地大 机电一体化课程设计报告4好学长不留名.docx
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地大机电一体化课程设计报告4好学长不留名
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目录
一课程设计的任务要求2
1.课程设计题目2
2.任务要求2
二课程设计的目的及意义2
三系统方案论证2
四各模块电路分析与设计3
1.单片机最小系统4
2.油压检测模块电路5
3.油温检测模块电路8
4.单片机I/O扩展模块电路11
5.键盘接口模块电路12
6.LCD显示模块电路13
7.报警模块电路14
8.电源模块电路15
9.串口通信模块16
五电路原理图及PCB设计17
1.电路原理总图17
2.PCB板设计17
六课程设计小结21
七参考文献21
一课程设计的任务要求
1.课程设计题目
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=0~15Mpa;油温T=0~80℃。
本次课程设计统一选用的EDA设计软件为protel99se。
2.任务要求
根据题目要求设计并绘制电路原理图和印刷电路板(PCB图),具体内容如下:
(1)绘制电路原理图
(2)绘制印刷电路板图
(3)撰写设计报告说明书
二课程设计的目的及意义
机电一体化课程设计作为机械设计制造及其自动化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。
我们针对课程设计教学过程中的一个实际遇到的问题,即一个基于单片机的液压系统油温油压检测系统,来展开课程设计内容。
其必要性有以下三点:
(1)综合应用相关课程的知识,培养工程技术能力;
(2)一边设计一边学习,积累专业知识,锻炼动手能力;(3)熟悉相关设计软件,为后续的毕业设计以至于以后的专业生涯打下扎实的基础。
三系统方案论证
本系统设计是基于80C52的液压系统油压油温的检测。
若采用纯硬件的闭环控制系统,存在控制精度比较低、灵活性小、线路复杂等问题。
而采用单片机与高精度传感器结合的方式,即用单片机完成系统控制、人机界面、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并进行调理放大、AD转换,将温度传感器及压力传感器所获得的信号,传输到单片机。
单片机将所获得的信号进行处理,通过程序与温度、压力的安全值进行比较,若在安全值内则无需进行报警,只需对所测得的值进行实时显示,若超过安全值则在单片机控制下进行报警。
与此同时按键输入模块可以用来设定单片机中油温油压的最大值。
此方案能避免纯硬件控制电路的缺点。
对于油压检测模块采用JNBP-Ⅰ型系列箔式中高压力传感器,采集到的信号经过运算放大电路输入到A/D转换芯片,经过A/D转换后送入单片机进行数据存储和运算,再经过LCD动态显示出来。
对于油温检测模块采用SS1009,数据送入单片机进行运算和存储,然后经过LCD动态显示出来。
系统拥有键盘输入模块,用来设定系统允许的油压和油温的最大值。
此外报警电路在检测到的油压和油温超过系统设定值时,单片机输出报警信号,此信号经过放大后驱动扬声器进行报警。
图1单片机检测系统的组成框图
四各模块电路分析与设计
本系统是以80C52单片机为中心进行控制系统设计、芯片的外围电路接口的选择以及人机接口设计的。
本系统可以分为以下几个模块:
1.以80C52单片机为中心的最小控制系统设计,该系统包括单片机的晶振电路及复位电路,组成实现单片机功能的最小系统;2.油压检测模块电路,油压检测电路采用应变式压力检测传感器,其输出较小的电流模拟信号,先将信号放大在进行A/D转换,然后将转换的数字信号输送给单片机运算处理;3.油温检测模块电路,油温检测电路采用数字量输出的SS1009传感器,直接将数字信号输送给单片机运算处理;4.单片机I/O扩展模块电路,由于该系统中单片机本身外围借口多,不能支撑所有模块的搭建,所以选用8255芯片进行I/O扩展,变8路输入/输出为24路输入/输出;5.键盘接口模块电路,该模块电路采用4×4矩阵键盘可实现对油温油压安全值的自由设定,实现系统的可移植性;6.LCD显示模块电路,采用市面上用得最多的LCD12864液晶显示,相对于数码管显示,液晶显示更符合现代社会发展的需要,而且LCD12864控制程序较简单,能利用现成的程序进行修改,实现显示功能;7.报警模块电路,该模块电路采用简单的三极管放大电路,电路简单实用;8.电源模块电路,220V的交流电经过变压器后通过稳压芯片转换成5V、12V的直流电;9.串口通信模块,以MAX232芯片为核心设计应用电路,用于单片机与上位机的通信联系,实现程序的下载。
1.单片机最小系统
图2单片机最小系统
单片机最小系统由晶振电路和复位电路组成,晶振电路为单片机工作提供电源,复位电路为单片机工作时提供复位。
本次设计选择Protel99se软件库里常用的一款单片机,即INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品80C52,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统,属于80C51增强型单片机版本,集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能,适合于类似马达控制等应用场合。
80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器(ROM)32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
完全满足该设计系统对处理运算核心部件的性能要求。
2.油压检测模块电路
图3油压监测模块电路
油压传感器选择JNBP-Ⅰ型系列箔式中高压力传感器,该系列传感器全部采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上,采用耐酸不锈钢结构设计合理使用安装方便,具有精度高、量程大运行稳定、可靠性好等特点,适用于准确测量各种液体、气体介质的动态与静态压力,广泛应用于石油化工、轻工、印纺、航空航天、交通运输、水电、能源、医药、卫生、教学、科研等领域的压力测量及自动化控制。
主要技术参数如图5所示。
图4JNBP-Ⅰ型系列传感器
图5主要技术参数
电路中1、2脚将控制板中的+12V电源引出向传感器供电,3、4脚位传感器输出差动信号。
三个运算放大器组成标准的测量放大电路,对传感器输出的差动信号进行放大,其中有调节零点的,有调节放大倍数的。
ADC0804为一个A/D转换器,经放大的检测信号进入ADC0804的输入端,转换后的数字信号经过扩展电路最终进入单片机。
3.油温检测模块电路
图6油温检测模块电路
由于市场上存在大量模块化的数字量温度传感器,不必进行信号调理放大与A/D转换等,简单实用。
先选择加长型数字温度传感器SS1009,SS10系列数字温度传感器采用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20,传感器采用不锈钢外壳封装,防水防潮。
专门设计的传感器不锈钢外壳,仅有0.15mm的壁厚,具有很小的蓄热量,采用金属垫模工艺让DS18B20与不锈钢内壁充分接触,同时采用导热性高的密封胶灌封,保证了温度传感器的高灵敏性,极小的温度延迟。
图7加长型数字温度传感器SS1009
图8温度传感器外形尺寸
该型温度传感器支持“一线总线”接口(1-Wire),测量温度范围为-55°C~+125°C,在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量。
具体应用范围、技术参数、引脚定义等如图9所示。
图9主要技术参数与引脚
4.单片机I/O扩展模块电路
图10单片机I/O扩展模块电路
在扩展接口时选择Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片8255,它有3个8位并行I/O口,具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片。
其各口功能可由软件选择,使用灵活,通用性强。
8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。
8255作为主机与外设的连接芯片,必须提供与主机相连的3个总线接口,即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分,因而8255内部结构分为3个部分:
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
RESET:
复位输入线,当该输入端处于高电平时,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。
CS:
芯片选择信号线,当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中,允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输。
RD:
读信号线,当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许8255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跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。
D0~D7:
三态双向数据总线,8255与CPU数据传送的通道,当CPU执行输入输出指令时,通过它实现8位数据的读/写操作,控制字和状态信息也通过数据总线传送。
PA0~PA7:
端口A输入输出线,一个8位的数据输出锁存器/缓冲器,一个8位的数据输入锁存器。
PB0~PB7:
端口B输入输出线,一个8位的I/O锁存器,一个8位的输入输出缓冲器。
PC0~PC7:
端口C输入输出线,一个8位的数据输出锁存器/缓冲器,一个8位的数据输入缓冲器。
端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口,每个4位的端口包含一个4位的锁存器,分别与端口A和端口B配合使用,可作为控制信号输出或状态信号输入端口。
A1、A0:
地址选择线,用来选择8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。
当A1=0,A0=0时,PA口被选择;当A1=0,A0=1时,PB口被选择;当A1=1,A0=0时,PC口被选择;当A1=1,A0=1时,控制寄存器被选择。
5.键盘接口模块电路
图11键盘接口模块电路
通过键盘的输入来确定油压和油温的最大值,从而确定报警电路的安全值,该过程通过编程实现。
在设定某个最大值时,按下相应的按钮开关,从而使得PA口的相关位为低电平,再从单片机的存储器中调用已经预存的相应最大值即可。
键盘是由若干独立按键组成,键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的,因机械触点的弹性作用,在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程。
抖动必须消除,去抖动的方法主要有以下两种:
硬件消抖,软件消抖。
此处采用软件消抖,即利用单片机延时程序,消除抖动干扰。
6.LCD显示模块电路
图12LCD液晶显示模块电路
带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
相关技术参数:
(1)低电源电压(VDD:
+3.0~+5.5V);
(2)显示分辨率:
128×64点;(3)内置汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选);(4)内置128个16×8点阵字符;(5)2MHz时钟频率;(6)显示方式:
STN、半透、正显;(7)驱动方式:
1/32DUTY,1/5BIAS;(8)视角方向:
6点;(9)背光方式:
侧部高亮白色LED,功耗仅为普通LED的1/5—1/10;(10)通讯方式:
串行、并口可选;(11)内置DC-DC转换电路,无需外加负压;(12)无需片选信号,简化软件设计;(13)工作温度:
0℃-+55℃,存储温度:
-20℃~+60℃。
7.报警模块电路
图13报警模块电路
当接收到来自单片机P2.3口的输出信号后,三极管Q1导通,报警器便会发出警报声。
8.电源模块电路
图14电源模块电路
为便于各元器件的额定电压选择,220V交流电压经过外部变压器整流后变成直流电,通过W7812和W7805稳压芯片,提供12V和5V的直流电压,适应不同元器件的供电需要。
9.串口通信模块
图15串口通信模块
以MAX232为核心芯片查找串口连接实用电路即可。
五电路原理图及PCB设计
1.电路原理总图
图16电路原理图
2.PCB板设计
本次课程设计中PCB板元器件的布局采用手动布局,布线采用手动布线。
PCB板设计规则:
设置不同网络之间的间距为12mil,将电源网络之间的间距设置为15mil,短路设置为默认设置;设置电源网络和接地网络的推荐线宽为40mil,普通网络的推荐线宽为10mil;将网络拓扑机构选为默认的最短型;将电源的优先级设置为1,其他的设置为2;设置过孔的外径为30mil,内径设置为10mil。
采用印制板的主要优点是:
由于图形具有重复性和一致性,减少了布线和装配的差错,节省了设备的维修、调试和检查时间;设计上可以标准化,利于互换;布线密度高,体积小,重量轻,利于电子设备的小型化;利于机械化、自动化生产,提高了劳动生产率并降低了电子设备的造价。
PCB板设计过程中,首先原理图生成网表,在PCB状态下导入网表,检查原理图的错误和设计缺陷等并进行更正,然后PCB初步形成,再手动布局、手动布线,形成最终的PCB板设计文件。
图17PCB板布局连线
为了避免生成的PCB文件中含有错误,可由PCB文件生成另外的一个网表,然后利用Protel99se软件本身的分析功能对原理图文件对应的网表和PCB文件对应的网表进行对比,查看结果,分析问题,知道完全统一。
网表对比结果如图18所示。
图18最终的网表对比
最后产生3DPCB电路板,查看模拟结果。
图193DPCB正面
图203DPCB背面
图213DPCB
图223DPCB线框图
六课程设计小结
本次机电一体化课程设计,让我们对以往所学的专业知识有了进一步的认识,尤其是单片机和电子电路方面。
本次课程设计我采用Protel99se这款EDA设计软件进行原理图绘制以及PCB板的生成,而且之前接触过Protel99se,对Protel99se从原理图的绘制到PCB板的生成及其相关规则有一定程度的了解。
此次课程设计让我加深了对Protel99se软件的认识,由感性认识上升到理性分析层面,同时让我对某些常用的元件库有了一定程度的认识,能较快的从元件库中调取常用元件以及添加非常用元件库,增加绘图速度。
此次课程设计还使我对机电一体化的理论知识有了不同的理解,让我明白设计一个系统需要充分理清设计思路,理解系统需要实现的功能,然后确定系统方案并进行模块化划分,随后找出每个模块对应的相关核心芯片,查找芯片典型的外围应用电路参考,根据自身需要设计出简单实用的电路图。
当然,查找相关资料这个环节必须放在突出的位置,很重要。
此次课程设计让我更真实直观地了解和熟悉了单片机系统的开发应用和电子电路的设计、PCB板的制作。
最后,感谢老师的指导和同学们的帮助,使我顺利地完成此次实习任务。
七参考文献
[1]冯如设计在线刘朋.Protel99se自学手册.人民邮电出版社.
[2]Protel99se精彩教程.
[3]李广弟朱月秀冷祖祁.单片机基础.北京航空航天大学出版社.
[4]王煜东.传感器应用电路400例.中国电力出版社.
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