机电控制系统设计任务及指导书15冬.docx

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机电控制系统设计任务及指导书15冬

微机接口技术与数字控制

（课外设计、制作任务）

机电控制系统设计

任务及指导书

上海大学精密机械工程系

2014年8月

一、引言…………………………………………………………………2

1、设计目的………………………………………………………………2

2、本课程设计的设计工作内容与要求……………………………………2

二、具体内容及基本要求…………………………………………………3

1、库房温度烟雾巡视监测报警仪…………………………………………3

2、便携式转速测定及显示的监测报警系统………………………………4

3、汽车前轮转向角的测量系统……………………………………………5

4、一维直线运动台的定位控制系统………………………………………7

5、液体物体的自动称重控制系统设计……………………………………9

6、颗粒物体的自动罐装控制系统设计…………………………………10

7、自动寻迹行进移动车的控制系统设计………………………………11

8、电子导盲犬控制系统设计……………………………………………12

9、用于脊柱疾病理疗康复的牵引力控制系统设计…………………14

10、老年人日常生活中体位/位置监测、报警的控制系统设计……16

三、设计说明书撰写要求…………………………………………………18

附录1实验仿真系统介绍…………………………………………………19

附录2虚拟示波器的使用…………………………………………………29

附录3单片机实验平台操作步骤简要……………………………………30

一、引言

1、设计目的

微机接口技术与数字控制是一门综合性的应用课程，它集“传感器原理与应用”、“模拟与数字电子技术”、“单片微型计算机原理与应用”、“电机与驱动技术”等课程内容，其目的要求综合应用这几门课程内容，掌握常见机械自动化控制系统的应用技术。

所以除了通过课堂讲解和分析微机接口技术和数字控制系统的设计方法，学生必须通过实际的设计、制作工作，才能掌握微机数字控制系统的总体设计过程、机械自动化控制方案的比较、传感器与驱动的选择、硬件电路的设计与绘制、控制软件的编制等技术，培养学生综合应用各门课程的能力，同时锻炼和培养学生的独立工作、调查研究、分析问题、解决问题的工作能力。

2、本课程设计的设计工作内容与要求

1．进行设计目标、基本功能、技术参数的分析和制定。

2．进行总体控制方案设计，完成微机接口芯片、传感器、驱动形式、信号调理电路等核心部件的选择和分析。

3．完成控制系统的硬件电路设计和绘制。

4．完成控制系统的功能实施程序的设计。

5．完成实验装置的调试与试运行验证。

6．撰写设计说明书。

二、具体内容及基本要求

1、库房温度烟雾巡视监测报警仪

1．1设计任务

利用温度传感器和单片机技术设计一套库房温度和烟雾巡视监测报警仪，报警温度可设定输入，温度测量误差为±1°C，温度监测报警仪具有日期、时钟显示功能。

1．2设计目的

1、了解有关温度传感器的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定温度传感器的型号的参数，掌握温度的检测方法。

3、掌握模拟信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

5、学会应用温度传感器组建一个简单的测量系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

6、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

1．3设计要求

1、详细了解所选用的温度传感器的工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机和A/D芯片进行信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

2、便携式转速测定及显示的监测报警系统

2．1设计任务

利用接近传感器和单片机技术设计一套可测定电动机等转速的速度监测报警系统，报警速度可设定输入。

速度测量范围为500~3000r/s，速度测量误差为±1r/s，速度监测报警系统具有日期、时钟显示功能

2．2设计目的

1、了解有关光电、霍尔、电容、电感等类似接近开关传感器的结构、工作原理、使用方法。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定传感器的型号参数，掌握有关转速测量的方法和技术。

3、掌握脉冲信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

5、学会应用脉冲型传感器组建一个简单的测量系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

6、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

2．3设计要求

1、详细了解所选用的脉冲型传感器的工作原理、工作特性、技术参数、速度测量的应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行脉冲信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份

3、汽车前轮转向角的测量系统

3．1设计任务

利用电位器式角度传感器模拟汽车前轮转向角的检测信号和单片机技术设计一套台汽车前轮转向角的监测报警系统，报警角度可设定输入。

角度测量范围为90~180度，角度测量误差为±1度，角度监测报警系统具有日期、时钟显示功能

3．2设计目的

1、了解有关电位器式角度传感器的结构、工作原理、使用方法。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案（实际检测信号需要机械台架，汽车等实物，实验室中采用人工直接旋转电位器的转轴来模拟汽车前轮的转动，在设计程序处理时，要尽量考虑相关的抖动干扰）。

确定传感器的型号参数，掌握有关角度测量的方法和技术。

3、掌握模拟信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

5、学会应用电位器式传感器组建一个简单的测量系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

6、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

3．3设计要求

1、详细了解汽车前轮转向角测量原理和要求，制定转向角测量的机械传动方案。

2、详细了解所选用的电位器式角度传感器的工作原理、工作特性、技术参数等。

3、设计合理的信号调理电路。

4、用单片微型计算机和A/D芯片进行模拟信号的采样等相关处理电路。

5、设计合理的单片微型计算机的显示和键盘输入接口电路。

6、设计合理的系统供电电路。

7、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

8、列出制作该系统的元件清单。

9、撰写详细的设计说明书一份。

3．4汽车前轮转向角测量原理介绍

汽车前轮转向角检测仪是用于检测汽车转向轮左右两个方向最大转向角的检测设备。

首先，检测车辆停在台架前（台架埋入地下），电动机通过丝杆带动转盘在导轨上左右运动来对准车轮（通过红外线传感器检测跟踪定位）；对准后，汽车驶入台架，转向车轮正好停在转盘中间；车停稳后，相关的机械夹具锁定装置（电气控制），司机转动方向盘带动车轮朝左运动到最大极限角，停等片刻；然后又朝右运动到极限角，再停等片刻。

圆盘随车轮一起朝左、朝右转动，同时转盘带动传感器一起转动，电子系统检测这个左右运动的最大值，并记录、显示、打印、传输出给上位机。

显然，上述系统设计涉及机械设计、传感技术、电子检测、电力拖动、应用软件编程等很多方面。

4、一维直线运动台的定位控制系统

4．1设计任务

针对前期机械课程设计完成的一维直线运动台，利用光电编码传感器、电机驱动技术和单片机技术设计一套一维直线运动定位控制系统，定位点可按要求任意输入设定。

定位范围为10~500mm，定位误差为±0.1mm，定位控制系统具有日期、时钟显示功能。

4．2设计目的

1、了解有关光电编码传感器的结构、工作原理、使用方法。

2、了解有关直流电机或步进电机的工作原理和应用技术。

3、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案。

确定传感器的型号参数，掌握有关直线位移的测量方法、技术和直流电机或步进电机的控制方法、技术。

4、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

5、学会应用光电编码传感器和电机驱动技术组建一个简单的运动定位控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

6、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

4．3设计要求

1、详细了解一维直线运动台的工作原理和运动定位要求，制定直线运动的电机驱动方案。

2、详细了解所选用的脉冲型传感器的工作原理、工作特性、技术参数、速度测量的应用电路等。

3、设计合理的信号调理电路。

4、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行脉冲信号的采样等相关处理电路。

5、设计合理的单片微型计算机的显示和键盘输入接口电路。

6、设计合理的系统供电电路。

7、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

8、列出制作该系统的元件清单。

9、撰写详细的设计说明书一份。

完成上述定位控制系统设计涉及机械设计、传感技术、电子检测、电力拖动、应用软件编程等很多方面的知识。

5、液态物体的自动称重控制系统设计

5．1设计任务

利用称重传感器和单片机技术设计一套罐装流水线中的液态物体自动称重控制系统，自动称重值可任意输入设定，控制系统具有加料机构驱动电磁阀和流水线罐体的输送的自动控制功能，最大称重值5000g，称重值误差为±10g，称重控制系统具有日期、时钟显示功能。

5．2设计目的

1、了解有关称重传感器的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定称重传感器的型号的参数，掌握物体重量的检测方法。

3、掌握模拟信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

5、学会应用称重传感器和单片微型计算机接口技术组建一个自动称重控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

6、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

5．3设计要求

1、详细了解所选用的称重传感器的工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机和A/D芯片进行信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的执行驱动元件、显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

6、颗粒物体的自动罐装控制系统设计

6．1设计任务

利用光电传感器和单片机技术设计一套罐装流水线中的颗粒物体的自动罐装控制系统，颗粒物体的计数值可任意输入设定，控制系统具有加料机构驱动电磁阀和流水线罐体的输送的自动控制功能，最大罐装数1000粒，罐装数误差为±1每罐，自动罐装控制系统具有日期、时钟显示功能。

6．2设计目的

1、了解有关光电传感器的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定光电传感器的型号的参数，掌握物体自动计数的检测方法。

3、掌握脉冲信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

5、学会应用光电传感器和单片微型计算机接口技术组建一个自动罐装控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

6、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

6．3设计要求

1、详细了解所选用的光电传感器的工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行脉冲信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的执行驱动元件、显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

7、自动寻迹行进移动车的控制系统设计

7．1设计任务

利用光电传感器、电机驱动技术以及单片机技术设计一套自动寻迹行进移动车的控制系统，控制系统应能使AGV小车达到按照预定的轨迹自动行走和障碍避让，以及实现行进小车的两档移动速度选择功能，控制系统还具有日期、时钟显示功能。

7．2设计目的

1、了解有关光电传感器的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定光电传感器的型号的参数，掌握物体自动计数的检测方法。

3、掌握脉冲信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握小功率直流电机的驱动技术和微机控制接口技术。

5、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

6、学会应用光电传感器和单片微型计算机接口技术组建一个自动寻迹行进移动车控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

7、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

7．3设计要求

1、详细了解所选用的光电传感器的工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行脉冲信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的执行驱动元件、显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

8、电子导盲犬控制系统设计

8．1设计任务

利用GPS、障碍探测传感器、语音存储播放模块等电子部件实现用于盲人出行导航的电子导盲犬，电子导盲犬采用“示教再现”的工作原理实现盲人出行路线的导航模式，“示教再现”的导航原理如下：

导航犬由无视觉障碍人士携带并行走在盲人需出行的路线上，通过操作按钮记忆储存路线上的关键节点的GPS和提示信息（如左转、右转、过马路等），随后在盲人出行使用导盲犬时，根据实时的GPS数据和存储的关键节点的导航数据的比较结果，及时提示盲人行走方向，并通过障碍探测传感器提示盲人的障碍避让。

控制系统还具有日期、时钟显示功能。

8．2设计目的

1、了解有关GPS、障碍探测传感器的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定GPS、障碍传感器的型号的参数。

3、掌握脉冲信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握语音存储播放器的控制接口技术。

5、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

6、学会利用GPS、障碍探测传感器、语音存储播放模块等电子部件实现用于盲人出行导航的电子导盲犬控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

7、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

8．3设计要求

1、详细了解所选用的GPS、工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行脉冲信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的执行驱动元件、显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

9、用于脊柱疾病理疗康复的牵引力控制系统设计

9．1设计任务

本项目通过智能牵引装置给颈或腰部施加予一定的牵引力力，来纠正颈，腰部的非正常姿势，从而达到治疗颈椎病的效果。

牵引力由主控系统控制电机产生。

系统通过拉力传感器反馈牵引力大小，从而控制步进的输出，达到牵引力力度的精确控制。

各种牵引模式和参数由触摸屏构成的人机界面完成设置。

原理如图：

首先设定力值，启动机器，电机带动小齿轮转动，电磁铁吸合，拉动中间齿轮，使与大小齿轮同时啮合，大齿轮开始转动，并带动绕绳轮转动，开始绕绳，在绳子拉紧后开始产生拉力，弹簧将被拉伸，拉力传感器感应产生数据回到主控，对比设定拉力值，做出判断进行电机控制。

9．2设计目的

1、了解有关步进电机、力传感器的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定步进电机、步进电机驱动器、力传感器的关键部件的型号参数，掌握力测量的检测方法。

3、掌握微小模拟信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握步进电机的驱动技术和微机控制接口技术。

5、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

6、学会应用力传感器、步进电机和单片微型计算机接口技术组建一个拉力控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

7、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养自动控制系统设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

9．3设计要求

1、详细了解所选用的力传感器的工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行力采样和步进电机控制等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的执行驱动元件、显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

10、用于老年人日常生活中体位/位置监测、报警的控制系统设计

10．1设计任务

利用GPS、加速度传感器、无线传输模块的先进数字电路技术以及单片机技术设计一款老年人的日常生活中体位/位置监测、报警控制系统，完成老年人的疾病暴发、跌倒、及走失等日常监测护理功能，控制系统还具有日期、时钟显示功能，并通过日期/时钟部件使装置具备服药等日常起居的提醒功能。

10．2设计目的

1、了解有关GPS、加速度传感器、无线传输模块的工作原理、加工工艺的相关知识。

2、综合运用其他先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定加速度传感器的型号的参数，掌握物体重力、姿态的检测方法。

3、掌握脉冲信号获取、传输、处理及检测的一般方法。

4、掌握无线传输和微机接口技术。

5、掌握由微型计算机实现数字输入和显示功能的技术。

6、学会应用GPS、加速度传感器和单片微型计算机接口技术组建一个人体体位监测控制系统，提高解决实际工程问题的设计能力。

7、通过计算、分析、绘图，能运用标准、规范、手册并学会查阅有关资料，培养仪器设计的基本技能，为毕业设计等奠定良好的基础。

10．3设计要求

1、详细了解所选用的GPS、加速度传感器等关键部件的工作原理、工作特性、技术参数、应用电路等。

2、设计合理的信号调理电路。

3、用单片微型计算机输入接口和中断技术进行脉冲信号的采样等相关处理电路。

4、设计合理的单片微型计算机的执行驱动元件、显示和键盘输入接口电路。

5、设计合理的系统供电电路。

6、用计算机绘图软件绘制硬件电路原理图，用C51或汇编语言编设计编制相关程序，并用单片仿真器或实验箱对关键程序进行调试和实验验证。

7、列出制作该系统的元件清单。

8、撰写详细的设计说明书一份。

三、设计报告撰写要求

进行机电控制系统课程设计时，学生也可根据自己的兴趣和对所学知识的了解程度，自我制定设计课题，每个课题的人员数一般不超过1~2人，课题设计小组在完成相关的设计、制作工作后，每个成员各自独立撰写一份课程设计报告，并进行实物演示。

课程设计说明书应包括以下几个内容：

1、分析、掌握所设计课题涉及的相关技术的国内外研究进展及应用现状

2、设计任务、要求和目标分析

3、控制系统的功能、技术参数的分析和制定

4、实施方案的设计和分析

5、设计计算和实施技术的分析

5.1、传感器的工作原理和应用技术介绍

5.2、电机或其它驱动部件的工作原理和应用技术介绍

5.3、单片微型计算机的信号采集、输出控制接口技术分析

5.4、系统电源电路的电参数的计算和分析

5.5、硬件电路的绘制，以及核心元件的电参数的计算和分析

5.6、系统的总体控制框图和各功能程序框图的设计和分析

5.7、软件设计和实施算法分析

6、验证试验内容和过程

7、设计结论

8、参考文献

8、附录

附录一、实验仿真系统介绍

1、硬件平台

系统部分原理图如下图所示,系统部分由CPU89C58、上电复位电路、低位地址锁存器74LS373、地址译码器74LS138、仿真插座、全部总线（P0口作数据总线D0～D7、经74LS373锁存输出的低位地址线A0～A7、P1口、P2口作高位地址总线A8～A15、P3口）引出插孔、用户晶振插座等组成。

CPU89C58位置在仿真调试用户实验程序时，用于接入仿真器；对调试好的实验程序，可以由专用编程器写入CPU89C58芯片后直接插入该位置，即可独立运行用户实验程序。

图1系统部分原理图

系统部分接口介绍

JR：

复位选择。

2-3接通时选择上电复位，1-2接通时选择外部复位，外部复位信号接入插孔RESET上。

JZ：

接插用户晶振。

Y0～Y7：

系统的译码输出。

Y0=8000H，Y1=9000H，Y2=A000H，Y3=B000H，Y4=C000H，Y5=D000H，Y6=E000H，Y7=F000Ｈ。

JFZ：

仿真插座。

可以作为扩展单元，仿真DVCC-51NET以外的8XC51系统。

单片机仿真器使用说明

和实验仪配套的8X51CPU系列小型仿真器是一个支持KEIL设计软件的软件断点仿真机。

该仿真器使用一片SST89C58单片机和一片AT90S8515单片机来实现仿真功能（主CPU和用户CPU），两片CPU之间通过一根I/O引脚通讯（通讯速率在33兆晶振时约100KBPS），主CPU负责跟KEIL通讯，用户CPU只跟主CPU通讯，仿真器结构框图如下:

图2仿真器原理框图

仿真器主要功能和特性

1、