液压油温检测系统设计课程设计Word文档下载推荐.docx
《液压油温检测系统设计课程设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液压油温检测系统设计课程设计Word文档下载推荐.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
3.2.2放大电路9
3.2.3A/D转换电路10
3.3温度检测电路11
3.3.1传感器的选择11
3.3.2检测电路13
3.4按键输入电路13
3.5LCD显示电路14
3.6报警电路16
3.7电源电路16
4总电路图17
5程序流程图17
结论18
参考文献19
前 言
随着社会的发展，液压系统在机械行业尤其是在工程机械领域中发挥的作用越来越大。
在工程机械的典型产品—钻机中，到处可见液压系统的身影。
如钻机中的步履机构、行走机构、给进机构、卡盘等都需要液压系统来进行控制，钻机中的多数机构都是半机械——半液压的，现在甚至开发出了全液压钻机。
在汽车中我们也随处可见各种液压装置，如离合液压装置、转向液压装置、刹车液压装置。
还有自卸车和吊车使用的液压推动装置。
可以说液压系统在我们的生产生活中有着举足轻重的作用。
由此可见，如何设计好各种液压系统，如何更好的维护好已经使用的液压系统就显得十分重要了，这对于我们减少成本，节约系统维护时间都有重要意义。
而液压系统中液压油的压力和油温就是两个重要的参数。
油压和油温的大小都直接影响着液压油的粘性，影响着液压系统的寿命和可靠性。
所以我们就要对液压系统中液压油的油压和油温进行实时监控，以保证液压系统能在正常的油压和油温参数下工作，当出现异常情况时要进行报警，然后工作人员进行检查使液压系统恢复正常的工作状态，以保证生产生活的正常安全进行。
因此温度和压力的测量及控制变得越来越重要，准确的测量和有效的控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。
本次设计题目旨在控制和检测液压系统的液压和液压油的温度，以防系统的压力或者油温的变化而导致的系统工作不稳定。
1题目分析
1.1设计任务
设计液压油温检测系统，检测液压油油压、油温检测系统，其中压力P〈=15MPa，油温T〈=80℃，将测量的参数显示出来；
通过按键设定参数上下限值，超过限制报警。
绘制电路原理图和程序流程图。
1.2设计内容
1.制定控制系统方案；
2.各主要元器件的选择；
3.系统软硬件的设计，实现液压油油温、油压的检测。
1.3设计要求
1.元器件选择合理；
2.系统方案正确；
3.系统能够实现设计任务要求；
4.电路图符合电气标准；
5.设计说明书内容完整，格式规范。
1.4设计原始材料
液压油油压、油温系统，其中压力P〈=15MPa，油温T〈=80℃，将测量的参数显示出来；
1.5课题背景
机电一体化专业旨在培养从事机电设备的使用、维护、维修、设备的管理与设计等工作的高素质、高技能、应用型高级职业技术人才，机电一体化课程设计作为机械电子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.本文针对课程设计教学过程中实际遇到的问题,探索机电一体化课程设计的内容设置,对于提高课程设计的教学质量具有重要意义.
1.6课题意义
随着社会的发展，温度和压力的测量及控制变得越来越重要。
温度和压力是生产过程及科学实验中普遍而且重要的物理参数。
在工业生产过程中为了高效的进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。
其中，温度和压力的控制在生产过程中占有相当大的比例。
准确的测量和有效的控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。
在工业的研制和成产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。
它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。
液压油油温过高的危害：
1液压油黏度、容积效率和液压系统工作效率均下降，泄漏增加，甚至使机械设备无法正常工作。
2液压系统的零件因过热而膨胀，破坏了相对运动零件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增加、液压阀容易卡死，同时，使润滑油膜变薄、机械磨损增加，结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因过早磨损而使其失效或报废。
3加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。
4油液汽化、水分蒸发，容易使液压元件产生穴蚀；
油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和液压阀内的小孔，使液压系统不能正常工作。
液压系统压力失常对液压系统工作性能的影响：
液压系统不能实现正确的工作循环，特别是在压力控制的顺序动作回路中。
执行部件处于原始位置不动作，液压设备根本不能工作。
出现噪声，执行运动部件速度显着降低，甚至产生爬行。
因此，对于液压系统的压力和油温的检测具有重要的实际意义。
而这次课程设计，一方面让我们从理论到实践的一个联系，另一方面也是温习和巩固所学的专业知识特别是单片机方面的知识，对于单片机系统能够从整体上认识和把握，能够从整体的高度上根据实际需求设计出有效的系统。
接触和学习一种相当有效的电路设计软件AltiumDesigner6.9，熟悉和了解基本的操作，能够根据设计需求独立设计和布局出合理的电路原理图（SCH）和电路板图（PCB）。
系统化针对实际问题的解决和设计思路，掌握独立解决问题的方法，为即将面临的社会实践打好基础，都是非常必要的。
2题目分析
2.1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。
系统整体框图如下：
图2.1
2.2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AT89C51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。
单片机控制的液压油温检测系统中，其要检测的指标有油压和油温两个。
油压的检测要用压力传感器，而油温的检测要用温度传感器。
传感器一般由敏感元件，转换元件和基本转换电路三部分组成。
敏感元件直接感受被测量，并以确定的关系输出某一物理量。
转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量。
基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量。
电量通过整流电路的输出电压不是理想的平滑直流，而是单方向的脉动直流，即除了直流分量以外还有许多交流分量。
所以要针对电源的负载特性选择合适的滤波电路。
滤波电路就是使单向脉动直流变成平滑直流的电路，常用电阻，电容和电感组合而成。
由于传感器检测到的信号经整流，滤波放大电路后输出的是模拟信号，（如电压，电流，频率等）。
这些信号计算机是识别不了的，所以要进行A/D转换。
A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟信号转换成数字信号，以适应计算机处理。
通过A/D转换电路输出数字信号，该信号进入MCS-51单片机，通过单片机来实现检测和控制功能。
本系统中要控制油温和油压，还要在油温和油压超过设定的额定值时，系统发出报警，实现人机对话。
3电路分析
3.1单片机最小系统
本系统是以AT89C51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的设计。
本系统可以分为几个模块进行分别设计：
1、以AT89C51为中心的小控制系统设计，此种控制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、单片机的按键输入电路，采用简单的4个按键实现对油温及油压的安全值的设定，实现程序的最简化；
3、单片机控制的显示电路，采用市面上用得最多的LCD1602液晶显示，相对于数码管显示，液晶显示更能符合现代社会发展的需要，而且LCD1602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；
4、报警电路，报警电路采用简单的三极管放大电路，电路简单实用；
5、压力检测电路，压力检测电路采用应变式压力检测传感器，压力传感器输出较小的电流模拟信号，需将电流信号进行放大同时进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号输送给单片机；
6、温度检测电路，温度检测电路采用数值型温度传感器，电路连接简单易懂；
7、电源电路，需将交流电转换成-6V、5V、6V、12V的直流电。
3.1.1单片机的选择
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。
AT89C51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。
AT89C51与MCS-51兼容，两个16位定时器/计数器，32可编程I/O线，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。
AT89C51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；
内部有时钟电路，为单片机产生时钟脉冲序列；
AT89C51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，当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，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；
地线GND和电源接口VCC；
3.1.2单片机的最小系统
图3.1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，晶振电路能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。
3.2压力检测电路
3.2.1传感器的选择
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
在本课题的设计中，我们选用的是应变式压力传感器，其型号为CYB-20S应变式压力传感器，性能见表3.2.1。
表3.1CYB-20S应变式压力传感器性能
量程范围
-100~0～3、10、16、25、40、60、100、160……600KPa
-0.1~0～1、1.6、2、20……60MPa
过载压力
2倍满量程
测量介质
与316L不锈钢兼容的气体、液体
输出信号
4～20mA0～10mA二线制
1～5VDC0～5VDC三线制
供电电压
12～36VDC（标定值为24VDC）
精确度
±
0.1%F.S±
0.2%F.S±
0.3%F.S±
0.5%F.S
长期稳定性
≤±
0.2%F.S/年
补偿温度
－10～＋70℃
介质温度
－20～＋85℃
储存温度
－40～＋125℃
响应时间
≤1ms
负载电阻
R=（U－12.5）/0.02－RD
其中：
U为电源电压，RD为电缆内阻
寿命
＞1×
108压力循环（25℃）
膜片材料
316L不锈钢
壳体材料
1Cr18Ni9Ti
压力接口
M20×
1.5或用户自定
电器连接
赫斯曼接头
防爆等级
ExiaIICT5
防护等级
IP65
隔离式压力变送器是采用进口的高精度、高稳定性的带不锈钢隔离膜片的硅力敏芯片，经激光调阻和先进的厚膜技术温度补偿，线性补偿、信号放大、V/I转换、逆极性保护，压力过载限流等信号处理，输出工业标准的电流、电压信号。
该系列变送器可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、医药、食品、轻纺、水利、地质等领域对腐蚀性气体、液体、蒸汽的压力测量和控制。
CYB-20S应变式压力传感器优点：
（1）316L不锈钢隔离膜片结构；
（2）高精度、全不锈钢结构；
（3）抗干扰强，长期稳定性好；
（4）抗腐蚀性能优良，测量多种介质；
（5）小巧精致，安装方便；
（6）本安防爆
电气连接图如下：
图3.2CYB-20S电气连接图
3.2.2放大电路
在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随着很大的共模电压，一般对这种信号需要采用具有很高的共模抑制比，高增益，低噪音，高输入阻抗的放大器实现放大。
目前广泛应用的是三运算放大器测量放大电路，其中有两个（U1A，U1C）性能一致的通用集成运算放大器，工作于同相放大方式，构成平衡对称的差动放大输入级；
一个（U1B）工作于差动放大方式，进一步抑制U1A，U1C的共模信号，并接成单端输出方式适应接地负载的需要。
此外，测量放大器电路还具有增益调节功能，只需改变相应的电阻值就可以改变增益而不影响电路的对称性，而且由于输入级采用了对称的同相放大器，输入电阻可达数百兆欧以上。
目前，许多公司已开发出各种高质量的单片集成测量放大器，通常只需外接电阻用于设定增益，外接原件少，使用灵活，能够处理几微伏到几伏的电压信号。
放大电路压力传感器采集到的信号进行放大，再传输到芯片ADC0809内，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，其具有短路保护输出；
真差动输入级；
可单电源工作：
3V-32V；
低偏置电流：
最大100mA；
每封装含四个运算放大器；
具有内部补偿的功能；
共模范围扩展到负电源；
行业标准的引脚排列；
输入端具有静电保护功能的特点。
放大电路电路图如下：
图3.3放大电路电路图
3.2.3A/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：
①8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；
②具有转换起停控制端；
③转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）；
④单个＋5V电源供电；
⑤模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；
⑥工作温度范围为-40～＋85摄氏度；
⑦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：
①IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
②2-1～2-8：
8位数字量输出端。
③ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
④ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
⑤START：
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）。
⑥EOC：
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）。
⑦OE：
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。
⑧CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
⑨REF（+）、REF（-）：
基准电压。
⑩Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
电路图如下：
图3.4A/D转换电路电路图
3.3温度检测电路
3.3.1传感器的选择
温度传感器有四种主要类型：
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。
热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从200℃到2000℃。
它们的特点是：
低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。
另外，热电偶需要外部参考端。
RTD精度极高且具有中等线性度。
它们特别稳定，并有许多种配置。
但它们的最高工作温度只能达到400℃左右。
它们也有很大的TC，且价格昂贵（是热电偶的4～10倍），并且需要一个外部参考源。
模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度（如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出）、低成本、高精度（大约1%）、小尺寸和高分辨率。
它们的不足之处在于温度范围有限（?
C55℃～＋150℃），并且需要一个外部参考源。
数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢（100ms数量级）。
虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。
与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，IC温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。
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：
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；
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；
电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源；
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
升级会员 