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目 录
一 课程设计任务要求 ................................................................................................. 3
1.1 课程设计题目............................................................................................... 3 1.2 任务要求....................................................................................................... 3 二 课程设计的目的及意义 ......................................................................................... 3 三 系统方案论证 ......................................................................................................... 4 四 各模块电路分析与设计 ......................................................................................... 5
4.1 单片机最小系统........................................................................................... 6 4.2 油压检测模块电路....................................................................................... 7
4.2.1 压力传感器电路比较........................................................................ 9 4.2.2 基本外型尺寸：.............................................................................. 11 4.2.3 电气连接方法：.............................................................................. 11 4.2.4 调试方法：...................................................................................... 12 4.3 油温检测模块电路..................................................................................... 14 4.4 单片机I/O扩展模块电路 ......................................................................... 17 4.5 矩阵键盘接口模块电路............................................................................. 18 4.6 LED显示模块电路 .................................................................................... 19 4.7 报警模块电路............................................................................................. 20 4.8 电源模块电路............................................................................................. 21 五 电路原理图及PCB设计 ..................................................................................... 22
5.1 电路原理总图............................................................................................. 22 5.2 PCB板设计 ................................................................................................ 23 5.3 PCB附图 .................................................................................................... 24 六 课程设计小结 ....................................................................................................... 30 七 电子元器件清单 ................................................................................................... 31 八 参考文献 ............................................................................................................... 35
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一 课程设计任务要求
1.1 课程设计题目
设计一个基于单片机的液压系统油压、油温检测系统，其中：压力P=0~16Mpa；油温T=0~120℃。
1.2 任务要求
要求设计并绘制电路图和印刷电路板（PCB图），设计软件为protel 99se。内容包括：
○1绘制电路原理图； ○2绘制印刷电路板（PCB）； ○3撰写设计报告书。
二 课程设计的目的及意义
机电一体化是指机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装备和电子设备以及软件等有机的结合起来所构成的系统的总称。也就是说机电一体化的连接机械和电子、气压、液压等相关的的关键技术，在微电子技术、计算机技术、及信息处理技术的高速发展，消费者对高性能、高自动化的机械化产品提出了更高的要求，也就是要求我们从事机械设计制造及自动化行业的技术人员掌握机电一体化技术的重要性所在。
机电一体化课程设计作为机械设计制造及其自动化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。我们针对课程设计教学过程中的一个实际遇到的问题,即一个基于单片机的液压系统油温油压检测系统，来展开课程设计内容。其必要性有以下三点：
（1）综合应用相关课程的知识，培养工程技术能力；
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（2）一边设计一边学习，积累专业知识，锻炼动手能力；
（3）熟悉相关设计软件，为后续的毕业设计以至于以后的专业生涯打下扎实的基础。
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PROTEL 99SE，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。
三 系统方案论证
本系统设计是基于80C52的液压系统油压油温的检测。若采用纯硬件的闭环控制系统，存在控制精度比较低、灵活性小、线路复杂等问题。而采用单片机与高精度传感器结合的方式，即用单片机完成系统控制、人机界面、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并进行调理放大、AD转换，将温度传感器及压力传感器所获得的信号，传输到单片机。单片机将所获得的信号进行处理，通过程序与温度、压力的安全值进行比较，若在安全值内则无需进行报警，只需对所测得的值进行实时显示，若超过安全值则在单片机控制下进行报警。与此同时按键输入模块可以用来设定单片机中油温油压的最大值。此方案能避免纯硬件控制电路的缺点。
对于油压检测模块采用HYDZ-800压力传感器，采集到的信号经过运算放大电路输入到A/D转换芯片，经过A/D转换后送入单片机进行数据存储和运算，再经过LCD动态显示出来。对于油温检测模块采用DS18B20温度传感器，输出信号好数字量，数据可直接送入单片机进行运算和存储，然后经过LCD动态显示出来。
系统设计键盘输入模块，用来设定系统允许的油压和油温的最大值。此外报警电路在检测到的油压和油温超过系统设定值时，单片机输出报警信号，此信号经过放大后驱动扬声器进行报警，如图1-1所示。
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油压传感器 放大滤波 油温传感器 图1-1 单片机检测系统的组成框图
4X4键盘 放大滤波 AD转换接口 51系列单片机 LED显示 报警电路 其他模块 其中：
1、液压压力传感器采用油压传感器选型为应变式压力传感器 2、油温传感器选型为DS18B20油温传感器。。 3、A/D转换芯片采用ADC0809。 4、单片机采用8031。 5、I/0扩展采用8255。 6、键盘为4X4、数码管显示。
四 各模块电路分析与设计
所设计系统是以8051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。该系统可以分为以下几个模块：
1.以80C51单片机为中心的最小控制系统设计，该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.油压检测模块电路，油压检测电路采用应变式压力检测传感器，其输出较小的电流模拟信号，先将信号放大在进行A/D转换，然后将转换的数字信号输送给单片机运算处理；
3.油温检测模块电路，油温检测电路采用数字量输出的DS18B20传感器，直接将数字信号输送给单片机运算处理；
4.单片机I/O扩展模块电路，由于该系统中单片机本身外围借口多，不能支
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撑所有模块的搭建，所以选用8255芯片进行I/O扩展，变8路输入/输出为24路输入/输出；
5.键盘接口模块电路，该模块电路采用4×4矩阵键盘可实现对油温油压安全值的自由设定，实现系统的可移植性；
6.采用6位LED数码管显示模块，其中两位显示油压，四位显示油温，油温精确到小数点一位。
7.报警模块电路，该模块电路采用简单的三极管放大电路，电路简单实用； 8.电源模块电路，220V的交流电经过变压器后通过稳压芯片转换成5V、12V的直流电；
4.1 单片机最小系统
图4-1 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，晶振电路为单片机工作提供电
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源，复位电路为单片机工作时提供复位。
本次设计选择Protel 99se软件库里常用的一款单片机，即INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品80C52，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。完全满足该设计系统对处理运算核心部件的性能要求。
4.2 油压检测模块电路
图4-2 油压监测模块电路
HYDZ-800压力传感器采用不锈钢整体构件，进口弹性体原件，(陶瓷或扩散硅芯体)，具有灵敏度高、性能稳定、良好的抗冲击能力。316不锈钢全封焊接，结构小巧、紧凑，有良好的防潮能力和优异的介质兼容性。测量介质：弱腐蚀性的液体；弱腐蚀性的气体，如图4-3所示。
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图4-3 油压传感器
此类传感器通常也称为：油压传感器，油压变送器，液压传感器，液压变送器，风压传感器，风压变送器，气压传感器，气压变送器，应变式压力传感器，应变式压力变送器，压阻式压力传感器，压阻式压力变送器，正负压力传感器,正负压力变送器，管道压力传感器,管道压力变送器等。
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4.2.1 压力传感器电路比较
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4.2.2 基本外型尺寸：
其标准压力接口为： M20*1.5 、M18*1.5 、M16*1.5 、M16*1 、M14*1.5 、M12*1.5、M12*1.25、 M12*1、M10*1 M8*1、M6*1 G1/2（4分）、G1/4（2分）、G1/8（1分）、G3/8（3分）G3/4（6分）、1/4NPT 、1/2NPT 、1/8NPT、 ZG1/4(R1/4)大量现货供应 非标根据客户要求定做
※ 可根据用户定货要求，特制接口螺纹。
※ 电气接口：三针端子（工业型），赫斯曼插头（标准型）。
※ 由于在某些情况下采用的传感器不同，所以有时压力接口的规格也不尽相同。
4.2.3 电气连接方法：
HK系列压力变送器的导线连接方式如下：
1、接电缆穿过压线螺母与三针接线端子或赫斯曼插头）连接，接线端子1接电源正端，接线端子2接电源负端。若为三线制电压输出变送器则为：接线端子1接电源正端，接线端子2接电源负端，接线端子3接电压输出端。
2、分体式液位变送器及工业数显压力变送器接线方法同于工业型压力变送器）。
3、拧紧压线螺母以固定电缆线。
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4、安全区与爆炸环境之间通过安全限能器连接，连接方式请参考安全限能器使用说书。
5、安全栅与变送器之间的连接电缆的分布电容和分布电感不超过0.04uF和2 mH。
4.2.4 调试方法：
给压力变送器分别加入：0%、25%、50%、75%、100%的量程压力，输出标准电流则应相应显示为：4、8、12、16、20mA。如果超过允许误差，则相应调整变送器电路板上的零点电位器和满度电位器工业型拧开保护罩，可以看见调节电位器。标准型拧松插头上的螺钉，旋开插头螺帽，取出接线端子，可以调节电位器。 调节步骤：
1、在变送器没有加压力的情况下，调节零点电位器，使之输出4mA。 2、变送器加压到满量程，调节满度电位器，使之输出20mA。
3、调节完毕，工业型拧紧保护罩。标准型安上接线端子，旋紧插头螺帽，拧紧插头上的螺钉。
4、零点与满度之间有着相互依托的关系，所以需要反复调试零点与满度电位器才能达到您想要的数值；调试过程中要轻缓旋拧电位器。除电位器之外，尽量避免触碰电路板上的其它元件，以免造成内部短路等不必要的人为损坏。 注意事项：
1、 注意线路连接可靠，连线方式正确。
2、 如需调试，则要严格按照调试说明方法进行调试；不可带电进行插头螺环的拆卸，需断电后进行。
3、 不可用坚硬的物体直接挤压变送器膜片，以免损伤变送器。 4、 变送器的运输、安装、使用过程中不可随意摔放，避免损坏。 5、 变送器过载压力不可超过500%。
6、 产品保修期一年，校验期一年，非用户使用不当造成损坏的保修保换。 7、 变送器在运输过程中，应装在专用的包装盒内，采取适当防护措施，避
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免雨、雪淋袭、强烈振动、冲击。
8、 变送器应存放在通风良好、无酸、无碱、无腐蚀性气体的库房，环境温度-20 ~70℃，相对湿度小于95%RH。
图4-4 油压传感器实物图
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图4-5 油压传感器安装尺寸图
4.3 油温检测模块电路
图4-6 油温检测模块电路
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由于市场上存在大量模块化的数字量温度传感器，不必进行信号调理放大与A/D转换等，简单实用。先选择美国Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，传感器采用不锈钢外壳封装, 防水防潮。专门设计的传感器不锈钢外壳，仅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用金属垫模工艺让DS18B20与不锈钢内壁充分接触,同时采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。
图4-7 加长型数字温度传感器SS1009
图4-8 温度传感器外形尺寸
该型温度传感器支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为 -55°C～
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+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为 ±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。具体应用范围、技术参数、引脚定义等如图4-9所示。
图4-9 主要技术参数与引脚
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4.4 单片机I/O扩展模块电路
图4-10 单片机I/O扩展模块电路
在扩展接口时选择Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片8255，它有3个8位并行I/O口，具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片。其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。
8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
RESET：复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
CS：芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯；/CS=1时，8255无法与CPU做数据传输。
RD：读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时，即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
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WR：写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。
D0～D7：三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
PA0～PA7：端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。
PB0～PB7：端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。
PC0～PC7：端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。
A1、A0：地址选择线，用来选择8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。当A1=0，A0=0时，PA口被选择；当A1=0，A0=1时，PB口被选择；当A1=1，A0=0时，PC口被选择；当A1=1，A0=1时，控制寄存器被选择。
4.5 矩阵键盘接口模块电路
图4-11 矩阵键盘接口模块电路
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通过键盘的输入来确定油压和油温的最大值，从而确定报警电路的安全值，该过程通过编程实现。在设定某个最大值时，按下相应的按钮开关，从而使得PA口的相关位为低电平，再从单片机的存储器中调用已经预存的相应最大值即可。
键盘是由若干独立按键组成，键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程 。抖动必须消除，去抖动的方法主要有以下两种：硬件消抖，软件消抖。此处采用软件消抖，即利用单片机延时程序，消除抖动干扰。
4.6 LED显示模块电路
图4-12 LED显示模块电路
LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片
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4.7 报警模块电路
图4-13 报警模块电路
当单片机监测的油压或者油温超过设定值时，单片机向三极管Q1发出信号。三极管接收到来自单片机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。
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4.8 电源模块电路
图4-14 电源模块电路
为便于各元器件的额定电压选择，220V交流电压经过外部变压器整流后变成直流电，通过LM109K和LM104LAH-1稳压芯片，提供12V和5V的直流电压，适应不同元器件的供电需要。
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五 电路原理图及PCB设计
5.1 电路原理总图
图5-1 电路原理图
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图5-2 原理图报表
5.2 PCB板设计
本次课程设计中PCB板元器件的布局采用手动布局，布线采用手动布线。PCB板设计规则：设置不同网络之间的间距为10mil，将电源网络之间的间距设置为15mil,短路设置为默认设置；设置电源网络和接地网络的推荐线宽为40mil,普通网络的推荐线宽为10mil；将网络拓扑机构选为默认的最短型；将电源的优先级设置为1，其他的设置为2；设置过孔的外径为30mil,内径设置为10mil。
采用印制板的主要优点是：由于图形具有重复性和一致性，减少了布线和装配的差错，节省了设备的维修、调试和检查时间；设计上可以标准化，利于互换；布线密度高，体积小，重量轻，利于电子设备的小型化；利于机械化、自动化生产，提高了劳动生产率并降低了电子设备的造价。
PCB板设计过程中，首先原理图生成网表，在PCB状态下导入网表，检查原理图的错误和设计缺陷等并进行更正，然后PCB初步形成，再手动布局、手动布线，形成最终的PCB板设计文件。
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5.3 PCB附图
图5-3 单图层显示设置
图5-4 线距、线宽设置
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图5-5 底层布线
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图5-6 顶层布线
图5-7 PCB总布局
为了避免生成的PCB文件中含有错误，可由PCB文件生成另外的一个网表，然后利用Protel 99se软件本身的分析功能对原理图文件对应的网表和PCB文件对应的网表进行对比，查看结果，分析问题，知道完全统一。网表对比结果如图5-8所示。
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图5-8 最终的网表对比
最后产生3D PCB电路板，查看模拟结果。
图5-9 3D PCB正面布线
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图5-10 3D PCB反面布线
图5-11 3D PCB正面布局
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图5-12 3D PCB轴测布局
图5-13 3D PCB线框图
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六 课程设计小结
本次机电一体化课程设计，让我们对以往所学的专业知识有了进一步的认识，尤其是单片机和电子电路方面。在这期间，我对于单片机系统的设计有了很深入的了解，同时，我也熟悉了PROTEL99SE软件的操作，对于PCB板的设计和绘制也有了一定的理解，这些都让我受益匪浅，对于我将来的学习和工作，都会起到很好的促进作用。
本次课程设计我采用Protel99se这款EDA设计软件进行原理图绘制以及PCB板的生成，而且之前接触过Protel99se，对Protel99se从原理图的绘制到PCB板的生成及其相关规则有一定程度的了解。
我很庆幸老师们安排了这样的一次实习，让我们能够更真实、直观的了解和熟悉单片机系统的开发和PCB板制作，同时，在我上机操作的过程中，老师们也给予了我很大的帮助，指出我在设计之初的不足，帮助我改正，很感谢老师的教导。
此次课程设计让我加深了对Protel99se软件的认识，由感性认识上升到理性分析层面，同时让我对某些常用的元件库有了一定程度的认识，能较快的从元件库中调取常用元件以及添加非常用元件库，增加绘图速度。此次课程设计还使我对机电一体化的理论知识有了不同的理解，让我明白设计一个系统需要充分理清设计思路，理解系统需要实现的功能，然后确定系统方案并进行模块化划分，随后找出每个模块对应的相关核心芯片，查找芯片典型的外围应用电路参考，根据自身需要设计出简单实用的电路图。当然，查找相关资料这个环节必须放在突出的位置，很重要。
此次课程设计让我更真实直观地了解和熟悉了单片机系统的开发应用和电子电路的设计、PCB板的制作。最后，感谢老师的指导和同学们的帮助，使我顺利地完成此次实习任务。
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七 电子元器件清单
Bill of Material for Sheet1.Bom
Used Part Type Designator Footprint ==== ============= ========== ========== 10 1K 7 4K7 2 5K 1 10K 1 10uf 1 12MHz 1 15K 1 22uf 2 33pf 1 74F14 1 74LS74 1 74LS132 1 8051 1 8255
R1 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12
R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21
R13 R14 R3 C7 X1 R2 C3 C1 C2 U6 U7 U5 U1 U3 axial0.4 axial0.4 axial0.4 axial0.4 rb.2/.4 XTAL1 axial0.7 rb.2/.4 rad0.1 DIP14 DIP14 DIP14 DIP40 DIP40
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1 ADC0809 U2 DIP28 3 CAP C4 C5 C6 rad0.1 1 DS18B20 J2 SIP3 1 HYDZ-800 J1 SIP4 1 LM109K U9 TO-3 1 NPN 3 OPAMP 1 OPTOISO1 2 R 6 SMG10 17 SW-PB 1 TRANS3 1 speaker
Q1 AR1 AR2 AR3
U4 R22 R23 U11 U12 U13 U14 U15 U16
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16
T1 LS1 TO-18 DIP6 DIP4 VR1 DIP10 DIP4 SIP4 SIP2 32
Bill of Material for Sheet1.Bom
Used Part Type Designator Footprint ==== ============= ========== ========== 10 1K R1 R4 R5 axial0.4 R6 R7 R8 7 4K7 2 5K 1 10K 1 10uf 1 12MHz 1 15K 1 22uf 2 33pf 1 74F14 1 74LS74 1 74LS132 1 8051 1 8255 1 ADC0809 3 CAP
R9 R10 R11 R12
R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21
R13 R14 R3 C7 X1 R2 C3 C1 C2 U6 U7 U5 U1 U3 U2 C4 C5 C6 axial0.4 axial0.4 axial0.4 rb.2/.4 XTAL1 axial0.7 rb.2/.4 rad0.1 DIP14 DIP14 DIP14 DIP40 DIP40 DIP28 rad0.1
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1 DS18B20 J2 SIP3 1 HYDZ-800 J1 SIP4 1 LM109K U9 TO-3 1 NPN Q1 TO-18 3 OPAMP AR1 AR2 DIP6 1 OPTOISO1 2 R 6 SMG10 17 SW-PB 1 TRANS3 1 speaker
AR3
U4 DIP4 R22 R23 VR1 U11 U12 DIP10 U13 U14 U15 U16
S0 S1 S2 DIP4 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16
T1 SIP4 LS1 SIP2 34
八 参考文献
[1] 赵景波 张莉 常江. 电路设计与制板Protel 99SE从入门到精通. 机械工业出版社. [2] Protel 99se精彩教程.
[3] 李广弟 朱月秀 冷祖祁. 单片机基础. 北京航空航天大学出版社. [4] 王煜东. 传感器应用电路400例. 中国电力出版社.
[5] 冯如设计在线 刘朋. Protel 99se自学手册. 人民邮电出版社. [6] 柳淳 徐玮. 单片机开发应用技能与技巧. 中国电力出版社.
[7] 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. [8] 赵景波. PROTEL99SE 电路设计与制板. 机械工业出版社.
[9] 清源计算机工作室. PROTEL99SE 原理图与PCB及仿真. 机械工业出版社.
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