1、1第第1 1章章 绪论绪论2教学目标教学目标 知识目标：知识目标：1.熟练掌握机电一体化含义；2.了解机电一体化组成要素；3.了解机电一体化的发展趋势。能力目标能力目标：1.概括总结所学知识的能力；2.分析问题、解决问题的能力。3教学重、难点教学重、难点 教学重点：教学重点：1.机电一体化含义 2.机电一体化产品组成要素 3.机电一体化系统的设计方法 教学难点教学难点：1.机电一体化组成要素的作用 2.机电一体化系统的含义及设计流程4本章主要内容本章主要内容1.1 机电一体化系机电一体化系统概述统概述1.2 机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.3 机电一体化的发展机电一体化的发展趋势趋
2、势5德国工业4.0和中国制造2025强调加快发展智能制造装备和产品；组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线；突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置；推进工程化和产业化。6机电一体化虽然是一个独立的科学门类，但依然和其他的学科有着千丝万缕的关系，和工业4.0及中国制造2025紧密相连，它是其他学科技术优势的整合体，是建立在其他学科技术的基础上发展的7 机械工程科学发展的特点及趋势机械工程科学发展的特点及趋势 多学科深度交叉多学科深度交叉机械工程科学机械工程科学微光机电系统微光机
3、电系统纳米机械学纳米机械学纳米加工测量纳米加工测量微操作系统微操作系统机械仿生机械仿生仿生制造仿生制造电子制造。电子制造。e-制造、制造、数字制造、虚拟数字制造、虚拟制造；网络制造；制造；网络制造；纳米科技纳米科技纳米材料纳米材料微型机械微型机械纳米器件纳米器件生命科技生命科技人类基因组人类基因组基因工程基因工程生物芯片生物芯片 信息科技信息科技光子、量子、光子、量子、生物计算机；生物计算机；网络技术网络技术 当前制造业存在的主要问题当前制造业存在的主要问题 技术创新能力比较技术创新能力比较10本课程的重要专业课程 机械工程设计基础 液压与气压传动 机电创新设计 电路与电机 电子技术 单片机原
4、理与接口技术 电气控制与PLC应用 传感器应用11 机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而与电子简单的叠加，而是在是在信息论、控制论和信息论、控制论和系统论系统论的基础上建立起的基础上建立起来的来的应用技术应用技术。机电一体化信息科学机械学电子学12 机电一体化一般包含机电一体化一般包
5、含机电一体化产品机电一体化产品(系统系统)和和机电一体化技术机电一体化技术两层含义。两层含义。典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品(系统系统)有：数控有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCADCAMCAM系统等。系统等。13数数控控铣铣床床141516机械手臂机械手臂17 汽车防抱死系统汽车防抱死系统(ABS)18 出色的机电一体化案例：1.异步电动机控制机床进给用计算机控制伺服电机控制机床进给;2.机床主轴的反转制动现代数控机床的主轴准停和主轴进给;3.机床内链环的螺纹加工具有编码器
6、的数控螺纹加工；4.汽车发动机化油器供油电子燃油喷射；5.纺织工业的有梭织机喷气、喷水无梭织机;6.纹板笼头控制提花方式电子计算机提花方式的转变。1920212223241.3 共性关键技术共性关键技术 1 检测传感技术检测传感技术 2 信息处理技术信息处理技术 3 自动控制技术自动控制技术 4 伺服驱动技术伺服驱动技术 5 机械技术机械技术 6 系统总体技术系统总体技术25262728 6 6、系统总体技术、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现
7、整体最优。其重块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。械接口、人机接口。29机电一体化技术特点 简化结构，提高精度 易于实现多功能和柔性自动化 产品开发周期缩短、竞争能力增强 生产方式向高柔性、综合自动化方向发展 促进经营管理体制发生根本性的变化301.2机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 机电一体化产品的分类 设计类型：开发性、适应性、变参数 设计方法：取代法、整体法、组合法 设计程序 设计途径 设计过程31 市场调研市场调研 总体方案设计总体方案设计 详细设计详细设计 样机试制与试验样机试制与
8、试验 小批量生产小批量生产 大批量生产大批量生产32一、市场调研一、市场调研 市场调研包括市场调研包括市场调查市场调查和和市场预测市场预测。所谓。所谓市市场调查场调查，就是运用科学的方法，系统、全面地，就是运用科学的方法，系统、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而的状况和趋势，而市场预测市场预测就是在市场调查的就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计和现状
9、，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。测算和判断，为产品的方案设计提供依据。33二、总体方案设计二、总体方案设计 1产品方案构思产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。于后面的修改。2方案的评价方案的评价 对多种构思和多种方案进行筛选，选择较
10、好的可对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。34三、详细设计三、详细设计 详细设计是根据综合评价后确定的系统方详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。文件的过程。35四、样机试制与试验四、样机试制
11、与试验 完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果
12、样机的性能指标和可靠性满足设计要求，验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。则进入产品的小批量生产阶段。36 五、小批量生产五、小批量生产 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。制造和质量控制部门。六、大批量生产六、大批量生产 经过小批量试生产和试销售的考核
13、，排除产经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。批量生产。37机电一体化对机械工业的影响机电一体化对机械工业的影响 1 提高性能、扩展功能提高性能、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一
14、旦接近临界值时就自动采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生产率和良好的加工表面。保证很高的生产率和良好的加工表面。38SKXT-1200铣镗钻机床 传 动系统图m=3 z=46m=3 z=23m=3 z=58p=12p=12m=3 z=55d=37变频调速电机d=71m=3 z=2388m=3 z=25 m=3 z=48交流伺服电机交流伺服电机8m=3 z=25 m=3 z=488交流伺服电机回转工作台m=3 z=4639 3 提高可靠性提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电在提高
15、电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，提高联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，提高了设备的安全可靠性。了设备的安全可靠性。40 4 节约能源节约能源 例如目前我国各类电风扇年产量在例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左右，万台左右，如每台电扇的调速器和定时器如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁机械式现常用电磁机械式)用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇可节用电子调速器和定时器代替，估计
16、每台风扇可节电电5W以上，全年以用扇以上，全年以用扇100天，每天开扇天，每天开扇6h计，计，则每年可节约用电量则每年可节约用电量600万万kWh，还可节省大批，还可节省大批铜材和钢材。铜材和钢材。再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础，再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是一般的自动电焊机，其动作过程也仅为简即使是一般的自动电焊机，其动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、效率低、质量不易保证。采用微型机技术后，发效率低、质量不易保证。采用微型机技术后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源，展新颖的电子控制
17、电源以取代传统的焊接电源，实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。411.3 发展概况及发展趋势发展概况及发展趋势1.201.20世纪世纪6060年代前为第一阶段，年代前为第一阶段，“萌芽阶段萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2.202.20世纪世纪7070年代到年代到8080年代为
18、第二阶段，年代为第二阶段，“蓬勃发蓬勃发展阶展阶”计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：mechatronicsmechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到2020世纪世纪8080年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。各国均开始对机电一体化技术和产品
19、给以很大的关注和支持。42 3.203.20世纪世纪9090年代后期开始为第三阶段，年代后期开始为第三阶段，“智能化阶智能化阶段段”光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；一体化等新分支；对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取由于人工
20、智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。渐形成完整的科学体系。43 1.数控机床的问世，写下了数控机床的问世，写下了“机电一体化机电一体化”历史的历史的第一页。第一页。2.微电子技术为微电子技术为“机电一体化机电一体化”带来勃勃生机。带来勃勃生机。3.可编程序控制器、可编程序控制器、“电力电子电力电子”等的发展为等的发展为“机电机电一体化一体化”提供了坚强基础。提供了坚强
21、基础。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“机机电一体化电一体化”跃上新台阶。跃上新台阶。44发展趋势发展趋势 1 1 智能化智能化 智能化是智能化是2121世纪机电一体化技术发展的一个世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的就是重要应用。这里所说的“智能化智能化”是对机器是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹
22、学、计算机科学、模糊数学、心理学、智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。策等能力，以求得到更高的控制目标。452 模块化模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重
23、要的事。这需要制定各项标准，复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
24、企业带来美好的前程。463网络化网络化 20世纪世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。向发展。47 4 4 微型化微型
25、化 微型化兴起于微型化兴起于2020世纪世纪8080年代末，指的是年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMSMEMS），泛指几何尺寸不超过），泛指几何尺寸不超过1cm1cm3 3的机电的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于
26、微机械技术，微机电一体化产品的颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。它包括光刻技术和蚀刻技术两类。48 5 系统化系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除般除RS2
27、32外，还有外，还有RS485等。等。49本章小结本章小结 重要概念 机电一体化、机械技术、传感检测技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。重点问题 机电一体化产品组成；机电一体化系统设计的方法和流程。50课后作业课后作业1.试说明机电一体化的概念并分析机电一体化技术的组成及相互关系。2.列举各行业机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术的应用情况。3.为什么说机电一体化技术是其他技术发展的基础?举例说明。4.试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。51第第2 2章章 机电一体化产品的组成机电一体化产品的组成52教学目标教学目标 知识目标：知识
28、目标：1.熟练掌握机电一体化产品的组成；2.熟练掌握机电产品中的相关概念和功能；3.能够选择控制器、传感器等部分。能力目标能力目标：1.概括总结所学知识的能力；2.分析问题、解决问题的能力。53教学重、难点教学重、难点 教学重点：教学重点：1.机电一体化产品的五大组成部分 2.传感器的基本特性和选择 3.驱动及执行机构的工作原理 教学难点教学难点：1.传感器的测量电路 2.伺服驱动54本章主要内容本章主要内容机电一体化产品的控制器机电一体化产品的控制器2.1机电一体化产品中的传感器机电一体化产品中的传感器 2.2机电一体化产品的驱动器机电一体化产品的驱动器2.3机电一体化的机械传动与执行机构机
29、电一体化的机械传动与执行机构 2.4小小结结课后作业552.1 机电一体化产品的控制器机电一体化产品的控制器单片机与单板机单片机与单板机 2.1.1可编程序控制器可编程序控制器 工业计算机的特点及选择工业计算机的特点及选择 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 2.1.22.1.32.1.4562.1.1单片机与单板机单片机与单板机 它采用超大规模技术把具有数据处它采用超大规模技术把具有数据处理能力理能力(如算术运算，逻辑运算、如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理数据传送、中断处理)的微处理器的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器，只读程序存储器(R
30、OM)，输入输出电路输入输出电路(I/O口口)，可能还包，可能还包括定时计数器，串行通信口括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路显示驱动电路(LCD或或LED驱动电路驱动电路)，脉宽调制电路脉宽调制电路(PWM)，模拟多路，模拟多路转换器及转换器及A/D转换器等电路集成到转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小一块单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。而完善的计算机系统。图图2.1 单片机的结构单片机的结构1.单片机单片机 单片微型计算机简称为单片机，它的结构如图单片微型计算机简称为单片机，它的结构如图2.1所示所示。57 MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单
31、片机的总称，其中8051是最早最典型的产品，其引脚及其功能如图2.2所示。图图2.2 80C51单片机引脚图及引脚功能单片机引脚图及引脚功能58单片机的单片机的40个引脚大致可分电源、时钟、控制和个引脚大致可分电源、时钟、控制和I/O引脚四类。引脚四类。(1)电源电源:VCC为芯片高位电源，接为芯片高位电源，接+5V；VSS为接地端。为接地端。(2)时钟时钟:XTAL1、XTAL2分别为晶体振荡电路反相输入端和输出端。分别为晶体振荡电路反相输入端和输出端。(3)控制线控制线:控制线共有控制线共有4根，根，ALE/PROG:地址锁存允许地址锁存允许/片内片内EPROM编程脉冲。编程脉冲。ALE功
32、能：用来锁存功能：用来锁存P0口送出的低口送出的低8位地址。位地址。PROG功能：片内有功能：片内有EPROM的芯片，在的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编编程期间，此引脚输入编程脉冲。程脉冲。PSEN:外外ROM读选通信号。读选通信号。RST/VPD:复位复位/备用电源。备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。）功能：复位信号输入端。VPD功能：在功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。掉电情况下，接备用电源。EA/Vpp:内外内外ROM选择选择/片内片内EPROM编程电源。编程电源。EA功能：内外功能：内外ROM选择端。选择端。Vpp功能：片内有功能：片内有EPROM的芯片
33、，在的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源编程期间，施加编程电源Vpp。(4)I/O线：线：80C51共有共有4个个8位并行位并行I/O端口，它们是端口，它们是P0、P1、P2、P3口，口，共共32个引脚。个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。号（属控制总线）。592.2.单板机单板机 什么是单板机？什么是单板机？在一块印刷电路板插件上把CPU、存储器和外设接口等集成电路片子组装成的具有一定功能的微型计算机,简称单板机。单板机的硬件由什么组成？单板机的硬件由什么组成？由下列五部分组成：微处理器及其外围电路。
34、存储器及地址译码电路。输入输出接口适配器及其附属电路。总线及总线缓冲器。单板机备有两种总线：一种是实现插件间通信的总线，称为内总线；另一种是实现单板机与外部设备或控制对象之间通信的总线，称为外总线。监控程序及外设控制电路。单板机的软件包括有监控程序、调试程序、诊断程序、汇编程序、编译程序等。返返回回602.1.2.可编程序控制器可编程序控制器 可编程控制器的定义可编程控制器的定义 国际电工委员会（IEC）PLC的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式
35、和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。61 可编程控制器的组成可编程控制器的组成 PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O单元）和电源单元四部分组成。小型PLC的结构图如图2-3所示。图图2.3 小型可编程控制器结构框图小型可编程控制器结构框图62 可编程控制器的工作方式可编程控制器的工作方式 PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。扫描过程见图2.4。图图2.4 扫描过程扫描过程63 可编程控制器的特点可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）编程直观、
36、简单；（3）环境要求低，适应性好；（4）功能完善，接口功能强等。返返回回642.1.3 工业计算机的特点及选择工业计算机的特点及选择 工业计算机的特点工业计算机的特点（1）两者的用途不同。工业计算机主要用于工业控制、测试等方面，工控机的环境适应强。这和普通的计算机的娱乐、办公、编程方面的应用是完全不同的。（2）两者的组成部件不同。工业计算机工作的场合不同，也必然导致了其构成的部件和通用计算机不同。（3）工业计算机的软件系统和普通计算机不同。工业计算机的软件系统比较单一，主要实现一个特定的功能。而普通计算机拥有大量的通用的应用程序，处理器的速度非常快。（4）可靠性高，实时性强。工业计算机一般用于
37、不间断运行，运行期间不允许停机检修；而且它还要实时对控制对象进行检测，所要要求其具有高的可靠性和好的实时性。65 工业计算机的选择工业计算机的选择 根据机电一体化系统的大小和控制参量的复杂程度，可以选用不同的工业计算机。对于小型系统，一般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，这类系统采用单板机、单片机或可编程控制器；对于数据处理量大的系统，可以选用基于总线结构的工控机，如STD总线工控机、IBM-PC总线工控机等；对于多层次、复杂的机电一体化系统，则需要采用分级分步式控制系统，在这种系统中，可根据各级及控制对象的特点，分别选用单片机、可编程控制器、总线工控机和微型计算机来完成所需的功能。返
38、返回回662.1.4 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 关于嵌入式系统的定义，目前存在多种下面给出两种比较常见的定义。第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。第二种定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软/硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。67 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 嵌入
39、式系统也是由硬件和软件两大部分组成的，前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口；后者实际控制系统的运行。嵌入式系统的硬件可分为3部分：核心处理器、外围电路和外部设备，如图2.5所示。图图2.5嵌入嵌入式系式系统的统的硬件硬件组成组成68 上图中，CPU是嵌入式系统的核心处理器，又称为嵌入式微处理器，负责控制整个嵌入式系统的执行；外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复 位 电 路、模 数 转 换 器/数 模 转 换 器（ADC/DAC）和电源等，与核心处理器一起构成一个完整的嵌入式目标系统，其中SRAM（Static Random Acess Memory）为静态随机存储器，
40、DRAM（Dynamic Random Acess Memory）为动态随机存数器，Flash为闪存器；外部设备指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）、存储设备、鼠标、键盘（Keyboard）、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）、红外线数据传输（Infrared Data Association，IrDA）和打印设备等。其中微处理是嵌入式系统硬件的核心。69 嵌入式系统的软件可分为设备驱动接口(Device Driver Interface,DDI)、实时操作系统(Real Time Opera
41、tion System,RTOS)、可编程应用接口(Application Programmable Interface,API)和应用软件4个层次。其中DDI负责嵌入式系统与外部设备的信息交换；RTOS分成基本和扩展两部分，前者是操作系统的核心，负责整个系统的任务调度，存储分配、时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面等基本服务。后者为用户提供操作系统的扩展功能。应用软件是针对不同应用而由开发者编写的软件。返返回回70 2.2 机电一体化产品中的传感器机电一体化产品中的传感器传感器概述传感器概述 传感器的选用原则及注意事项传感器的选用原则及注意事项 传感器的测量电路传感器的测量电路 智能传
42、感器智能传感器 2.2.12.2.22.2.32.2.4712.2.1 传感器概述传感器概述 传感器的定义传感器的定义 国家标准传感器通用术语中，对传感器的定义为“传感器是指感受或响应规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”72 传感器的组成传感器的组成 传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图2.6所示。图图2.6 传感器组成框图传感器组成框图 敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量。转换元件则将上述非电量转换成电参量。测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电
43、流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。73 传感器的分类传感器的分类 传感器的种类很多，如果按被测对象分类，有物理量传感器、化学量传感器及生物量传感器；如果按输出量分类，有模拟式和数字式传感器；如果按测量原理分类，有结构型、物性型及复合型三类。结构型传感器是利用机械构件的变形、位移将被测量转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的传感器。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应工作的传感器。另外，还可以按输入输出特性分的线性、非线性传感器；按能量转换方式分的能量转换型（有源型或发电型）、能量控制型（无源型或参数型）传感器，等等。74 传感器的基本特性传感器的基
44、本特性 传感器的基本特性主要是指输出与输入之间的关系特性。当输入量为常量或变化极慢时，其关系为静态特性；当输入量随时间较快变化时，其关系为动态特性。传感器的静态特性参数包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零漂和温漂、分辨力等。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。常用的静态特性如下：（1）线性度（非线性误差）：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。（2）灵敏度：是指稳定工作状态时传感器输出变化量和输入量的变化量之比，用S表示为ySx75 线性传感器的灵敏度为一常数，而非线性传感器的灵敏度是随输入变化的量。图图2.7 重
45、复性重复性（3）重复性：指传感器在输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致的程度，如图2.7所示。(4)迟滞：指传感器在正反行程中输出与输入曲线不重合的现象，如图2.8所示。图图2.8 迟滞特性迟滞特性76（5）零漂和温漂：传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。（6）分辨力与阀值：指传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。数字式传感器的分辨力一般为输出数字指示值最后一位数字。在传感器输入零点附近的分辨力称为阀值。（7）稳定
46、性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。772.2.2 传感器的选用原则及注意事项传感器的选用原则及注意事项 传感器的选则传感器的选则根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：测量之前，根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：测量之前，首先要考虑采用何种传感器，这需多方分析才能确定。首先要考虑采用何种传感器，这需多方分析才能确定。灵敏度的考虑：通常，在线性范围内，希望传感器的灵敏灵敏度的考虑：通常，在线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。度越高越好。线性范围的考虑：传感器的线性范围越宽，则其量程越大，线性范围的考虑：传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精
47、度。并且能保证一定的测量精度。稳定性的考虑：影响传感器稳定性的因素除本身结构外，稳定性的考虑：影响传感器稳定性的因素除本身结构外，主要是其使用环境。主要是其使用环境。精度的考虑：精度是关系到整个测量系统测量精度的一个精度的考虑：精度是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就。感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就。频率响应特性的考虑：传感器的频率响应特性决定了被测频率响应特性的考虑：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，考虑传感器的频率响应特性时，必须
48、保证量的频率范围，考虑传感器的频率响应特性时，必须保证在频率范围内不失真。在频率范围内不失真。78 选择传感器的注意事项选择传感器的注意事项 预测量条件有关的事项：包括测量目的、被测试量的选择、测量范围、输入信号的最大值、频带宽度、指标要求、测量所需要的时间等。与传感器有关的事项：包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、输出量及其数量级、被测物体产生的负载效应、校正周期、过载保护等。与使用条件有关的事项：包括传感器的设置场所、工作环境条件（温度、振动、湿度等）、测量时间、与其他设备的连接及距离、所需功率容量等。与购买和维护有关的事项：包括性价比、零配件的储备、售后服务与维修、保修时间
49、、交货日期等。792.2.3 智能传感器智能传感器 智能传感器的定义智能传感器的定义 智能传感器是将微执行器和微变送器的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上，同时具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。智能传感器的组成智能传感器的组成 智能传感器主要由传感器、微处理器（或计算机）及相关电路组成，其原理如图2.14所示。80图图2.14 智能传感器原理框图智能传感器原理框图81 智能传感器的作用智能传感器的作用 不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。智能传感器的分类智能传感器的分类 智能传感器按结构不同可分为集成式、混
50、合式和模块式三种形式。集成式是将敏感元件、微处理器、信号处理电路等集成同一个硅片上，集成度高，体积小。混合式是将传感器、微处理器和信号处理电路做在不同的芯片上，目前应用较多。模块式是将微处理器、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内。822.3 2.3 驱动器及其控制驱动器及其控制驱动器的种类和对装置的基本要求驱动器的种类和对装置的基本要求 直流伺服系统直流伺服系统 交流伺服系统交流伺服系统 2.3.12.3.22.3.3832.3.1 驱动器的种类和对装置的基本要求驱动器的种类和对装置的基本要求 伺服驱动器的分类 根据动力源的不同可以分为液压伺服驱动、气动伺服系
