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单片机控制的液压、油温检测系统1、选题意义：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。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。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：①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。②执行部件处于原始位置不动作，液压设备根本不能工作。③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。2、设计思路：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：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，当所测量的压力传感器温度传感器滤波及信号放大电路A/D转换A/D转换滤波及信号放大电路8051按键输入显示报警器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。2.3电路分析：2.3.1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：①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；②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；③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；④内部有时钟电路，为单片机产生时钟脉冲序列；AT80C51单片机共有40个管脚，介绍如下：①4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~P3.7②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。③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；④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。⑤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；⑥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；⑦地线GND和电源接口VCC；单片机引脚图如下所示：2.3.2传感器选择：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：①外壳和膜片一体结构，体积小，平膜片感压；②性能稳定可靠，量程范围广；③不锈钢材料，耐腐蚀，安装使用方便；④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)；⑤适用于各种动态、静态、一般腐蚀气体、液体的压力测量。AK-1C-2主要技术指标如下：主要技术指标测量范围AK-1C-20～0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60MPa输出灵敏度0.5～0.8mV/V基本误差±0.2;±0.3;±0.5%F.S线性误差L±0.2;±0.3;±0.5%F.S回程误差H±0.2;±0.3;±0.5%F.S重复性R±0.2;±0.3;±0.5%F.S工作温度-10～+60℃温度补偿范围室温～+60℃零点温度影响±0.3%F.S/10℃输出温度影响±0.3%F.S/10℃激励电压5～12VDC绝缘电阻1000MΩ/100VDC输入电阻350±20Ω输出电阻350±20Ω零点输出0～±5%F.S安全过负荷率120%F.SAK-1C-2传感器外形如下图所示：AK-1C-2电气连接如下表：电气连接方式连接方式插头座号导线颜色输入(电源)正端1红输出信号正端2蓝输出信号负端3白输入(电源)负端4黄若插头座号、导线颜色发生颜色变化时，请以传感器检定合格证书为准。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：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。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。2.3.3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：812117250250(1)(1)110510RRARR。2.3.4A/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。ADC0809的引脚图如下;。2.3.5报警电路：附图如下，当接收到来自单片机P2.3口的输出信号后，三极管Q1导通，报警器便会发出警报声。3、电路原理图，附图如下：4、印刷电路板，附图如下：DRC检查结果如下：5、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]清源计算机工作室.PROTEL99SE原理图与PCB及仿真.机械工业出版社6、结束语