机械电子学

机械电子学是电子工程、机械工程、控制和计算机工程的集成，它处在无数设备、过程和技术的核心。没有它，将无法想象现代的生活。从自动对焦照相机，到汽车发动机管理系统，从达到新技术发展水平的机器人，到普通的洗衣机，机械电子都参与其中。本书对机械电子学领域做了清晰和全面的介绍。通过实践和应用，有助于您获得所需的综合能力来理解和设计机电一体化系统。它同样也深入阐述机械电子学的原理，为形成一种真正的跨学科和综合化的工程方法提供一个思维框架。

威廉·博尔顿（William Bolton）曾担任英国商业与技术委员会（BTEC）继续教育的顾问以及研发和监控的负责人，他编著了多部成功的工程教科书，包括《Mechatronics》《Engineering Science》《Higher Engineering Science》《Mechanical Science》《Instrumentation and Control Systems》等，被国外各大学广泛采用，获得了很好的反响。

出版者的话
译者序
前言
第一部分概述
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
1.7.3MEMS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
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
4.3.1DAC71
4.3.2ADC73
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
5.2.1AND门82
5.2.2OR门83
5.2.3NOT门84
5.2.4NAND门84
5.2.5NOR门85
5.2.6XOR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
5.4.3JK触发器95
5.4.4D触发器96
5.4.5寄存器97
5.4.6555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
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
9.3.4MOSFET159
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
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M68HC11187
10.3.2Intel8051191
10.3.3Microchip微控制器193
10.3.4AtmelAVR微控制器和Arduino198
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
12.8Arduino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
13.4.1PIA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
14.2PLC基本结构258
14.2.1输入/输出258
14.2.2输入程序260
14.2.3PLC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
15.6.1RS-232285
15.6.220mA电流环287
15.6.3I2C总线287
15.6.4CAN总线288
15.6.5USB289
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
16.7PLC系统302
16.7.1程序测试302
16.7.2输入/输出测试303
16.7.3PLC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
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
20.6.1s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
21.4.1G（s）=K的伯德图367
21.4.2G（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
22.7PID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
……

前    言机械电子学（或称机电一体化，mechatronics）一词最早由日本工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而成的一门新学科。到了今天，这个词有了更为广泛的含义，一般可以认为它是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在产品的设计制造和加工过程中，对机械工程、电子技术及计算机智能控制的有效并行集成。通过应用这种思想，很多原本由机械结构实现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替代性将使生产过程更具灵活性，重复设计和重复编程更为简单，进而可以让系统具有自动化数据收集及报告的能力。    机械电子学理论要求工程技术人员在解决工程问题时要有运用多学科、综合方法的能力。因此，工程技术人员不能仅限于掌握一个领域的技术知识，还需要有能力运用多学科知识并将它们联系起来。这就需要更多的特殊技巧。本书在介绍机械电子学的基本背景之外，还给出了上文所提到的特殊技巧的关联方法。    为了满足国家高等教育对技术人员的毕业认证要求，本书的第1版囊括了英国商业与技术委员会（BTEC）关于机械电子学的单元。同时本书的编写还包含介绍了许多机械电子学方面的特殊要求，如应用机械电子学方法解决问题时，需要注意的设计、生产和维护方面的问题。本书在英国及美国被广泛应用于本科生和研究生教学。结合英国和美国用书教师的反馈信息，本书第2版对内容进行了扩充和加深，使得本书不但对原有的读者具有参考意义，而且更适合作为本科生教材使用。本书第3版简化了其中的部分解释内容，对微控制器及其编程给出了更详细的讨论，增加了对机电一体化系统模型的介绍，并且就关键内容在附录中给出了索引。第4版对本书的内容及文字表达形式进行了全面的调整，包括重组了部分章节；将更多材料添加到附录中，以避免扰乱行文的流畅性；引入了诸如人工智能等新内容；给出了更多的实例分析；简化了不必要的章节。同时，在每一章添加了学习目的及关键点目录。第5版基本保持了原有的结构，只是通过与本书采用者的交流，对书中的一些内容进行了相应的增删。    由于一些教师感觉各章的排序不符合一般的教学顺序，第6版进行了重组。因此，新版本把系统模型部分移到微处理器系统之后。其他变化包括添加了关于Arduino的资料，还在第24章中添加了更多的题材。    本书的主要目的是帮助技术人员和在校生全面地理解机械电子学内容。本书可以在以下几方面帮助读者：    掌握理解和设计机电一体化系统所必需的机械工程、电子学和计算机科学方面的知识技巧。    掌握机械电子学中多学科知识的交叉应用。    学习设计机电一体化系统。    本书的每一章都包含：本章目的、本章小结、详尽的实例说明及习题。习题的答案可以在本书的结尾部分找到。第24章中的系统研究和设计作业的提示也在本书的结尾给出。    本书的结构为：    第1章是关于机械电子学的通识介绍。    第2～6章主要介绍传感器方面的知识及信号调理。    第7～9章介绍驱动系统。    第10～16章介绍微处理器/微控制器系统。    第17～23章介绍系统模型方面的内容。    第24章总结设计机电一体化系统时需要注意的问题。    授课者的教师指南、测验材料和Powerpoint幻灯片可从如下网站下载：www.pearsoned.co.uk/bolton。    感谢书中涉及仪器的生产制造商提供的出版方面的支持。还要感谢那些仔细阅读了第5版并提出了改进建议的审稿人。    William Bolton  关于本书教辅资料，只有使用本书作为教材的教师才可以申请，需要的教师请联系机械工业出版社华章公司，电话：13601156823，邮箱：wangguang@hzbook.com。——编辑注