：

（3） 温度传感器选择及电路设计
1.温度传感器选择
为了减小系统的复杂程度，选用数字式温度传感器，传感器型号为DS18B20，其特点为：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测量温度范围为-55 °C至+125 ℃ 。华氏相当于是-67 ° F到257华氏度 -10 ° C至+85 ° C范围内精度为±0.5 ° C；电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源；在使用中不需要任何外围元件，测量结果以9~12位数字量方式串行传送；因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，告诉暂存器。CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通信协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的操作。
DS18B20的供电方式有两种：寄生电源供电方式和外部电源供电方式；在此次的设计中，采用外部电源供电方式。DS18B20与单片机连接的电路图如下所示：
引脚VCC外接5V的电源，引脚GND接地，中间引脚直接与单片机的P2.2口相接，进行数据传输。
2.电路设计

（4）A/D转换电路设计
该系统采用的A/D转换器型号为ADC0809，ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换,目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片.
其主要特性如下：
1.8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；
2.具有转换启停控制端；
3.转换时间为100μs（时钟为640KHz），130μs（时钟为500kHz时）；
4.单个＋5V电源供电
5.模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；
6.工作温度范围为-40～＋85摄氏度；
7.低功耗，约15mW。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚功能如下：
1.IN0～IN7：8路模拟量输入端；
2.2-1～2-8：8位数字量输出端；
3.ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
4.ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效
5. START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）；
6. EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；
7. OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；
8. CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ；
9.REF（+）、REF（-）：基准电压；
10. Vcc：电源，单一＋5V。GND：地；
电路图设计如下：

（5）单片机选择
单片机的选择在整个系统中至关重要，需要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求。在本次的设计中，选择最常用到的51系列单片机。
AT80C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内含有4KB的掩膜ROM，用于存放程序和原始数据；内部数据存储器包括RAM（128×8）和RAM地址寄存器，用于存放可读/写的数据。
AT80C51单片机有如下特性：
1.片内含有两个16位的定时器/计数器，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制；
2.有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出；
3.内部含有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个；
4.内部有时钟电路，为单片机产生时钟脉冲序列；
AT80C51单片机共有40个管脚，介绍如下：
1.4个8位的并行输入/输出口线：P0.0~P0.7/P1.0~P1.7/P2.0~P2.7/P3.0~P3.7
2.地址锁存控制信号ALE，用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
3.外部程序存储器读选通信号PSEN,Z在读外部ROM时有效，实现外部ROM单元的读操作；
4.访问程序存储器控制信号EA，当为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
5.复位信号RST，当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用于完成单片机的复位操作；
6.外界晶体引线端XTAL1和XTAL2，当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号；
7.地线GND和电源接口VCC；
单片机引脚图如下：

（6）键盘电路设计
4×4键盘电路图如下：

（7）LED显示电路
系统扩展四位共阳极LED静态显示电路，分时显示油压及油温检测值。为了减少键盘和单片机接口时所占用I/O口线的数目，该系统采用8255可编程输入输出接口芯片，它具有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，即通过8255扩展实现显示功能。
电路图设计如下图：

（8）报警电路
当接收到来自单片机T0口的输出信号后，三极管Q1导通，报警器便会发出警报声.

五、电路原理图及PCB图设计
附图如下：
（1） 电路原理图

（2）PCB图

六、实习总结
本次机电一体化课程设计，让我们对所学机电方面的知识有了更进一步的认识，同时加深了对所学知识的了解。对小的机电系统模块化设计，掌握了初步的设计思路，为自己今后继续深造和就业奠定了基础。
经过两周的机电一体化课程设计，我觉得我收获相当大，在这个实践环节中学到了很多知识，同时也提高了自身的实践能力。
在这次机电一体化课程设计中我发现了很多问题，对于出现的问题，我们就去翻阅以前的专业书籍来复习，以前学的大多是理论性极强的东西，而这次却遇到了一个实际的应用问题。实习过程中，我深刻地认识到，在运用四年所学的专业知识来解决实际问题时，常常很难找到突破口。原因就在于我们用在实践上的时间太少了，还不能熟练地将所学的理论知识应用于实际中，还有就是缺乏一个完整的知识体系，以前所学的知识没有在学完之后进行归纳总结，对机械类和电子类的知识分别进行总结，只有这样才能形成自己的知识体系，在面对像机电一体化这样的综合性问题时才能有步骤地进行解决。此外，我学会了电子电路设计软件PROTEL 99SE，从电路原理图的设计，到PCB板的设计等等，初步掌握了该软件的使用及实际的应用，为以后从事相关的工作打下了良好的基础。
这一次实习让我更真实、直观的了解和熟悉单片机系统的开发和PCB板制作。最后，我要感谢我的老师和同学们。正是老师和同学的无私帮助我才能顺利的完成此次实习任务。