机电一体化课程设计

——基于单片机的液压、油温监测报警系统

姓    名：XXX

学    号：2008100XXXX

专    业：机械设计制造及其自动化

班级序号：

指导老师：吴来杰

付先成

袁  勇

                                                   

20##-2-24

【摘要】

液压油温监测报警系统利用8051单片机作为处理控制器，采用DS18B20温度传感器和1000系列扩散硅压力传感器组成测量单元。整个系统有输入、显示和报警功能。

【关键词】

液压 油温 监测 报警

【正文】

一、设计要求

1、系统能通过按键预设压力和油温值；

2、系统能自动监测当前液压缸的压力和液压油的温度，并通过液晶显示器显示。

3、温度范围为-50℃—120℃，压力范围为0Mpa—20Mpa。可自由设定报警门限值，当温度或压力超过设定的门限值时，系统报警。

4、系统能提供足够的功率，报警灯足够亮，报警声足够大。

二、方案的设计

1、系统方案整体框图

2、系统工作原理

整个系统采用温度传感器和压力传感器对信号进行采集，其中温度传感器DS18B20能直接获取数字信号并实时传输至单片机。1000系列扩散硅压力传感器获取所需信号后，经过对信号的滤波和放大电路的放大，传输至A/D转换器进行A/D转换，将采集到的模拟信号转换成数字信号并读入8051单片机进行数据处理，最后将处理后的结果在LED显示屏上显示出来。

系统中设有按键电路，可设置液压系统的压力和油温值，使系统在不同的状况下工作，增加系统的灵活性。系统中设有显示电路部分，经过单片机处理后的温度和油温数据可由显示模块显示出来，增加了系统的实用性。

系统中还设有报警电路。当所测量的压力和油温超出预设值时，触发报警电路，向外界发出警报。

三、主要元器件的选择

1、单片机选择

80C51是8位单片机中一个最基本、最典型的芯片型号。其特性如下：

1.1、有256个RAM单元，其中前128个单元为内部数据存储器；另外还有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据；

1.2、片内有两个16位的定时器/计数器，用于实现定时或技术功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制；

1.3、有4个8位并行I/O口，以实现数据的并行输入/输出；

1.4、一个全双工串行口，以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送；

1.5、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；

1.6、内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

这里对80C51采用40引脚双列直插式DIP封装，引脚图如下：

        

2、温度传感器选择

根据系统所要求的测量范围和精度，选择DS18B20温度传感器。DS18B2温度传感器的主要特性如下：

2.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

2.2、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

2.3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

2.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

2.5、温度范围：－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

2.6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温

2.7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快

2.8、测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

2.9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

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、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下：

2.10、DS18B20引脚定义：

(1)DQ为数字信号输入/输出端；

(2)GND为电源地；

(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。  

3、液压压力传感器的选择

根据系统所要求的测量范围和精度，选择1000系列扩散硅压力传感器。1000系列扩散硅压力传感器的主要特性如下：

选择0～20MPa 1000系列扩散硅压力传感器。

该类型传感器属于扩散硅压阻式压力传感器，扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应，采用IC工艺扩散四个等值应变电阻，置于硅膜片上，组成惠斯登电桥，不受压力作用时，电桥处于平衡状态，当受到压力（或压差）作用时，电桥的一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡，若对电桥加一恒定的电压，便可检测到对应于所加压力的电压信号，从而达到测量液体、气体压力大小的目。

1000系列扩散硅压力传感器技术参数

1000系列扩散硅压力传感器电气技术参数

选择3线制，10V供电，0—5V输出的压力传感器。由此，传感器对系统有两点特殊的要求，即系统必须有+10V供电电源和AD转换器。10电源可选用MAX660对5V进行倍压获得，AD转换器选用16位串行的ADS1110芯片。

四、电路设计

1、复位电路

复位是单片机的初始化操作，只需给8051的复位引脚REST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得复位，复位时，PC初始化为0000H，使单片机从OUT单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得REST脚为高电平，重新启动。

2、时钟电路

时钟电路对单片机系统而言是必需的。由于单片机内部是由各种各样的数字逻辑器件(如触发器寄存器存储器等)构成，这些数字器件的工作必须按时间顺序完成，这种时间顺序就称为时序.时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准的电路,没有时钟电路单片机就无法工作。该设计采用由内部方式产生时钟的方法形成时钟电路，如图所示：

3、单片机最小系统

4、温度传感器接口电路

5、压力传感器接口电路

6、报警电路

7、键盘接口电路

8、LCD显示电路

9、整体电路

五、PCB板的设计

1、PCB板布线

2、PCB板3D视图

六、实习心得

此次机电一体化实习，我不仅了解并熟悉了Protel99se软件，会设计简单的原理图和PCB电路板，而且还复习了以前学习过的单片机、电工学等知识，更重要的是结合机电一体化和传感器的选择，接口技术，能通过自己的努力，独立完成一个系统的设计。

我想，这些都对我以后的工作有很大的帮助。也要感谢几位老师的耐心指导，为大家解决设计中的问题和不足。在今后的学习和工作中，我一定继续加强机电一体化领域的学习和研究，争取在本专业做出一定的成绩。

再次感谢老师在机电一体化课程实习中的指导和帮助。

参考文献：

1、李广弟等主编.单片机基础（第3版）.北京：北京航空航天大学出版社，2006.7

2、秦曾煌主编.电工学（第六版）.北京：高等教育出版社，2004.1

3、肖世德等主编.机电一体化系统监测与控制.成都：西南大学出版社，2011.1

4、王志刚等编著.机电系统监测与控制从入门到精通.北京：机械工业出版社 2011.3

第二篇：在机电一体化课程中应用项目化教学法的教学体会

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在机电一体化课程中应用项目化教学法的教学体会

作者：浦俊贵

来源：《职业·下旬》20xx年第12期

机电一体化专业培养的是具有机械、电子、液（气）压一体化技术基本理论，掌握机电一体化设备的操作、维护、调试和维修，掌握应用机电一体化设备加工的工艺设计和加工工艺的基本方法和基本技能的工程技术人才。笔者结合自己所在的学校机电一体化实训设备以及学生的知识能力情况，谈谈对机电一体化课程实践教学的探索和体会。

一、找准定位，有针对性地采用项目化教学方法

当前中职学生知识和能力都比较薄弱，而机电一体化专业涉及的课程较多、理论性强。如何解决这两者之间的矛盾，是取得不同教学效果的一项关键因素。“理论知识够用，实践技能过硬”——是笔者所在学校根据中职学生特点给出的专业能力定位。根据知识结构的特点，有选择性、针对性地采用项目化教学模式，将理论课堂搬到设备旁、搬到电脑前。学习必要的理论，从最简单的项目入手，既使学生学习的理论知识立即在实践中得到应用，又让学生在实践中发现理论知识的不足之处。积极拉动了学生自身需要学习的内在动力因素，就会大幅度地提高教学质量。采用项目化教学，不仅克服了课程的交叉性和进度不一致的矛盾，而且还让学生建立了该专业课程结构的感性认识，体会到一个专业不同课程间的联系和学习的必要性。

二、编写项目化教程，激活学校实训设备

项目化教学要以配套的实训设备为载体实施，如何结合学校自身的实训设备，精心编制好项目化教材是教学中的一项重要任务。

编写项目化教程要以职业能力要求为依据，以项目任务为载体，用项目带动内容，将内容融于项目，并将每个项目分解成多个任务，每个任务由若干技能组成，合理地安排技能到相关任务中，逐步引导学生由浅入深、由简到难地学习，提高学生的能力，达到“学以致用”的目的。

项目化教程在知识点的布局上要注意专业基础课程之间的交叉性、时序性矛盾。对于一台综合性能较高的机电一体化设备，它涵盖了机电一体化专业的主干课程，诸如：电工技术、电子技术、机械设计基础、机械加工机床、机械加工工艺、互换性与测量技术、液压与气动技术、检测技术、数控技术、电气控制技术、机电传动控制、单片机原理与应用、可编程控制器及应用、计算机通信技术等。

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那么如何在项目化教程中适时投放知识点，做到知识点既交叉又不凌乱，做到知识点齐头并进又循序渐进，优秀的项目化教材是重要的前提条件。

三、利用软件资源，拓宽实践教学空间

如果机电一体化专业实践教学中能充分利用现代化教学资源，一方面可以将语言难以清晰描述的知识点通过比较直观的方式形象地表达出来；另一方面可以通过专业软件建立功能强大的虚拟“实验室”，使学生可以自由发挥，展示学习成果。比如protel、Multisim软件的出现彻底改变了电子线路传统的设计方法，软件中的元件库有电路基础、模电、数电实验所需元件和组件，工具栏中有万用表、示波器、信号源等仪表，选中需要的元件、组件连接成相关电路，点击电路中的开关元件即可模拟仿真电路结果，还可用工具栏中的仪表测量电路参数。这些包括FESTO公司的气动与液压仿真软件、MITSUBISHI公司的plc编程软件、单片机方面的Proteus、Keil软件，甚至现在市场上已出现多个品牌的专门应用于机电一体化仿真教学的软件。这些软件除了能进行软硬件学习和设计练习，还可以通过强大的仿真功能进行仿真实验。当然，一个用途的软件有多个不同的品牌，它们在细节和格式上不尽相同，教师可以根据学校的实际情况和教学需要来甄选。

利用这样的软件教学资源，会增加实验的可行性。虚拟实验能让学生方便地进行各种设计、挖掘潜力，锻炼他们运用知识的能力和增强他们的创新意识，提高综合素质。

四、完善教学评价体系，为学生的能力延伸提供空间

诸如机电一体化这样的专业课程，其教学效果评价的基本思路要以综合实践技能考核为主线、能力为中心，是开放式、全程化的考核体系，具体包括：基本能力，课堂参与、项目完成情况，合作、沟通能力，提高、创新能力，设备维护，资料整理等。通过项目成果展示、自评互评、心得交流等进行多元评价，使教师的教、学生的学双方面的评价更精准、全面。

综上所述，机电一体化课程的项目化教学法一方面对教师提出了更高的要求，要求教师不仅有丰富的专业知识，而且有熟练的操作技能和计算机应用能力；另一方面对学生带来了更为具体、形象的教学过程，使自身的综合能力更能贴近企业的需要。总之，如何在新形势下培养新一代技能型人才，什么样的教学模式能使教学效果最优化，有待于教育工作者在教学过程中进一步研究探索。

（作者单位：大丰技工学校）