機(jī)電一體化課程設(shè)2016(附3D圖)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)老師： 吳來(lái)杰、付先成 目錄一、 課程設(shè)計(jì)的題目及任務(wù)要求3二、 課程設(shè)計(jì)的目的及意義4三、 系統(tǒng)方案論證4四、 各單元電路分析與設(shè)計(jì)64.1 油壓檢測(cè)電路64.2 油溫檢測(cè)電路84.3 A/D接口電路94.4 單片機(jī)擴(kuò)展電路114.5 鍵盤接口電路114.6 LED顯示接口電路124.7 報(bào)警電路134.8電源電路144.9 程序下載電路15五、 電路原理圖及PCB圖設(shè)計(jì)155.1 原理圖的繪制155.1.1新建新項(xiàng)目155.1.2修改器件編號(hào)和封裝形式175.1.3連線175.2 網(wǎng)絡(luò)表的生成與導(dǎo)入185.2.1網(wǎng)絡(luò)表的生成185.2.2生成

2、材料清單185.2.3網(wǎng)絡(luò)表的導(dǎo)入195.3 PCB圖的布局與布線205.3.1布局205.3.2設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則205.3.3布線215.3.4設(shè)計(jì)規(guī)則檢查215.3.5生成網(wǎng)表225.3.5網(wǎng)表比較235.3.6補(bǔ)淚滴和覆銅23六、 課程設(shè)計(jì)小結(jié)25七、附錄261、電路原理圖262、PCB電路圖263、3D效果圖261、 課程設(shè)計(jì)的題目及任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的液壓系統(tǒng)油壓、油溫檢測(cè)系統(tǒng)，其中：壓力P=016MPa;油溫t=0120。要求設(shè)計(jì)并繪制電路原理圖和印刷電路板（PCB圖），內(nèi)容包括：（1） 繪制電路原理圖；（2） 繪制印刷電路板圖；（3） 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。2、 課程設(shè)計(jì)的目的及意

3、義機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)作為機(jī)械電子專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，考察學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力?？茖W(xué)合理地安排課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。使學(xué)生即能在有限的時(shí)間內(nèi)掌機(jī)電一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力，又能訓(xùn)練學(xué)生抓住問(wèn)題的主要矛盾有針對(duì)性的加以深入的研究是課程設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵所在。機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)有：機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及信息處理技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)。這些技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，這就要求我們要與時(shí)俱進(jìn)，積極學(xué)習(xí)新技術(shù)，才能更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)工作的需要。因此這次課程設(shè)計(jì)，一方面讓我們從理論到實(shí)踐的一個(gè)聯(lián)系，另一方

4、面也是溫習(xí)和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識(shí)特別是單片機(jī)方面的知識(shí)，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)能夠從整體上認(rèn)識(shí)和把握，能夠從整體的高度上根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)出有效的系統(tǒng)。接觸和學(xué)習(xí)一種相當(dāng)有效的電路設(shè)計(jì)軟件PROTEL99，熟悉和了解基本的操作，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求獨(dú)立設(shè)計(jì)和布局出合理的電路原理圖（SCH）和電路板圖（PCB）。系統(tǒng)化針對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決和設(shè)計(jì)思路，掌握獨(dú)立解決問(wèn)題的方法，為即將面臨的社會(huì)實(shí)踐打好基礎(chǔ)，都是非常必要的。3、 系統(tǒng)方案論證1、單片機(jī)控制的液壓油溫檢測(cè)系統(tǒng)中，其要檢測(cè)的指標(biāo)有油壓和油溫兩個(gè)。油壓的檢測(cè)要用壓力傳感器，而油溫的檢測(cè)要用溫度傳感器。傳感器一般由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏

5、感元件直接感受被測(cè)量，并以確定的關(guān)系輸出某一物理量。轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量?；巨D(zhuǎn)換電路將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量。2、電量通過(guò)整流電路的輸出電壓不是理想的平滑直流，而是單方向的脈動(dòng)直流，即除了直流分量以外還有許多交流分量。所以要針對(duì)電源的負(fù)載特性選擇合適的濾波電路。濾波電路就是使單向脈動(dòng)直流變成平滑直流的電路，常用電阻，電容和電感組合而成。3、由于傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)整流，濾波放大電路后輸出的是模擬信號(hào)（如電壓、電流、頻率等）。這些信號(hào)計(jì)算機(jī)是識(shí)別不了的，所以要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)處理。4、通

6、過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入MCS-51單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制功能。本系統(tǒng)中要控制油溫和油壓，還要在油溫和油壓超過(guò)設(shè)定的額定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。所以要通過(guò)顯示器，鍵盤和報(bào)警電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、通過(guò)MAX232和9針串口將寫好的程序下載到單片機(jī)中，應(yīng)用程序的方法實(shí)現(xiàn)控制。圖1 系統(tǒng)組成方框圖其中：1、 液壓壓力傳感器采用油壓傳感器選型為PTC302壓力傳感器；2、 油溫傳感器選型為FST600103鉑電阻溫度傳感器；3、 A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809；4、 單片機(jī)采用80C52；5、 I/O擴(kuò)展采用8255；6、 下載電路采用MAX232和9針串口。4、 各單元電路分析與

7、設(shè)計(jì)4.1 油壓檢測(cè)電路由于壓力P在016MPa之間，所以根據(jù)要求選用PTC302壓力傳感器，如圖2所示。PTC302壓力傳感器的相關(guān)參數(shù)如下：量 程： -0.101150(MPa) 綜合精度： 0.25%FS、0.5%FS輸出信號(hào)： 420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓： 24DCV(936DCV) 介質(zhì)溫度： -2085150 環(huán)境溫度： 常溫(-2085) 負(fù)載電阻： 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K 絕緣電阻： 大于2000M (100VDC) 密封等級(jí)： IP65 長(zhǎng)期穩(wěn)定性能： 0.1%FS/年 振動(dòng)影響： 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz1000

8、Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口：四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母 螺紋連接：1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)外形尺寸：M20×26×85圖2 PTC302壓力傳感器實(shí)物圖選用輸出信號(hào)為05V的三線制PTC302壓力傳感器，由于輸出信號(hào)范圍與A/D轉(zhuǎn)換要求的信號(hào)范圍相同，故不需要進(jìn)行放大，直接進(jìn)行濾波處理，電路圖如圖3所示。圖3 油壓檢測(cè)電路圖電路圖中應(yīng)用RC濾波電路進(jìn)行濾波，而后接一個(gè)電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。4.2 油溫檢測(cè)電路由于油溫t在01

9、20之間，所以根據(jù)要求選用FST600103鉑電阻溫度傳感器，如圖4所示。FST600103鉑電阻溫度傳感器的相關(guān)參數(shù)如下：技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍（）：-500；-5050；050；0100；0150；0200；0250安裝方式：插入式 插入深度(mm)：10、15、20、25、30、40、50；可按用戶要求定制探頭尺寸(mm)：3 4 5 6 8傳感器Pt100 Pt1000阻值1×Pt100 1tPT1000信號(hào)線規(guī)格2wire or 3wire 輸出信號(hào)420mA（2wire）；05V、15V、110V（3wire）長(zhǎng)期穩(wěn)定性（1年）±0.1%FS響應(yīng)時(shí)間T=50 2.3s

10、；T=90 5.4s環(huán)境溫度-40+125介質(zhì)溫度-200+250介質(zhì)兼容性與316L不銹鋼兼容的各種介質(zhì)圖4 FST600103鉑電阻溫度傳感器實(shí)物圖選用輸出信號(hào)為05V的三線制FST600103鉑電阻溫度傳感器，由于輸出信號(hào)范圍與A/D轉(zhuǎn)換要求的信號(hào)范圍相同，故不需要進(jìn)行放大，直接進(jìn)行濾波處理，電路圖如圖5所示。圖5 油溫檢測(cè)電路圖4.3 A/D接口電路考慮到液壓系統(tǒng)對(duì)于油壓、油溫測(cè)量的精度要求，選用8位的ADC0809，則壓力測(cè)量的最小分辨值為，溫度測(cè)量的最小分辨值為，能夠滿足液壓系統(tǒng)對(duì)于壓力、溫度精度的要求，A/D接口電路如圖6所示。圖6 A/D接口電路圖ADC0809是典型的8位8通

11、道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝，可實(shí)現(xiàn)8路模數(shù)信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼器電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右。IN-7IN-0是模數(shù)輸入通道，ADC0809對(duì)輸入信號(hào)的電壓要求是05V，若信號(hào)過(guò)小還需要進(jìn)行放大。另外，模擬輸入量在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中其值不應(yīng)該有變化，對(duì)變化快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路，本課題中的油壓及油溫的變化不會(huì)很快，所以不必采用采樣保持電路。A、B、C是地址線，設(shè)置P0.1P0.3口經(jīng)過(guò)地址鎖存器74LS373后接A、B、C地址線。ALE地址鎖存允許信號(hào)，A、B、C地址狀態(tài)進(jìn)入地址鎖存器中，由P2.3及WR控制地址鎖存

12、。START轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零，下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)保持低電平，由P2.3及WR控制轉(zhuǎn)換信號(hào)。D7D0數(shù)據(jù)輸出線，和單片機(jī)的P0口直接連接。EOC輸出允許信號(hào)，用于控制三態(tài)門。4.4 單片機(jī)擴(kuò)展電路單片機(jī)內(nèi)部的硬件電路已基本上構(gòu)成具有基本形式的微機(jī)系統(tǒng)，可以滿足許多控制場(chǎng)合的需要。這些電路包括定時(shí)器、中斷、串行接口、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外部程序存儲(chǔ)器等。但為了在應(yīng)用中硬件電路還不夠用，需要在單片機(jī)外增加新的電路（芯片），也就是所謂的擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用的擴(kuò)展芯片是8255，如圖7所示。圖7 單片機(jī)擴(kuò)展電路應(yīng)用8255進(jìn)行單片機(jī)I/O的擴(kuò)展，8255的D0

13、D7與單片機(jī)P1口相連，RD和WR控制信號(hào)的讀寫，單片機(jī)與A0、A1以及CS相連的P2.2P2.0控制8255的讀寫地址。4.5 鍵盤接口電路 為了減少鍵盤和單片機(jī)接口時(shí)所占用I/O口線的數(shù)目，此系統(tǒng)采用了串行口控制的鍵盤接口，擴(kuò)展了4×4的行列式鍵盤，用以輸入油壓、油溫的報(bào)警設(shè)定值。通過(guò)8255的PB0PB7對(duì)鍵盤的輸入信號(hào)進(jìn)行采集，從而達(dá)到控制的目的，如圖8所示。8255可編程輸入輸出接口芯片具有3個(gè)8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過(guò)程序改變其功能。 RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外于高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。

14、 CS:片選信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，表示芯片被選中，允許8155與CPU進(jìn)行通訊。 RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許8155通過(guò)數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR:寫入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入。圖8 鍵盤接口電路4.6 LED顯示接口電路根據(jù)壓力與溫度測(cè)量時(shí)的精度以及測(cè)量范圍的大小，選用4位共陽(yáng)極數(shù)碼管05641A,通過(guò)鍵盤控制壓力與溫度的顯示，其封裝及各引腳如圖9所示。圖9 共陽(yáng)極數(shù)碼管05641A封裝及各引腳圖 8255的PA口連接74LS244的輸入，控制數(shù)碼管顯示的數(shù)字與小數(shù)點(diǎn)；PC4、

15、PC5控制74LS244的鎖存狀態(tài)；PC0PC3控制達(dá)林頓管的輸入從而控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮與熄滅，如圖10所示。圖10 LED顯示接口電路4.7 報(bào)警電路 單片機(jī)的T1接口接電阻及PNP，當(dāng)油壓或油溫超過(guò)范圍時(shí)，將T1置低，通過(guò)PNP放大電流使蜂鳴器報(bào)警，如圖11所示。圖11 報(bào)警電路4.8電源電路由于傳感器的供電電壓為24V，而單片機(jī)的電壓為5V，而民用電壓為220V，故需要將220V電壓先轉(zhuǎn)化為24V，再通過(guò)芯片轉(zhuǎn)至5V。在將220V電壓轉(zhuǎn)化為24V時(shí)考慮到電壓不穩(wěn)定，雜波較多，所以直接選用24v4a電源適配器。所以只需設(shè)計(jì)24V轉(zhuǎn)為5V的電路，電路如圖12所示。圖12 電源電路4.9 程序下

16、載電路程序通過(guò)9針串口與MAX232芯片下載到單片機(jī)中，控制系統(tǒng)的檢測(cè)，如圖13所示。圖13 程序下載電路5、 電路原理圖及PCB圖設(shè)計(jì)5.1 原理圖的繪制5.1.1新建新項(xiàng)目 打開Protel99se，點(diǎn)擊文件、新建，新建一個(gè)文件夾，如圖14所示。輸入項(xiàng)目名稱、保存路徑，如圖15所示。再點(diǎn)OK，鼠標(biāo)指向右下空白窗口，點(diǎn)擊右鍵，出現(xiàn)下拉菜單并點(diǎn)選New，出現(xiàn)如圖16所示界面。圖14 新建項(xiàng)目圖15 輸入項(xiàng)目名稱、保存路徑圖16 建立原理圖5.1.2修改器件編號(hào)和封裝形式添加文件庫(kù)，找到所需元器件，并更改器件編號(hào)和封裝形式，如圖17所示。圖17 修改器件編號(hào)和封裝形式5.1.3連線通過(guò)工具條進(jìn)行

17、連線，如圖18所示。圖18 用于連線的工具條5.2 網(wǎng)絡(luò)表的生成與導(dǎo)入5.2.1網(wǎng)絡(luò)表的生成原理圖畫完后，點(diǎn)擊Design下的生成網(wǎng)表，如圖19所示。生成的網(wǎng)表如圖20所示。圖19 生成網(wǎng)表圖20 生成的網(wǎng)表5.2.2生成材料清單在原理圖中點(diǎn)擊報(bào)告，再點(diǎn)擊材料清單，可生成材料清單如圖21所示。圖21 材料清單5.2.3網(wǎng)絡(luò)表的導(dǎo)入新建一個(gè)PCB文件，點(diǎn)擊設(shè)計(jì)，選中需要導(dǎo)入的網(wǎng)表，導(dǎo)入網(wǎng)表如圖22所示。圖22 導(dǎo)入網(wǎng)表5.3 PCB圖的布局與布線5.3.1布局首先在KeepOutLayer層畫電路板邊框線，然后將器件平鋪擺放到邊框線內(nèi)。布局要遵循美觀、連線最短、過(guò)孔最少的三原則。另外，像晶振電路

18、、復(fù)位電路要盡可能靠近芯片引腳，如圖23所示。圖23 布局5.3.2設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)置線間間距如圖24所示，設(shè)置線寬如圖25所示。圖24 設(shè)置線間間距圖25 設(shè)置線寬5.3.3布線通過(guò)工具條進(jìn)行連線，如圖26所示。圖26 布線的工具條5.3.4設(shè)計(jì)規(guī)則檢查點(diǎn)擊工具中的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，查找錯(cuò)誤，如圖27所示。圖27 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查5.3.5生成網(wǎng)表點(diǎn)擊設(shè)計(jì)中的網(wǎng)表管理器，生成網(wǎng)表，如圖28所示。圖28 生成網(wǎng)表1圖28 生成網(wǎng)表2圖29 生成的網(wǎng)表5.3.5網(wǎng)表比較在設(shè)計(jì)中選擇比較網(wǎng)表，再導(dǎo)入兩個(gè)網(wǎng)表，進(jìn)行比較即可，如圖30所示。圖30 網(wǎng)表比較5.3.6補(bǔ)淚滴和覆銅點(diǎn)擊工具、淚滴焊盤，進(jìn)行補(bǔ)淚滴，效果如圖31所示。圖31 補(bǔ)淚滴 點(diǎn)擊工具條中的覆銅工具（圖32），給頂層和底層覆銅，效果如圖33、34所示。圖32 工具條及覆銅工具圖33 頂層覆銅圖34 底層覆銅6、 課程設(shè)計(jì)小結(jié)這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩周，在兩周的時(shí)間里我們完成了傳感器的選擇、原理圖的設(shè)計(jì)以及PCB板的設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)涉及到了單片機(jī)、測(cè)試技術(shù)、電工電子技術(shù)等多方面的知識(shí)，是對(duì)機(jī)電知識(shí)的一次綜合。在這次課程設(shè)計(jì)中我遇到了不少困難，起初對(duì)于Protel99se這個(gè)軟