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机电一体化课程设计

课程设计论文

机电一体化

基于单片机控制的液压、油温检测报警系统

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指导教师：

学院名称

专业及班级

提交日期

2012年12月

答辩日期

1引言

在农业机械液压系统中,液压油作为系统的工作介质起到传递能量、传递信号和润滑该系统元件的作用。

在实际工作中,由于使用不当,往往导致油液温度过高而使系统不能正常工作,这是农业机械液压系统典型故障之一。

对于液压油液来说,温度对其粘度的影响很大。

温度升高,油液粘度降低,也就是通常说的油液变稀了。

如果温度过高,油液粘度大大降低,很容易从系统中的高压侧向低压侧泄漏。

泄漏量增加,进人执行元件（如油缸和油马达）工作腔中的油液减少,外在表现为农机具工作无力,升降缓慢,系统中的元件如油箱、油泵过热,使液压系统无法正常工作。

油温过高导致油液粘度下降,还可能破坏液压元件运动副之间的油膜,在零件中形成干摩擦,加速零件的磨损。

此外,油液长时期在高温下工作会变质,胶质物会析出,并粘附在弯管、接头、滤油器和其他小通径断面处,使通流面积减小,增加油液流动的阻力,恶化工作环境,进一步加剧油温升高。

一般的农业机械液压系统中,正常的油温应控制在15~65℃。

因此，本人选择的题目是基于单片机的液压油温检测报警系统，提高农机液压系统的可靠性。

2解决问题及方案论证

2.1提出问题

设计出一个基于单片机的电路板控制系统，用于对液压油油温的检测并反馈报警，其中基本参数为：

压力P≤15MPa，油温T≤80℃，

2.2方案论证

实现温度控制的方法主要有以下几种：

方案一：

采用纯硬件的闭环控制系统。

该控制的优点在于速度较快，但可靠性较差，控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便，且要实现题目所有的要求难度较大。

方案二：

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。

这种方案克服了方案一的缺点，所以本次设计是基于单片机和温度、压力传感器实现对温度和压力的控制。

2.3系统整体框图：

按键输入

单片机

压力数据采集

显示

温度数据采集

报警器

图1系统整体框图

其中：

1、液压压力传感器采用油压传感器选型为AK-1C-2应变式压力传感器

2、油温传感器选型为数字式温度传感器，传感器型号为DS18B20。

3、A/D转换芯片采用ADC0809。

4、单片机采用AT80C51。

5、I/0扩展采用8155。

6、键盘、显示接口采用8279。

2.4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。

3系统的硬件的选择

3.1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。

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：

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；

AT80C51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2AT80C51单片机引脚图

3.2传感器选择：

3.2.1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：

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）；

适用于各种动态、静态、一般腐蚀气体、液体的压力测量。

图3AK-1C-2压力传感器尺寸及实物图

3.2.2温度传感器

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：

1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；

2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；

3电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源；

4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。

DS18B20的管脚排列如下图所示

图4DS18B20温度传感器封装图及实物图

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。

3.2.3键盘和显示

利用8279接口芯片对键盘和显示器实现连接，这样使得8051端编程相对容易。

键盘用于输入初始值及传感器相关参数,提高系统的智能性。

同时利用8279的SL0～SL2译出键扫描线，由4～16译码器对SL0～SL3译出显示器的位扫描线

4系统的电路设计

4.1压力传感器放大电路：

放大电路的作用是将压力传感器采集到的信号进行放大，再传输到ADC0809内，电路图如下：

压力传感器的应变电阻为桥式连接，从传感器输出端取出的电流要变换为差动电压输出，因此，要采用阻抗高、仅放大差动电压的放大电路，在本次设计中，采用通用运放LM324构成测量放大器。

根据机电一体化的知识，可算出放大电路的放大倍数为：

。

图5放大电路

4.2A/D转换电路：

本次设计中采用的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.Q其主要特性如下：

8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；

具有转换起停控制端；

转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）；

单个＋5V电源供电；

模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；

工作温度范围为-40～＋85摄氏度；

低功耗，约15mW。

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

下面说明各引脚功能：

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

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）。

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）。

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。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一＋5V。

GND：

地。

ADC0809的引脚图如下：

图6ADC0809的引脚图

4.3报警电路：

图7报警电路图

4.4单片机控制连接图

图8单片机控制模块电路图

4.5总体电路布局图

图9整体电路图

5系统软件设计及信号分析

5.1系统整体正常运作过程

木系统采用先进的温度传感器DS18B20作为测温元件，与单片机结合设计的机械装备液压系统温度控制系统，不需复杂的信号调理电路和A/D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，具有方便、精度高、功耗低、微型化、抗十扰能力强等特点。

试验证明，该系统很好地解决了液压系统油温控制的问题。

5.2系统控制程序流程图

N

N

Y

Y

图10系统控制流程图

6参考文献

[1]柳淳.徐玮.单片机开发应用技能与技巧.中国电力出版社

[2]李广弟朱月秀冷祖祁.单片机基础（第3版）.北京航空航天大学出版社

[3]赵景波.PROTEL99SE电路设计与制板.机械工业出版社

[4]王煜东.传感器应用电路400例.中国电力出版社

[5]付家才.传感器与检测技术原理及实践LMl.北京:

中国电力出版社，2008.

[6]刘忠.杨国平.工程机械液压传动原理、故障诊断与排除[M].北京:

机械工业出版社

[7]工瑞丽.李玲琴.孙保生.全自动温控系统在装载机上的应用[J].建筑机械，2008

[8]汤竟南.沈国琴.51单片机C语言开发与实例[M].北京:

人民邮电出版社，2008.

[9]李元斌.DS18B20数字传感器温度检测显示系统[J].软件导刊，2008.7

（1）:

80-83.

7课程设计心得

经过一个星期的课程设计实习，我收获了很多。

在这期间，我重新复习了单片机和传感器部分的内容，也感受到对于电路的设计和绘制是我们机化专业的弱项，这部分内容做起来很吃力，后来在网上找了很多资料，参考别人的设计，再模仿其功能设计出来，这些都让我受益匪浅，对于我将来的学习和工作，都会起到很好的促进作用。

由于时间有限，在软件程序设计这模块没有继续探讨下去，只做了硬件设计和流程分析。

我很庆幸老师们安排了这样的一次实习，让我们能够更真实、直观的了解和熟悉机电一体化系统的开发和制作，同时也回顾过去所学的知识，温故而知新，很感谢老师在课程上的教导。