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
1.3 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 闭环系统的基本单元 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 数字摄像机与自动对焦 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 21
2.2 性能术语 22
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
2.6 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 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 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 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
6.2 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
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
7.6 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 滑动径向轴承 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
9.3 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 173
本章小结 175
习题 176
第四部分 系统模型 177
第10章 基本系统模型 177
10.1 数学模型 177
10.2 机械系统模块 178
10.2.1 转动系统 179
10.2.2 构建一个机械系统 180
10.3 电气系统模块 183
10.3.1 构建电气系统模型 184
10.3.2 电气和机械系统的比较 186
10.4 流体系统模块 186
10.5 热系统模块 192
本章小结 194
习题 194
第11章 工程系统模型 197
11.1 工程系统 197
11.2 转动-平动系统 197
11.3 机电一体化系统 198
11.3.1 电位器 198
11.3.2 直流电动机 198
11.4 线性度 200
11.5 液压机械系统 202
本章小结 204
习题 204
第12章 系统的动态响应 205
12.1 动态系统建模 205
12.2 术语 205
12.2.1 自然响应与受迫响应 205
12.2.2 瞬态与稳态响应 206
12.2.3 输入的形式 206
12.3 一阶系统 207
12.3.1 自然响应 207
12.3.2 受迫输入响应 208
12.3.3 一阶系统的例子 209
12.3.4 时间常量 210
12.4 二阶系统 211
12.4.1 自然响应 212
12.4.2 有受迫输入时的响应 214
12.4.3 二阶系统的例子 215
12.5 二阶系统的性能指标 216
12.6 系统辨识 218
本章小结 218
习题 219
第13章 系统传递函数 222
13.1 传递函数 222
13.2 一阶系统 224
13.2.1 具有阶跃输入的一阶系统 224
13.2.2 一阶系统的例子 224
13.3 二阶系统 226
13.3.1 具有阶跃输入的二阶系统 226
13.3.2 二阶系统的例子 227
13.4 串联的系统 227
13.5 带反馈环的系统 228
13.6 极点位置对瞬态响应的影响 229
13.6.1 s平面 230
13.6.2 校正 230
本章小结 231
习题 231
第14章 频率响应 233
14.1 正弦输入 233
14.2 相量 233
14.3 频率响应 235
14.3.1 一阶系统的频率响应 235
14.3.2 二阶系统的频率响应 237
14.4 伯德图 237
14.4.1 G(s)=K的伯德图 237
14.4.2 G(s)=1/s的伯德图 238
14.4.3 一阶系统的伯德图 238
14.4.4 二阶系统的伯德图 239
14.4.5 建立伯德图 239
14.4.6 系统辨识 242
14.5 性能指标 244
14.6 稳定性 244
本章小结 245
习题 245
第15章 闭环控制器 247
15.1 连续与离散控制过程 247
15.2 术语 248
15.2.1 滞后 248
15.2.2 稳态误差 248
15.2.3 控制模式 249
15.3 两步控制模式 250
15.4 比例模式 251
15.4.1 电子比例控制器 251
15.4.2 系统响应 252
15.5 微分控制 252
15.6 积分控制 253
15.7 PID控制器 255
15.8 数字控制器 256
15.8.1 控制模式的实现 256
15.8.2 采样速率 257
15.8.3 计算机控制系统 257
15.9 控制系统性能 257
15.10 控制器校正 258
15.10.1 阶跃响应法 258
15.10.2 临界比例度法 259
15.11 速度控制 259
15.12 自适应控制 260
15.12.1 变增益控制 261
15.12.2 自校正 261
15.12.3 模型参考自适应系统 262
本章小结 262
习题 262
第16章 人工智能 264
16.1 什么是人工智能 264
16.2 感知和识别 264
16.2.1 识别 264
16.2.2 神经网络 265
16.3 推理 265
16.3.1 推理机理 265
16.3.2 基于规则的推理 266
16.4 学习 267
本章小结 268
习题 268
第五部分 微处理器系统 269
第17章 微处理器 269
17.1 控制 269
17.2 微处理器系统 269
17.2.1 总线 269
17.2.2 微处理器 271
17.2.3 存储器 273
17.2.4 输入／输出 275
17.2.5 系统示例 276
17.3 微 控制器 278
17.3.1 摩托罗拉M68HC11 279
17.3.2 Intel 8051 283
17.3.3 Microchip TM微控制器 285
17.3.4 选择微控制器 290
17.4 应用 291
17.4.1 温度测量系统 291
17.4.2 家用洗衣机 292
17.5 编程 292
本章小结 294
习题 294
第18章 汇编语言 296
18.1 语言 296
18.2 指令集 296
18.2.1 寻址 299
18.2.2 数据转移 300
18.3 汇编语言程序 301
18.4 子程序 306
18.5 查找表 308
18.6 嵌入式系统 311
本章小结 313
习题 314
第19章 C语言 315
19.1 为什么选择C语言 315
19.2 程序结构 315
19.2.1 主要特征 315
19.2.2 一个C程序的示例 319
19.3 分支和循环 319
19.4 数组 322
19.5 指针 323
19.5.1 指针的算术运算 323
19.5.2 指针和数组 324
19.6 程序开发 324
19.7 程序的示例 325
19.7.1 电动机的启动与关闭 325
19.7.2 读ADC通道 325
本章小结 326
习题 327
第20章 输入／输出系统 328
20.1 接口 328
20.2 输入／输出寻址 328
20.3 接口要求 330
20.3.1 缓冲器 331
20.3.2 握手 331
20.3.3 轮询和中断 332
20.3.4 串行接口 335
20.4 外设接口适配器 335
20.4.1 PIA初始化 337
20.4.2 通过PIA连接中断信号 338
20.4.3 与PIA接口的例子 339
20.5 串行通信接口 339
20.6 接口的示例 342
20.6.1 通过译码器控制七段数码管 342
20.6.2 模拟接口 344
本章小结 345
习题 345
第21章 可编程逻辑控制器 346
21.1 简介 346
21.2 PLC基本结构 346
21.2.1 输入／输出 346
21.2.2 输入程序 348
21.2.3 PLC的形式 348
21.3 输入／输出处理 349
21.3.1 持续更新 349
21.3.2 大规模输入／输出复制 349
21.3.3 I/O地址 349
21.4 梯形图编程 349
21.5 指令列表 352
21.5.1 指令列表和逻辑函数 353
21.5.2 指令列表和分支程序 353
21.6 自锁和内部继电器 354
21.7 顺序控制 356
21.8 定时器与计数器 357
21.8.1 定时器 357
21.8.2 计数器 358
21.9 移位寄存器 359
21.10 主控指令和跳转指令控制 360
21.11 数据处理 361
21.11.1 数据移动 362
21.11.2 数据比较 362
21.11.3 算术运算 362
21.11.4 代码转换 363
21.12 模拟输入／输出 363
本章小结 364
习题 364
第22章 通信系统 367
22.1 数字通信 367
22.2 集中式、分层式与分布式控制 367
22.2.1 并行与串行数据传输 368
22.2.2 串行数据通信方式 368
22.3 网络 369
22.3.1 网络访问控制 370
22.3.2 宽带与基带 370
22.4 协议 370
22.5 开放系统互联通信模型 371
22.6 串行通信接口 373
22.6.1 RS-232 373
22.6.2 20mA电流环 375
22.6.3 I2C总线 375
22.6.4 CAN总线 376
22.6.5 USB 377
22.6.6 火线 378
22.7 并行通信接口 378
22.8 无线协议 381
本章小结 381
习题 382
第23章 故障检测 383
23.1 故障检测技术 383
23.2 看门狗定时器 384
23.3 奇偶校验与误码检测 384
23.4 常见的硬件故障 386
23.4.1 传感器 386
23.4.2 开关和继电器 386
23.4.3 电动机 386
23.4.4 液压和气动系统 386
23.5 微处理器系统 386
23.5.1 故障检测技术 387
23.5.2 系统故障定位方法 389
23.5.3 自测试系统 389
23.6 仿真和模拟 389
23.7 PLC系统 390
23.7.1 程序测试 390
23.7.2 输入／输出测试 391
23.7.3 PLC作为系统的监视器 391
本章小结 392
习题 393
第六部分 总结 395
第24章 机电一体化系统 395
24.1 机电设计 395
24.1.1 定时开关 395
24.1.2 刮水器运动 398
24.1.3 浴室秤 401
24.2 案例研究 404
24.2.1 取放机器人 404
24.2.2 停车栏杆系统 407
24.2.3 数码相机 408
24.2.4 汽车发动机管理 411
24.2.5 条形码阅读器 413
24.2.6 硬盘驱动器 414
本章小结 415
习题 416
第七部分 附录 417
附录A 拉普拉斯变换 417
附录B 数字系统 424
附录C 布尔代数 429
附录D 指令集 437
附录E C库函数 441
附录F MATLAB和SIMULINK 444
附录G 电路分析 449
进一步的参考信息 456
习题参考答案 458
索引 472