单片机控制的液压、油温检测报警系统设计.doc
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1、 前 言27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
2、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:l 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。l 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。l 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。l 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:l 液压系
3、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。l 执行部件处于原始位置不动作,液压设备根本不能工作。l 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。目 录前 言11方案论证与设计21.1采用纯硬件的闭环控制系统21.2采用单片机与高精度传感器结合的方式22电路分析32.1单片机选择32.1.1 AT89C51单片机特性32.1.2 AT89C51单片机管脚32.2 压力传感器选择42.2.1 AK-1C-242.2.2 AK-1C-2主要技术指标52.2.3 AK-1C-2电气连接52.2.4 AK-1C-2外形62.
4、3 温度传感器62.3.1 K型热电偶62.3.2 K型热电偶测温原理72.3.3 K型热电偶的元件配合使用82.3.4 K型热电偶与MAX6675连接92.4.放大电路92.4.1电路放大倍数102.4.2放大电路102.5 A/D转换电路102.5.1 ADC0809主要特性102.5.2 ADC0809 内部逻辑结构102.5.3 ADC0809 引脚结构112.5.4 ADC0809 各脚功能112.5.5 ADC0809 输入模拟量要求122.5.6 ADC0809通道选择表122.5.7 ADC0809 应用说明132.5.8地址锁存器74ls373132.5.9引脚功能132.5
5、.10 ADC0809连接图142.6数码管显示及电路142.6.1 八位七段数码管外形152.6.2 MAX7221介绍152.7按键及其电路172.7.1独立式非编码键盘接口182.8报警电路182.9电源193 单片机程序203.1汇编语言203.2 C语言203.2.1基本特性203.3温度报警系统213.4压力报警系统22结束语23参考文献24附录 总电路图251方案论证与设计实现温度控制的方法主要有以下两种:1.1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。1.2采用单片机与
6、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1.1如下:按键输入AT89C51压力传感器滤波及信号放大电路A/D转换显示温度传感器滤波及信号放大电路A/D转换报警器图1.1系统整体框图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
7、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。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。2电路分析2.1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。AT
8、89 C51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(1288)和RAM地址寄存器,用于存放可读/写的数据。2.1.1 AT89C51单片机特性(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;2.1.2 AT89C51单片机管脚(1)4个8位的并行输入/输出口P0.0
9、P0.7/P1.0P1.7/P2.0P2.7/P3.0P3.7。(2)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
10、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;单片机引脚图如图2.1所示: 图2.1 AT89C51引脚图2.2 压力传感器选择2.2.1 AK-1C-2外壳和膜片一体结构,体积小,平膜片感压;性能稳定可靠,量程范围广; 不锈钢材料,耐腐蚀,安装使用方便;连接螺纹:M201.5 (可提供用户要求的各种机械连接方式,最小外形尺寸:10);适用于各种动态、静态、一般腐蚀气体、液体的压力测量。2.2.2 AK-1C-2主要技术指标表2.1 AK-1C-2主要技术指标主 要 技 术 指 标测量范围AK-1C-200.1,0.
11、2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60MPa输出灵敏度 0.50.8mV/V 基本误差0.2; 0.3; 0.5%F.S 线性误差L0.2; 0.3; 0.5%F.S 回程误差H0.2; 0.3; 0.5%F.S 重复性R0.2; 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512VDC绝缘电阻1000M/100VDC输入电阻35020 输出电阻35020 零点输出05%F.S 安全过负荷率120%F.S 2.2.3 AK-1C-2电气连接 表2.2 AK-1C-
12、2电气连接电 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 2.2.4 AK-1C-2外形图2.2 传感器外形2.3 温度传感器温度传感器采用K型热电偶。 图2.3 K型热电偶实物图2.3.1 K型热电偶K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点。可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。2.3.2 K型热电偶测温原理热电偶测温必须由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。图
13、2.4是最简单的热电偶测温示意图。图2.4 热电偶温度计示意图按右图组成的热电偶蕊及测温电偶丝1 ,如果将热电偶的热端加热,使得冷、热两端的温度不同,则在该热电偶回路中就会产生热电势,这种物理现象就称为热电现象(即热电效应)。在热电偶回路中产生的电势由温差电势和接触电势两部分组成。接触电势:它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时,假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且NaNb,则在两导体的接触面上,电子在两个方向的扩散率就不相同,由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。导体A失去电子而显正电,导体B获得电子而显负电。因此,在A
14、、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场,这个电场将阻碍扩散运动的继续进行,同时加速电子向相反方向运动,使从B到A的电子数增多,最后达到动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差,这个电位差称为接触电势。此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关,当两种导体的材料一定,接触电势仅与其接点温度有关。温度越高,导体中的电子就越活跃,由A导体扩散到B导体的电子就越多,接触面处所产生的电动势就越大,即接触电势越大。(1)热电偶安装注意点:l 热电偶应尽量垂直装在水平或垂直管道上,安装时应有保护套管,以方便检修和更换。l 热电偶的冷端应处在同一环境温度下,应使用同型号的补偿导线,且正负要接对。l
15、测量管道内温度时,元件长度应在管道中心线上(即保护管插入深度应为管径的一半)。l 温度动圈表安装时,开孔尺寸要合适,安装要美观大方。l 高温区使用耐高温电缆或耐高温补偿线。l 要根据不同的温度选择不同的测量元件。一般测量温度大于100时,应选择热电偶,小于100时选择热电阻。l 接线要合理美观,表针指示要正确。2.3.3 K型热电偶的元件配合使用此处选择MAX6675来配合使用。(1) MAX6675简介:MAX6675是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器 ,它的温度分辨能力0.25 ,冷端补偿范围为 -20 +80 ,工作电压为3.05.
16、5V。其引脚如图2.5所示:图2.5 MAX6675引脚图(2)MAX6675引脚功能如表2.3所示:表2.3 MAX6675引脚功能 (3)MAX6675测温范围01024,主要功能特点如下:直接将热电偶信号转换为数字信号。具有冷端补偿功能。简单的SPI串行接口与单片机通讯。12位A/D转换器、0.25分辨率。单一+5V的电源稳压器电压。热电偶断线检测。工作温度范围-20+85。(4)工作原理:MAX6675为8脚SO封装,它内置一个12位AD转换器,两个放大冷端补偿电路以及参考电平发生器。来自K型热电偶的热电势与引脚T、T连接,号经两级放大器放大和滤波处理后,成为与芯片内的AD转换器相匹配
17、的电平信号对于K型热电偶,其“热电势温度”关系是固定的,MAX6675正是利用测量热电势大小来获知温度数据的。另外,热电偶的输出热电势只与工作端(通常称为热端)和考端(通常称为冷端)的温差有关,因此当冷端(即MAX6675所在的环境)的温度变时,MAX6675是通过内置的冷端补偿的电路来实现冷端补偿的。它将温度的变化转换相应的电平信号,有了这个电平信号和热电偶的输出热电势,便能得知测量端的绝对度值。测温时,将引脚CS置低电平,同时在SCK引脚上输入一串脉冲信号便能从SO脚处读得温度数据,一串完整的温度数据需要16个脉冲信号,每一下降沿输出一位据,从最高位(D15)开始,D14D3为相应的温度数
18、据位(5)主要特点:自带冷端补偿电路,能将K型热电偶的输出热电势转换为12位温度值,分辨率为025,温度数据通过SPI(串行同步通信)接口发送给单片机。当供电电压为33V,其在0700时精度为2,7001 000时精度为425。8脚SO封装,体积极小(长、宽、高分别为62mm、5mm、175mm),当测温网络测温点较多时,能大大减小系统尺寸。2.3.4 K型热电偶与MAX6675连接图2.6 K型热电偶与MAX6675连图2.4.放大电路2.4.1电路放大倍数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
19、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:。(式2.1)2.4.2放大电路 图2.7 放大电路2.5 A/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。 2.5.1 ADC0809主要特性 ADC0809 是带有
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- 单片机 控制 液压 检测 报警 系统 设计