机电一体化课程设计.docx
《机电一体化课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机电一体化课程设计.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![机电一体化课程设计.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2022-12/11/2381a388-8e45-4510-bd24-31eaa76c0dde/2381a388-8e45-4510-bd24-31eaa76c0dde1.gif)
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
xxx
xxxx
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。