第一部分 概述 1
第1章 机械电子学导论 1
1.1 什么是机械电子学 1
1.1.1 机电一体化系统实例 1
1.1.2 嵌入式系统 2
1.2 设计流程 2
1.2.1 传统的机械电子学设计 3
1.3 系统 4
1.3.1 系统建模 4
1.3.2 连接系统 5
1.4 测量系统 5
1.5 控制系统 6
1.5.1 反馈 6
1.5.2 开环与闭环系统 7
1.5.3 闭环系统的基本要素 8
1.5.4 模拟和数字控制系统 11
1.5.5 顺序控制器 14
1.6 可编程逻辑控制器 15
1.7 机电一体化系统的例子 16
1.7.1 数码相机与自动对焦 16
1.7.2 发动机管理系统 17
1.7.3 MEMS和汽车安全气囊 18
本章小结 18
习题 19
第二部分 传感器与信号调理 21
第2章 传感器和变送器 21
2.1 传感器和变送器简介 21
2.1.1 智能传感器 21
2.2 性能术语 22
2.2.1 静态和动态特性 24
2.3 位移、位置和接近 25
2.3.1 电位器传感器 25
2.3.2 应变片 26
2.3.3 电容元件 27
2.3.4 差动变压器 29
2.3.5 涡流式接近传感器 30
2.3.6 电感式接近开关 30
2.3.7 光学编码器 30
2.3.8 气动传感器 32
2.3.9 接近开关 32
2.3.10 霍尔效应传感器 33
2.4 速度和运动 34
2.4.1 增量式编码器 34
2.4.2 测速发电机 34
2.4.3 热释电传感器 35
2.5 力 36
2.5.1 应变式称重传感器 36
2.6 流体压力 36
2.6.1 压电传感器 38
2.6.2 触觉传感器 39
2.7 液体流动 39
2.7.1 孔板 39
2.7.2 涡轮流量计 40
2.8 液位 40
2.8.1 浮块 40
2.8.2 压差 40
2.9 温度 40
2.9.1 双金属片 41
2.9.2 电阻温度检测器 41
2.9.3 热敏电阻 41
2.9.4 热敏二极管和晶体管 42
2.9.5 热电偶 42
2.10 光敏传感器 44
2.11 传感器的选择 45
2.12 通过开关输入数据 45
2.12.1 消抖 46
2.12.2 键盘 47
本章小结 47
习题 47
第3章 信号调理 50
3.1 信号调理简介 50
3.1.1 信号调理流程 50
3.2 运算放大器 51
3.2.1 反相放大器 51
3.2.2 同相放大器 52
3.2.3 加法放大器 52
3.2.4 积分和微分放大器 53
3.2.5 差分放大器 54
3.2.6 对数放大器 56
3.2.7 比较器 57
3.2.8 实际放大器 58
3.3 保护 59
3.4 滤波 60
3.5 惠斯通电桥 61
3.5.1 温度补偿 62
3.5.2 热电偶补偿 64
3.6 脉冲调制 64
3.7 与信号相关的问题 65
3.7.1 接地 65
3.7.2 电磁干扰 66
3.8 功率输送 67
本章小结 67
习题 68
第4章 数字信号 69
4.1 数字信号简介 69
4.1.1 二进制数 69
4.2 模拟信号和数字信号 69
4.2.1 采样定理 71
4.2.2 数模转换 71
4.3 数模转换器和模数转换器 71
4.3.1 DAC 71
4.3.2 ADC 73
4.3.3 采样和保持放大器 76
4.4 多路复用器 77
4.4.1 数字多路复用器 77
4.4.2 时分多路复用 78
4.5 数据采集 78
4.5.1 数据精度 79
4.5.2 错误检测的奇偶校验方法 79
4.6 数字信号处理 80
本章小结 81
习题 81
第5章 数字逻辑 82
5.1 数字逻辑简介 82
5.2 逻辑门 82
5.2.1 AND门 82
5.2.2 OR门 83
5.2.3 NOT门 84
5.2.4 NAND门 84
5.2.5 NOR门 85
5.2.6 XOR门 85
5.2.7 逻辑门的组合 86
5.2.8 逻辑系列与集成电路 87
5.3 逻辑门的应用 88
5.3.1 校验位发生器 88
5.3.2 数字比较器 88
5.3.3 编码器 89
5.3.4 译码器 89
5.4 时序逻辑 93
5.4.1 触发器 93
5.4.2 同步系统 94
5.4.3 JK触发器 95
5.4.4 D触发器 96
5.4.5 寄存器 97
5.4.6 555定时器 97
本章小结 98
习题 98
第6章 数据显示系统 100
6.1 显示方式 100
6.1.1 负载效应 100
6.2 数据显示元件 101
6.2.1 模拟仪表和数字仪表 101
6.2.2 模拟图记录仪 101
6.2.3 阴极射线示波器 101
6.2.4 视觉显示单元 102
6.2.5 打印机 103
6.3 磁记录 104
6.3.1 磁记录码 105
6.3.2 磁盘 107
6.4 光学记录 107
6.5 显示器 108
6.5.1 发光二极管 109
6.5.2 液晶显示器 110
6.6 数据采集系统 111
6.6.1 计算机与插件板 111
6.6.2 数据记录器 113
6.7 测量系统 114
6.7.1 用于检测提起重量的称重传感器 114
6.7.2 温度警报系统 115
6.7.3 滑轮的角位置 115
6.7.4 温度测量的二进制输出 116
6.8 测试和校准 116
6.8.1 校准 117
本章小结 118
习题 118
第三部分 驱动 121
第7章 气动与液压驱动系统 121
7.1 驱动系统 121
7.2 气动与液压系统 121
7.2.1 液压系统 121
7.2.2 气动系统 123
7.2.3 阀 124
7.3 方向控制阀 124
7.3.1 阀的符号 125
7.3.2 先导阀 126
7.3.3 单向阀 127
7.4 压力控制阀 127
7.5 缸体 128
7.5.1 缸的顺序控制 130
7.6 伺服和比例控制阀 132
7.7 过程控制阀 132
7.7.1 阀体和阀芯 133
7.7.2 控制阀的尺寸计算 135
7.7.3 流体控制系统举例 135
7.8 旋转驱动器 136
本章小结 136
习题 137
第8章 机械驱动系统 139
8.1 机械系统 139
8.2 运动类型 139
8.2.1 自由度和约束 140
8.2.2 负载 141
8.3 运动链 141
8.3.1 四杆链 141
8.3.2 滑块曲柄机构 142
8.4 凸轮 143
8.5 齿轮 145
8.5.1 齿轮系 146
8.5.2 转动和平动的转换 147
8.6 棘轮和棘爪 147
8.7 带传动和链传动 147
8.7.1 带的类型 148
8.7.2 链传动 149
8.8 轴承 149
8.8.1 径向滑动轴承 149
8.8.2 球轴承和滚柱轴承 150
8.8.3 轴承的选择 151
本章小结 151
习题 151
第9章 电气驱动系统 153
9.1 电气系统 153
9.2 机械开关 153
9.2.1 继电器 153
9.3 固态开关 154
9.3.1 二极管 155
9.3.2 晶闸管和三端双向可控硅元件 155
9.3.3 双极型晶体管 157
9.3.4 MOSFET 159
9.4 螺线管 159
9.5 直流电动机 160
9.5.1 有刷直流电动机 161
9.5.2 含励磁线圈的有刷直流电动机 162
9.5.3 有刷直流电动机的控制 163
9.5.4 无刷永磁直流电动机 165
9.6 交流电动机 167
9.7 步进电动机 168
9.7.1 步进电动机技术参数 169
9.7.2 步进电动机控制 170
9.7.3 步进电动机的选择 172
9.8 电动机选择 173
9.8.1 惯量匹配 173
9.8.2 转矩要求 174
9.8.3 功率要求 175
本章小结 175
习题 176
第四部分 微处理器系统 177
第10章 微处理器和微控制器 177
10.1 控制 177
10.2 微处理器系统 177
10.2.1 总线 177
10.2.2 微处理器 179
10.2.3 存储器 181
10.2.4 输入/输出 183
10.2.5 系统示例 184
10.3 微控制器 186
10.3.1 摩托罗拉M68HC 11 187
10.3.2 Intel 8051 191
10.3.3 Microchip微控制器 193
10.3.4 Atmel AVR微控制器和Arduino 198
10.3.5 选择微控制器 200
10.4 应用 200
10.4.1 温度测量系统 201
10.4.2 家用洗衣机 201
10.5 编程 202
10.5.1 伪代码 202
本章小结 203
习题 204
第11章 汇编语言 205
11.1 语言 205
11.2 指令集 205
11.2.1 寻址 208
11.2.2 数据移动 209
11.3 汇编语言程序 210
11.3.1 汇编语言程序的范例 211
11.4 子程序 215
11.4.1 延时子程序 215
11.5 查找表 217
11.5.1 步进电动机的控制延时 218
11.6 嵌入式系统 220
11.6.1 嵌入式程序 220
本章小结 222
习题 223
第12章 C语言 224
12.1 为什么选择C语言 224
12.2 程序结构 224
12.2.1 主要特征 224
12.2.2 一个C程序的示例 228
12.3 分支和循环 228
12.4 数组 231
12.5 指针 232
12.5.1 指针的算术运算 232
12.5.2 指针和数组 233
12.6 程序开发 233
12.6.1 头文件 233
12.7 程序的示例 234
12.7.1 电动机的起动与停止 234
12.7.2 读ADC通道 234
12.8 Arduino编程 235
本章小结 238
习题 238
第13章 输入/输出系统 240
13.1 接口 240
13.2 输入/输出寻址 240
13.2.1 输入/输出寄存器 241
13.3 接口要求 242
13.3.1 缓冲器 243
13.3.2 握手 243
13.3.3 轮询和中断 244
13.3.4 串行接口 247
13.4 外设接口适配器 247
13.4.1 PIA初始化 249
13.4.2 通过PIA连接中断信号 250
13.4.3 与PIA接口的例子 251
13.5 串行通信接口 251
13.5.1 微处理器的串行接口 253
13.6 接口的示例 254
13.6.1 通过译码器控制七段数码管 254
13.6.2 模拟接口 256
本章小结 257
习题 257
第14章 可编程逻辑控制器 258
14.1 简介 258
14.2 PLC基本结构 258
14.2.1 输入/输出 258
14.2.2 输入程序 260
14.2.3 PLC的形式 260
14.3 输入/输出处理 261
14.3.1 持续更新 261
14.3.2 大规模输入/输出复制 261
14.3.3 输入/输出地址 261
14.4 梯形图编程 261
14.4.1 逻辑函数 263
14.5 指令列表 264
14.5.1 指令列表和逻辑函数 265
14.5.2 指令列表和分支程序 265
14.6 自锁和内部继电器 266
14.6.1 内部继电器 266
14.7 顺序控制 268
14.8 定时器与计数器 269
14.8.1 定时器 269
14.8.2 计数器 270
14.9 移位寄存器 271
14.10 主控指令和跳转指令控制 272
14.10.1 跳转 273
14.11 数据处理 273
14.11.1 数据移动 274
14.11.2 数据比较 274
14.11.3 算术运算 274
14.11.4 代码转换 275
14.12 模拟输入/输出 275
本章小结 276
习题 276
第15章 通信系统 279
15.1 数字通信 279
15.2 集中式、分层式与分布式控制 279
15.2.1 并行与串行数据传输 280
15.2.2 串行数据通信方式 280
15.3 网络 281
15.3.1 网络访问控制 282
15.3.2 宽带与基带 282
15.4 协议 282
15.5 开放系统互连通信模型 283
15.5.1 网络标准 284
15.6 串行通信接口 285
15.6.1 RS-232 285
15.6.2 20mA电流环 287
15.6.3 I2C总线 287
15.6.4 CAN总线 288
15.6.5 USB 289
15.6.6 相线 290
15.7 并行通信接口 290
15.7.1 其他总线 292
15.8 无线协议 293
本章小结 293
习题 294
第16章 故障检测 295
16.1 故障检测技术 295
16.2 看门狗定时器 296
16.3 奇偶校验与误码检测 296
16.4 常见的硬件故障 298
16.4.1 传感器 298
16.4.2 开关和继电器 298
16.4.3 电动机 298
16.4.4 液压和气动系统 298
16.5 微处理器系统 298
16.5.1 故障检测技术 299
16.5.2 系统故障定位方法 301
16.5.3 自测试系统 301
16.6 仿真和模拟 301
16.6.1 模拟 302
16.7 PLC系统 302
16.7.1 程序测试 302
16.7.2 输入/输出测试 303
16.7.3 PLC作为系统的监视器 303
本章小结 304
习题 305
第五部分 系统模型 307
第17章 基本系统模型 307
17.1 数学模型 307
17.2 机械系统模块 308
17.2.1 转动系统 309
17.2.2 构建一个机械系统 310
17.3 电气系统模块 313
17.3.1 构建电气系统模型 314
17.3.2 电气和机械系统的比较 316
17.4 流体系统模块 316
17.4.1 构建流体系统模型 319
17.5 热力系统模块 322
17.5.1 构建热系统模型 323
本章小结 324
习题 324
第18章 工程系统模型 327
18.1 工程系统 327
18.2 转动-平动系统 327
18.3 机电一体化系统 328
18.3.1 电位器 328
18.3.2 直流电动机 328
18.4 线性度 330
18.5 液压机械系统 332
本章小结 334
习题 334
第19章 系统的动态响应 335
19.1 动态系统建模 335
19.1.1 微分方程 335
19.2 术语 335
19.2.1 自然响应与受迫响应 335
19.2.2 瞬态与稳态响应 336
19.2.3 输入的形式 336
19.3 一阶系统 337
19.3.1 自然响应 337
19.3.2 受迫输入响应 338
19.3.3 一阶系统的例子 339
19.3.4 时间常量 340
19.4 二阶系统 341
19.4.1 自然响应 342
19.4.2 有受迫输入时的响应 344
19.4.3 二阶系统的例子 345
19.5 二阶系统的性能指标 346
19.6 系统辨识 348
本章小结 348
习题 349
第20章 系统传递函数 352
20.1 传递函数 352
20.1.1 拉普拉斯变换 353
20.2 一阶系统 354
20.2.1 具有阶跃输入的一阶系统 354
20.2.2 一阶系统的例子 354
20.3 二阶系统 356
20.3.1 具有阶跃输入的二阶系统 356
20.3.2 二阶系统的例子 357
20.4 串联的系统 357
20.4.1 串联系统的例子 357
20.5 带反馈环的系统 358
20.5.1 负反馈系统的例子 358
20.6 极点位置对瞬态响应的影响 359
20.6.1 s平面 360
20.6.2 校正 360
本章小结 361
习题 361
第21章 频率响应 363
21.1 正弦输入 363
21.1.1 系统对正弦输入的响应 363
21.2 相量 363
21.2.1 相量方程 364
21.3 频率响应 365
21.3.1 一阶系统的频率响应 365
21.3.2 二阶系统的频率响应 367
21.4 伯德图 367
21.4.1 G（s）=K的伯德图 367
21.4.2 G（s）= 1/s的伯德图 368
21.4.3 一阶系统的伯德图 368
21.4.4 二阶系统的伯德图 369
21.4.5 建立伯德图 369
21.4.6 系统辨识 372
21.5 性能指标 374
21.6 稳定性 374
本章小结 375
习题 375
第22章 闭环控制系统 377
22.1 连续与离散控制过程 377
22.1.1 开环与闭环控制系统 377
22.2 术语 378
22.2.1 滞后 378
22.2.2 稳态误差 378
22.2.3 控制模式 379
22.3 两步控制模式 380
22.4 比例模式 381
22.4.1 电子比例控制器 381
22.4.2 系统响应 382
22.5 微分控制 382
22.5.1 比例微分（PD）控制 383
22.6 积分控制 383
22.6.1 比例积分（PI）控制 384
22.7 PID控制器 385
22.7.1 运算放大器PID电路 385
22.8 数字控制器 386
22.8.1 控制模式的实现 386
22.8.2 采样速率 387
22.8.3 计算机控制系统 387
22.9 控制系统性能 387
22.10 控制器校正 388
22.10.1 阶跃响应法 388
22.10.2 临界比例度法 389
22.11 速度控制 389
22.12 自适应控制 390
22.12.1 变增益控制 391
22.12.2 自校正 391
22.12.3 模型参考自适应系统 392
本章小结 392
习题 392
第23章 人工智能 394
23.1 什么是人工智能 394
23.1.1 自我调控 394
23.2 感知和识别 394
23.2.1 识别 394
23.2.2 神经网络 395
23.3 推理 395
23.3.1 推理机理 395
23.3.2 基于规则的推理 396
23.4 学习 397
本章小结 398
习题 398
第六部分 总结 399
第24章 机电一体化系统 399
24.1 机电设计 399
24.1.1 定时开关 399
24.1.2 刮水器运动 402
24.1.3 浴室秤 405
24.2 案例研究 408
24.2.1 取放机器人 408
24.2.2 停车栏杆系统 411
24.2.3 数码相机 412
24.2.4 汽车控制系统 415
24.2.5 条形码阅读器 418
24.2.6 硬盘驱动器 419
24.3 机器人学 420
24.3.1 机器人学的三大法则 421
24.3.2 机器人组件 421
24.3.3 机器人应用 422
24.3.4 Arduino机器人 423
本章小结 423
习题 423
第七部分 附录 425
附录A拉普拉斯变换 425
附录B数字系统 432
附录C布尔代数 437
附录D指令集 445
附录E C库函数 449
附录F MATLAB和SIMULINK 452
附录G电路分析 457
进一步的参考信息 464
习题参考答案 468
索引 482