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1、机电一体化课程设计机电一体化课程设计学学 院院： 机电学院 专专 业业： 机械设计制造及其自动化 班班 级级： 姓姓 名名： 指导老师指导老师： 吴来杰 付先成 2014 年 2 月 27 日一、选题背景.2二、设计要求.3三、选题目的.3四、方案论证.3五、系统工作原理：.4六、电路分析.51、单片机选择.52、单片机复位电路.63、传感器选择.75、油压、油温检测及放大电路.96、A/D 转换.107、外接键盘.118、并行 I/0 的扩展.129、报警系统：.1210、LED 显示电路.13七、电路原理图转化 PCB 板.14八、参考文献：.18九、课程设计心得体会.18一、选题背景一、
2、选题背景机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。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
3、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。当前数字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。二、设计要求二、设计要求设计一基于单片机的液压系统油温油压检测系统，其中：压力 P=0-1
4、5 MPa，油温 T=0-80。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。三、选题目的三、选题目的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。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，另一方面也是温习和巩固所学的专业知识特别是单片机
5、方面的知识，对于单片机系统能够从整体上认识和把握。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。四、方案论证四、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
6、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、通过 A/D 转换电路输出数字信号，该信号进入 MCS-51 单片机，
7、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。液压传感器温度传感器滤波、 放大电 路滤波、 放大电 路A/D 转换 芯片89C 51 系列 单片 机4*4 键盘 电路报警 电路6 位 LED 显 示PC 通信电源电路振荡电路图 1 方案原理图其中：其中：1、 液压压力传感器采用油压传感器选型为 AK-1C-2 压力传感器2、 油温传感器选型为 DS18B20 油温传感器。 。3、 A/D 转换芯片采用 ADC0809。4、 单片机采用 89C51。5、 I/0 扩展采用 8155。6、 键盘、
8、显示接口采用 74LS138 译码器扩展。五、系统工作原理：五、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89C51 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
9、，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。六、电路分析六、电路分析1 1、单片机选择、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（1288）和RAM 地址寄存器，用于存放可读/写的数据
10、。AT89C51 单片机有如下特性：单片机有如下特性：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；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；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；AT89C51 单片机共有 40 个管脚，介绍如下：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
11、数据的分时传送。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；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。复位信号 RST，用于完成单片机的复位操作；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；图 2 单片机电路2 2、单片机复位电路、单片机复位电路单片机复位方式采用上电加按键手动复位。当按下复位按键后，复位端通过 51 电阻与+5V 电源接通，电容迅速放电，使 RST 引脚为高电平；当复位按键弹起后，+5V 电源通过 2K 电阻对 22uF 电容重新充电，RST 引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于 RC 电路的时间常数。电路原理图如下图所示：图 3 复位电路3 3、传感器选择、传感器选择压力传感器压力传感器在本课题的设计中，选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：外壳和膜片一体结构，体积小，平膜片感压；性能稳定可靠，量程范围广；不锈钢材料，耐腐蚀，安装使用方便；连接螺纹：M201.5 (可提供用户要求的各种机械连
