机电一体化知识点.docx

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机电一体化知识点

1、机电一体化概念：

机电一体化又称机械电子学，它是从系统观点出发，将机械技术、微电子技术、计算机信息技术、自动控制技术等在系统工程基本上有机地加以综合，实现整个机械系统最优化而建立起来一门科学技术。

机电一体化涉及机电一体化技术和机电一体化系统两方而内容。

典型机电一体化系统有数控机床、工业机器人、汽车等。

2、机和电关系：

在机电一体化系统中，“机”指机械某些，涉及构造、执行机构、传感器机构等。

“电”指电子某些，涉及控制电路和电气连线等。

两者关系是，“机”是基本，“电”是核心。

机电系统在电控制下，协调冬机械部件（传感器、电机、构造等）完毕各种指令及功能。

3、机电一体化范畴：

凡是由各种当代高新技术与机械和电子技术互相结合而形成各种技术、产品以及系统都属于机电一体化范畴

4、机电一体化发展趋势：

1）性能上，向髙精度、高效率、高性能、智能化方向发展。

2）功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。

3）层次上，向系统化、复合集成化方向发展。

系统构造采用采用开放式和模式化总线构造，并具备强大通讯功能，如RS232、RS485、CAN等。

4）机电一体化单元向模块化方向发展，运用原则模块解决系统集成中不匹配、不兼容问题。

5）机电一体化产品向网络化方向发展，基于网络％种远程控制和监视意义重大。

6、机电--体技术重要特性

1）整体构造最优化。

在设计机电一体化系统时，综合运用机械、电子、硬件、软件等各种知识和理论，实现系统优化。

2）系统控制智能化。

机电一体化系统具备自动控制、自动检测、自动信息解决、自动诊断、自动记录、自动显示等功能。

3）操作性能柔性化。

通过软件和程序实现对系统机构控制和协调。

操作流程通过软件设泄，灵活、以便。

7、机电一体化目功能：

任何一种机电一体化产品或系统都是为满足人们某种需要而开发生产，都具备相应目功能。

概括起来必要具备三大目功能：

1）变换（加工、解决）功能：

2）传递（移动、输送）功能：

3）存储（保存、记录）功能。

17、机电一体化系统开发工程路线重要分为如下几种阶段：

可行性论证、初步设计、详细设计、实行和测试、运营和维护。

39、电平检测电路概述

功能：

实现对两个输入模仿量进行比较，并输出逻辑电平，依照逻辑电平可以批示两输入模仿量大小关系。

构成：

电压比较器、二极管、逻辑器件等。

应用：

温度、液位等上下限检测等。

10、可变磁阻式自感型电感传感器工作原理

1）可变磁阻式自感型电感传感器由线圈、铁芯、衔铁、气隙构成。

2）传感器磁路自感L由公式拟泄。

式中：

W为线圈匝数、uO为空气导磁率。

公式表白，自感L与气隙。

大小成反比，与气隙导磁截而积S0成正比。

3）当固左S0不变而变化。

时，L与“呈非线性关系。

通过测量自感变化，咱们就可以得到气隙间距变化，这就是该传感器工作原理。

56、信号滤波电路概述

1、滤波器分类

滤波器是具备频率选取作用电路或运算解决系统，具备滤除噪声和分离各种不同信号功

能。

简朴理解就是，有用频率信号通过，无用频率信号被抑制电路。

按传递函数微分方程阶数分：

零阶、一阶、二阶、高阶滤波器。

按滤波器选频作用分：

低通、髙通、带通和带阻滤波器。

带通滤波器可由髙通滤波器和

低通滤波器串联构成。

带阻滤波器可由髙通滤波器和低通滤波器并联构成。

依照构成滤波器元件类型分：

RC、LC或晶体谐振滤波器。

依照构成滤波器电路性质分：

有源滤波器和无源滤波器。

有源滤波器采用RC网络和运算放大器构成，英中运算放大器具备极间隔离和信号放大作用，RC网络普通作为运算放大器负反馈网络

依照滤波器所解决信号性质分：

模仿滤波器与数字滤波器。

滤波器基本参数

图2.90四类滤波器的幅频特件

（1）截止频率：

增益下降到通频带增益除以根号2时，所相应频率称为滤波器截止频率。

公

式为，其中K为通频带增益。

用分贝表达就是-3dB。

（2）带宽B：

上下两截止频率之间频率范畴称为滤波器带宽，即B二f厂单位为Hz“带宽

决定了滤波器频率辨别力，带宽越小，辨别力越高。

⑶品质因数Q：

中心频率f。

和带宽之比称为滤波器品质因数Qo

（4）倍频程选取性：

是指在上截止频率f?

与2f：

之间或在下截I匕频率f,与f,/2之间增益衰

减量，即频率变化一种倍频程时衰减虽:

，以dB为单位。

它决左了滤波器对带宽外频率成分衰阻能力。

滤波器阶数越髙、衰减越快，选取性越好。

26.信号放大电路概述

I、信号放大电路作用：

信号放大电路亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出薄弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和解决。

2、信号放大电路规泄：

传感器输出信号较弱，最小达0」PV,动态范畴较宽，往往有很大共模干扰电压。

测量放大电路目是检测叠加在高共摸电压上薄弱信号，因而规定测量放大电路具备高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳立性高等性能。

当前使用最多工业控制微机重要集中在PC总线工控机、STD总线工控机、单片机或单板机构成微机系统和可编程控制器等几大类

10、单片机概念

单片机全称是单片微型计算机，英文为SingleChipMicrocomputer。

就是在一种集成电路上集成了微型计算机所有基本资源，涉及中央解决器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、左期器/汁数器、串行通信及中断系统和各种输入输岀接口等各种资源。

II、单片机特点

（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。

（2）数据大都在单片机内部传送，运营速度快，抗干扰能力强，可靠性高。

（3）构造灵活，易于构成各种微机应用系统。

（4）应用广泛，既可用于过程控制、机电一体化产品等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器、家用电器、计算机网络及通讯等领域。

此外在航空、航天等军工领域，单片机应用也十分广泛。

当今社会，单片机应用无所不在。

12、单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用至少元件构成单片机可以工作系统。

对51系列单片机来说，最小系统普通应当涉及：

单片机、晶振电路、复位电路和供电电源。

3、人机交互接口是操作者与机电一体化系统（重要是计算机控制器）之间进行信息互换接

口。

按信息传递方向，人机接口可以分为两大类：

输入接口与输出接口。

人机交互接口具

备专用性、低速性、髙性价比等特点，设讣时需要予以考虑。

4、人机交互接口作用：

操作者通过输入接口向讣算机控制器输入各种控制命令，对系统运营进行控制，实现系统规左完毕各项功能及任务：

同步计算机控制器通过输出接口向操作者显示系统各种状态、运营参数及成果等信息。

4.惯用输入设备：

按钮、开关、拨码盘、键盘、触摸屏等。

5、惯用输出设备：

状态批示灯、扬声器、数码管显示屏、LCD显示屏等。

7、结合简朴开关输入电路原理图，阐明电路功能及如何选取上拉电阻大小。

P277

电路功能：

1）实现开关状态向逻辑电平转换，供单片机采样：

2）当开关断开时，髙电平5V送给单片机采样:

3）当开关闭合时，低电平0V送给单片机采样。

电阻选取：

1）阻值不能过大，阻值过大会减少传播高电平值:

2）阻值不能过小，阻值过小会增大电路功耗:

3）上拉电阻应全而考虑开关触点电流和整个电路功耗再拟定，普通10K左右。

18.点亮LED数码管有静态和动态两种办法。

所谓静态显示就是数码管显示某一字符时，相应发光二极管恒泄导通或截止。

静态显示时，较小电流能得到较髙亮度，因此可以由单片机IO口直接驱动，静态显示办法适合与显示位数少状况。

当位数较多时，用静态显示需要占用太多10口，因此，普通采用动态显示办法。

所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮乞位数码管，即扫描点亮。

数码管亮度既与导通电流关于，也与点亮时间和扫描间隔时间关于。

通过调节电流和时间参数，可以实现髙亮度、髙稳左显示。

动态显示需要电流较大，普通需要在单片机和数码管之间增长驱动电路。

机械有触点开关惯用三种变换方式：

控制系统自带电源方式、外接电源方式、恒流源方式。

29、A/D转换器貳要技术指标：

1）转换时间和转换速度。

转换时间是A/D完毕一次转换所需要时间。

转换时间倒数即为转换速率。

2）辨别率。

A/D转换器辨別率习惯上用输出二进制位数或BCD码位数表达。

12位AD辨别率为1/272。

3）A/D转换精度。

A/D转换精度左义为一种实际A/D转换器与一种抱负A/D转换器在量化值上差值，可用绝对误差和相对误差表达。

控制系统检测信号概括起来有三种：

开关信号（如限位开关、时间继电器等）、模仿信号（如热敏电阻、应变片等）、频率信号（如霍尔速度传感器、超声波无损探伤等）。

1、检测系统定义：

检测系统是机电一体化系统中一种重要构成某些，用于检测关于外界环境及自身状态各种物理量（如力、温度、距离、变形、位置、功率等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将所需要信号检测出来，反馈给控制装置并显示。

实现上述功能传感器及苴信号解决电路就构成了机电一体化系统中检测系统。

检测系统由于使用传感器不同分为模仿式传感器检测系统和数字式传感器检测系统。

2、模仿式传感器检测系统构成，及各某些作用

1）系统构成：

模仿传感器、基本转换电路、量程切换电路、放大电路、调制解调电路、滤波电路、运算电路、模数转换电路、计算中心、显示执行机构、电源等。

2）各某些作用:

模仿传感器负责将被测位移、温度等非电物理量转换成电阻、电容、电感等电参量或直接转换成电压、电流等模仿信号。

基本转换电路负责将电阻、电容、电感等电参疑转换成电压、电流等模仿信号。

呈:

程切换电路：

依照信号不同测量范畴，切换量程，实现髙精度测虽:

。

模数转换电路负责将模仿信号转换为数字信号供CPU解决

振荡器实现信号调制与解调。

3、数字式传感器检测系统构成，及各某些作用

1）系统构成：

数字传感器、放大电路、整形电路、分频电路、辩向电路、计数电路、寄存电路、计算机和显示执行机构构成。

2）各某些作用：

数字传感器负责将检测物理量转换成数字式脉冲信号，脉冲频率表达物理量大小。

放大电路和整形电路负责将不规则脉冲信号调肖成原则数字脉冲信号，幅度和上升下降沿适合后续测量。

分频电路也叫细分电路，目是提高计数精度。

辩向电路

辨认信号是增大还是减小。

计数器负责脉冲计数。

计算机依照计数成果控制和显示。

4、机电一体化对检测系统在性能方面规定：

精度、敏捷度和辨别率高：

线性、稳左性和重复性好：

抗干扰能力强，静、动态特性好。

此外，某些系统对传感器及其检测系统提出了某些特殊规泄，如体积小、重量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。

5、传感器概念

传感器是一种以一泄精度将被测物理量转换为与之有拟立相应关系、易于测量某种电参数物理疑测量部件或装程。

被测物理量可以是力、温度、位移、速度、位置等。

电参数物理量可以是电阻、电容、电感、电压、电流等。

普通由敏感元件、转换元件和基本转换电路三某些构成。

6、传感器分类

按被测物理量分为：

位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。

按传感器工作物理原理分为：

电阻式、电感式、电容式、光电式等等。

7、传感器静态特性

所谓静态特性是指当被测量处在稳定状态时，传感器输出与输入关系特性。

衡量传感器静态特性重要指标有线性度、敏捷度、迟滞、重复性、辨别力、零漂、精度等。

8、传感器动态特性

动态特性反映了被测量迅速变化时，传感器性能。

在运用传感器测量动态压力、振动等随时间迅速变化参数时，需要考察传感器动态特性。

衡量传感器动态特性重要指标有时域指标和频域指标。

2、计算机接口技术概括起来普通分为如下几种：

■人机交互接口技术。

普通涉及键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术等。

■计算机过程输入接口技术。

普通涉及AD转换接口技术、频率量输入接口技术、开关量输入接口技术等。

■计算机过程输出接口技术。

普通涉及DA转换接口技术、频率量输出接口技术、开关量输出接口技术等。

■系统间通信接口技术。

普通涉及CAN通信技术、RS232、RS485通信技术等。

10、机电一体化构成要素

任何一种机电一体化产品或系统都是由控制单元、检测单元、执行单元、机械本体和动力源等五个要素构成。

各要素之间关系如下图所示。

检测传

21、结合下图阐明光电式转速传感器工作原理:

1）光电式转速传感器由安装在被测轴上带缝隙圆盘、光源、光电接受器件和批示缝隙盘构

成，如图所示。

2）光源发出光通过缝隙圆盘和批示缝隙照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等电脉冲。

3）依照测量时间t内脉冲数N,可得转速为n=60N/（Zt）»其中,t为测量时间⑸,Z为圆盘上缝隙数。

普通取Zt=60X10m（m=0J,2,-.）o

28、下图为典型同相输入高阻抗放大器，运用虚短和虚断原则分析其差模增益?

（2）电路分析：

根据运放虚短和虚断的特性可以得到

=师塔而2①哙s=“+需紺血诃〉②为了保证共模抑制比，要求电路结构对称，取他/心二心/心，带入公式②则放大器输出为，亿=（1+害）（6-S）,差模增益：

（1+-y-j

30.下图为典型高共模抑制比差动放大器，运用虚短和虚断原则分析其差模増益？

根据运放虚短和虚断的特性可以得到:

将（2.40）带入（2.39）得’

为了保证共模抑制比，要求电路结构对称，若取

则上式变为:

[Jn=工（%-血）（2.42）

由公式2.42可知，电.路的差模增益为吃/R-共模増益为零，共模抑制比（差模増益与共模増益之比）为无穷大。

在这种放大器中，若委改变差模増益比/儿，必须同时改变电阻金和人?

。

36.下图是双电源差分电路原理图，分析其工作原理及传递函数。

1）电路采用对称双直流电源供电，传感器一对差分阻抗构成分压器两臂。

2）任平衡时，Zl=Z2=Z0,电路输出为0；

3）当被测量发生变化时，传感骼阻抗也随之双向变化，设变化量为AZ.则

Zl=Z0+AZ,Z2=Z0-A乙

4）于是可得阻抗变化与输出电压关系，如公式（2.47）所示.输出电压反映被测量变化。

+认,

37.下图是桥式差分电路原理图，分析其工作原理及传递函数。

1）电路采用单直流电源供电，两个阻抗元件Z中点接地，构成对称供电形式。

2）传感器一对差分阻抗构成桥式差分电路此外两臂，在平衡时，Z1=Z2=ZO>电路输出为0；

3）当被测量发生变化时，传感器阻抗也随之双向变化，设变化呈:

为AZ,则Zl=Z0+A

乙Z2=Z0-AZo

4）于是可得阻抗变化与输出电压关系，如公式（2.48）所示。

输出电压反映被测量变化。

=^xAZ二-（2-48）

41、下图中，VS1和VS2为5V稳压管，试阐明电路名称、功能，并绘制输入输出电压关

系图。

1）需称：

反相输入过零比较器2）功能：

当输入信号Ui>0时，比较器输出信号Uo<0,且由于VS1、VS2和R限幅作

用，使得比较器输出为Uo=-5.7V：

当UivO时，比较器输出信号Uo>0,且Uo=5.7Vo

3）输入输岀电压关系图如图所示，其中UZ=5V,UD=0.7Vo

15.设计一种基于三极管状态批示灯控制电路，并阐明电路工作原理。

1）三极管作用是电流放大，电阻作用是限立电流，使流过LED电流刚好不不大于点亮电

流:

2）当单片机输出髙电平时，三极管截止，LED灯不亮:

3）当单片机输出低电平时，三极管导通，LED灯点亮。

17、对于共阳极数码管，若纸b.c.队e.f.g.dp控制引脚状态依次为（）0000011,则显

示值为数字“0”:

对于共阴极数码管，若趴爪c.d.e.Lg.dp控制引脚状态依次为

10011110测显示值为字符“E”o

共阴极数包管控別

昱示结果

共阳极叛咼管揑制

显示结果

0x3f

OxcO

Dx5b

0xa4

3x07

OxfS

3x79

0xS6

38.下图为开关量整形与电平变换典型电路图，试阐明电路中各元件作用及功能。

1、FB5、CT5、C17作用:

去除毛刺尖峰;

2、Rl、WD1作用：

运用稳压管WD1设立导通门限电压为30V,不不大于30V,导通,

不大于30V截止，提髙抗干扰能力；

3、光耦TLP1作用：

电气隔离与电平转换；

4、斯密特触发器U10作用：

波形整形，转换成原则方波信号：

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