机电系统创新设计与实用技术.docx

1、机电系统创新设计与实用技术机电系统创新设计与实用技术研讨班课程报告指导老师：韩 良2011年12月29日第1章 机电系统实用技术实验31.1 A/D,D/A板卡实验3 1.1.1 A/D,D/A板卡实验流程3 1.1.2 总结与收获101.2 电涡流位移传感器实验11 1.2.1 电涡流位移传感器实验流程11 1.2.2 总结与收获161.3 振动料斗实验17 1.3.1 振动料斗实验流程171.3.2 总结与收获19第2章 自行车拆装实验202.1 自行车的结构组成202.2 拆装过程212.3 总结与收获25第3章 生活观察263.1 生活观察PPT263.2 WORD文档353.3 生活

2、观察总结37第4章 创新实践384.1 创新实践PPT384.2 WORD文档434.3 创新实践总结44第5章 心得与收获45参考文献46第1章 机电系统实用技术实验机电系统实用技术包含，传感器与检测技术，自动控制技术，伺服驱动技术，计算机控制与信息处理技术，数控机床的维修技术等。掌握这些技术，对于我们机械工程学院的学生而言，无疑具有巨大的重要性。在机电系统创新设计与实用技术这门课程的学习过程中，我们先后分别做了A/D、D/A板卡实验，电涡流位移传感器实验，以及振动料斗实验。A/D板卡可以将连续变化的模拟信号转化为数字信号，以便计算机进行处理，是微型机应用系统中的一种重要接口，常用于数据采集

3、系统。D/A板卡可以将数字量转化为相应的模拟量，用以驱动执行机构，常用于死循环控制系统和信号发生器。1.1 A/D,D/A板卡实验 在工业生产中，需要测量和控制的对象往往是连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移等。为了利用计算机实现对工业生产过程地自动监测和控制，首先必须要能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量；其次，还要能够将计算机发出的控制命令转化为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这样两个过程就需要A/D、D/A板卡来完成。1.1.1 A/D,D/A板卡实验流程一 实验目的1. 了解A/D,D/A板卡相关知识；2. 熟悉PC7429和P

4、C7462板卡的基本原理、性能参数以及使用方法；3. 掌握利用PC7429和PC7462板卡进行A/D、D/A转换的编程方法；二 实验设备 PC7429板卡、PC7462板卡、工控机、模拟示波器、信号发生器、37针接插件、导线若干三 实验原理1.PC-7429 12位16路1MHz转换速率高速存储式A/D板PC-7429是一种高性能价格比的高速存储A/D板，设计时考虑为用户提供尽可能高的A/D采样性能，可广泛应用于各种高速模拟信号的测量分析，多路信号扫描采集。符合PC总线标准。主要特点、性能： 通道：16路单端输入 自动通道扫描（800KHZ） 量程：输入05V或5V 分辨率：12位，AD16

5、71芯片 转换速度：1MHz（单通道最大达1.25MHz） 误差：1.5LSB，精度0.3% A/D工作方式：软件启动、外触发（上升沿）、外时钟同步 定时器基准：200nS，16位定时器（8254） 读数方式：16位操作，顺序读入 程控采样速率：1MHz100Hz(可编程) RAM容量：64KB采样点，采样长度可程控（1-64K，由16位计数器控制） I/O地址：03F0H任选，出厂是：21021FH 输入阻抗：10M 中断：IRQ10、11、12任选其一 外形尺寸：240mm（长）106mm（宽）（1）地址设置地址设定 板上占用4条地址线A0-A3，参与GAL译码，余下的6条I/O译码地址（

6、A4-A9），参与LS688比较器，由XF3 6位跳线器选择开关选择，其定义如下：（XF3） 1 2 3 4 5 6 A4 A5 A6 A7 A8 A9跳线器短路时，相应地址位为“0”；断开时，相应地址位为“1”。 例：欲选择操作地址为210H-21FH，XF3的设定方法如下： 1 2 3 4 5 6 OFF ON ON ON ON OFF A4 A5 A6 A7 A8 A9 A0-A3地址（16个）由PC7429板占用，分配如下： 基地址 读操作 写操作212HA/D状态,STATE=0转换结束模拟输入的通道号CH215H启动A/D转换RUN210 211H . 16位操作,读转换数据216

7、H系统分位REW213H工作模式MODE21CH采样长度计数器LD21EH定时器，控制采样速度TD 21FH定时器/计数器控制寄存器（2）安装： 关掉主机电源，打开机箱 将板上跳线设置检查一遍，出厂为：210H，IRQ10，单极性 将PC7429插入一个“AT”（16位）总线槽，并固定好 将所有的外部连线接好，盖上机箱（3）编程框图： 设置： 设置MODE，模式 设置定时器 设置采样长度 （地址计数器） 设置A/D通道号CH写 复位REW 启动A/D，RUN END 读数： STATE的D0？=0，A/D？END YES - - - - - - - - - - 写REW，复位 读数据附例程序：

8、SAMPLE.C的程序例# include Int i,j,k; int data10000; /* 数据*/ unsigned int td,ld; /*td: data of timer 定时器数据*/ /*ld: data of adr.counter 计数器数据*/ main() td=100; ld=10000; /*set mode*/ outp(0x213,0); /*模式*/ /*timer 定时器设置*/ outp(0x21f,0xb4); j=td/256; i=td-j*256; outp(0x21e,i); /*低8位*/ outp(0x21e,j); /*高8位*/

9、/*adr.counter */ /*采样长度*/ outp(0x21f,0x32); j=ld/256; i=ld-j*256; outp(0x21c,i); /* 低8位*/ outp(0x21c,j); /* 高8位*/ /*channel number*/ outp(0x212,3); /*通道号，=3*/ /*rew*/ outp(0x216,0); /*复位*/ /*start*/ outp(0x215,0); /*启动*/ /*if A/D end A/D 是否完?*/ do i=inp(0x212)& 1; while(i!=0); /*rew & read data*/ ou

10、tp(0x216,0); /* 复位*/ for(i=0;ild;i+) datai=inpw(0x210); /*读数*/ 以上程序是对第“3”号通道采样，长度为“10000”，周期为100*0.2=20US，50KHZ2. PC-7462 12位8路独立光电隔离D/A转换板PC-7462 是面向工业过程而设计的12位8路光电隔离独立模拟量输出接口板，符合PC总线标准（ISA），适合于所有PC机。本板采用光电隔离技术，使被控对象同计算机之间完全电气隔离。可在恶劣环境下的工业现场工作。供电方式为电源隔离模块供电（电流输出方式可选择外供电*）。D/A转换芯片选用BB公司高性能的7625，每片集成

11、4路D/A转换器。（打*为出厂方式） PC-7462 12位8路光电隔离模拟量输出接口板具有适用范围广、电压输出量程多、操作使用简单、抗干扰能力强等特点，用户可根据控制对象的需要，选择电压或电流输出方式输出。输出信号由XS1 37D型孔头接出。PC-7462 板上占用 10条地址线（A0A9），操作I/O地址范围000H3F0H，出厂时定为300H307H*。PC-7462 具有很高的性价比，深受用户欢迎。本板出厂时提供DOS、Win95下测试程序和动态链接库（DLL）及其调用格式。性能特点：（1）输出通道数：8路（前四路与后四路可同时或分别输出）（2）输出信号范围：电压方式：05V；010V

12、*；5V；10V；电流方式：420mA（3）输出阻抗：2(4)D/A转换器件：DAC7625(5)D/A转换分辨率：12位（6）I/O地址：在03F0H之间任选4个，出厂为：300307H*（7）D/A转换码制：二进制原码（单极性）二进制偏移码（双极性）(8)D/A转换建立时间：5uS(不含隔离传输延迟时间)（9）D/A转换综合误差：电压方式：0.2 FSR 电流方式：1 FSR（10）电压输出方式负载能力：5mA/每路（11）电流输出方式负载电阻范围：400（12）隔离方式：总线高速光电隔离型器件（13）隔离电压：500V（14）电源功耗： 全电压输出方式：4W* 全电流输出方式：5W（15

13、）使用环境要求： 工作温度：050 存储温度：-55+85（16）外型尺寸： 185mm（长）108mm（宽）原理框图(见下图)：基地址设置 PC-7462 板上占用10条系统地址线（A0A9），A3A9参与LS688地址译码，由SW 七位拨码开关选择。首址称为基地址（BASE），余下的地址由GAL编程分配，SW其17号位置对应选择地址A3A9，地址按二进制方式排列。定义如下： SW： 1 2 3 4 5 6 7ONON ON ON ON OFFOFF A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9说明：“OFF”表示跳线器为1 “ON”表示跳线器短路为0*出厂时设定为300H307H，见上图。I/

14、O端口地址功能说明：端口地址写操作读操作BASE+00H写D/A低8位数据启动第一路D/ABASE+01H写D/A高4位数据启动第二路D/ABASE+02H启动第三路D/ABASE+03H启动第四路D/ABASE+04H启动第五路D/ABASE+05H启动第六路D/ABASE+06H启动第七路D/ABASE+07H启动第八路D/A附例程序：Tubro C3.0语言 功能：使第一路第八路分别输出1.25V(0x1ff)、2.5V(0x3ff)、3.75V(0x5ff)、5V(0x7ff)、6.25V(0x9ff)、7.5V(0xbff)、8.75V(0xdff)、10V(0xfff);#incl

15、ude #include #include void main() int i, j; int BaseAddress=0x300; /定义基地址 int da8; clrscr(); /清屏 for(i=1;i9;i+) /18路循环 outportb(BaseAddress,0xff); /送低8位数据 for(j=0;j2000;j+); /延时 outportb(BaseAddress+1,i*0x02-0x01); /送高4位 for(j=0;j2000;j+); dai-1=inportb(BaseAddress+i-1); /启动D/A for(j=0;j2000;j+);pri

16、ntf(“D/A CHANGE OVER!”);3.实验框图本实验首先通过信号发生器产生一个正弦波，经PC7429板卡AD采样后，再经PC7462板卡DA输出，输出波形用示波器来观察。为了和信号发生器的输出波形相比较，把信号发生器的输出波形和示波器的通道一相连。同时，把PC7462板卡的输出波形与示波器的通道二相连，两波形相比较。本实验的硬件连接图如图1所示。图1 实验框图在具体的编程中，需要注意以下两个方面： a. PC7429基地址：210H；PC7462基地址：200H； b. A/D采样长度选1；四 实验步骤1. 参照图1完成电路连接；2. 分别进行A/D、D/A的初调试，确保A/D、

17、D/A的正确连通；3. 键入事先编好的程序，进行调试，观察示波器上两通道的波形，直到D/A通道输出较光滑的波形，并与A/D通道的波形趋势一致；五 参考程序1. A/D程序片段clrscr();outp(0x213,0x04);/*set mode*/outp(0x21f,0xb4);/*timer*/outp(0x21e,100);/*low 8 byte*/outp(0x21e,0);/*high 8 byte*/outp(0x21f,0x32);outp(0x21c,0x01);/*low 8 byte*/outp(0x21c,0x00);/*high 8 byte*/outp(0x212

18、,0);/*channel number*/outp(0x216,0);outp(0x215,0);do i=inp(0x212)& 1;while(i!=0);2. D/A程序片段while(1) for(i=0;i50;i+) data0i=sin(2.00*3.1415926/50.00*(float)i)*2048+2047; hb=data0i/256; lb=data0i-hb*256; outportb(Address,lb); for(j=0;j2000;j+); outportb(Address+1,hb); for(j=0;j2000;j+) data0i=inportb(

19、Address); for(j=0;j2000;j+); 1.1.2 总结与收获在做这个实验之前，我对A/D、D/A板卡知之甚少。只知道A代表Analog，模拟量，D代表Digital，数字量。只知道A/D板卡可以将连续变化的模拟信号转化为数字信号，以便计算机进行处理，是微型机应用系统中的一种重要接口，常用于数据采集系统；而D/A板卡可以将数字量转化为相应的模拟量，用以驱动执行机构，常用于死循环控制系统和信号发生器。至于它们的工作原理和工作方式，则完全不了解。做了这个实验之后，我对它们的工作原理和工作方式有了一定的了解，但由于实验时间有限，对很多低层的原理还是丈二和尚摸不着头脑。这个问题直至我

20、学习了微机原理与接口技术这一课程的相关章节后才得以解决。这个实验对于我而言最大的价值便是，让我了解了A/D、D/A板卡的使用场合和使用方法。在以后的学习、工作过程中，当我需要对一个工业过程进行自动控制时，我可以用传感器将工业现场的非电物理量转换成电信号，经变送器传至信号处理环节，再经多路转换开关、采样保持电路传至A/D转换器，将模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号。计算机处理完这信号后，为保持数字量的稳定，加一级锁存器，然后将信号给D/A转换器，产生相应的模拟量，再经整形滤波、驱动放大传至执行器件，从而实现对工业现场实行控制。1.2 电涡流位移传感器实验电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线

21、性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。1.2.1 电涡流位移传感器实验流程一 实验目的1. 了解TR81系列电涡流位移传感器工作原理；2. 熟悉实验仪器，搭建传感器使用电路，掌

22、握传感器使用过程中的注意事项； 二 实验设备电源（输出电压15V18V）、数字万用表、探头、11mm延伸电缆、02前置器、DZ-30位移静校仪、百分表三 实验原理 1.电涡流效应 图3 传感器原理框图图2 电涡流作用原理传感器的系统工作机理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。如果在磁场H1的范围内没有金属导体材料接近，则发射出去的交变磁场的能量会全部释放；反之，如果有金属导体材料靠近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用

23、，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗。这种变化既与电涡流效应有关，又与静磁学有关，即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离参数有关。假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈金属导体系统的物理性质通常可由金属导体的磁导率、电导率、尺寸因子r、线圈与金属导体的距离，线圈激励电流强度I和频率等参数来描述。因此线圈的阻抗可用函数Z=F（，r，I，）来表示。如果控制，r，I，恒定不变，那么阻抗Z就成为距离的单值函数，由麦克斯韦尔公式可以求得此函数为一非线性函数，其曲线为“S”形曲线，在一定范围内可以近似为一线性

24、函数。图4 传感器输出特性曲线在实际应用中，通常是将线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理转换成电压或电流输出。这个电子线路并不是直接测量线圈的阻抗，而是采用并联諧振法，见图2，即在前置器中将一个固定电容和探头线圈LX并联并与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振幅UX与线圈阻抗成正比，因此振荡器的振幅UX会随探头与被测间距的改变而改变。UX经检波、滤波、放大、非线性修正后输出电压UO，UO与的关系曲线如图3所示，可以看出该曲线呈“S”形，即在线性区中点O处（对应输出电压UO）线性最好，其斜率（即灵敏度）较大，在线性区两端，斜率（即灵敏度）逐渐下降，线性变差。（1，

25、U1）为线性起点，2， U2）为线性末点。2.TR81系列电涡流位移传感器图5 电涡流位移传感器 系统主要包括探头、延伸电缆（用户可以根据需要选择）、前置器和附件。前置器有三种安装方式（称为：01前置器、02前置器、03前置器，参见附录）。以01前置器为例，系统组成见图4。（1）探头探头对正被测体表面，它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。通常探头由线圈、头部、壳体、高频电缆、高频接头组成，其典型结构见图5所示。图6 探头典型结构线圈是探头的核心，它是传感器系统的敏感元件，线圈的物理尺寸和电气参数决定传感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性。 探头头部体采用耐高温PPS工程塑

26、料，通过“二次注朔”成型将线圈密封其中。这项技术增强了探头头部的强度和密封性，在恶劣的环境中可以保护头部线圈能可靠工作。头部直径取决于其内部线圈直径，由于线圈直径决定传感器系统的基本性能线性量程，因此我们通常用头部直径来分类和表征各型号探头,一般情况下传感器系统的线性量程大致是探头头部直径的1/21/4倍。我们为TR81系列传感器设计了3、5、8、11、14、18、25、35、36、50、60共11种直径的头部。探头壳体用于支撑探头头部，并作为探头安装时的装夹结构。壳体采用不锈钢制成，一般上面刻有标准螺纹，并备有锁紧螺母。为了能适应不同的应用和安装场合，探头壳体具有不同的形式和不同的螺纹及尺寸

27、规格。高频电缆是用于联接探头头部到前置器（有时中间带有延伸电缆转接），这种电缆是用聚四氟乙烯绝缘的射频同轴电缆，通常电缆长度有0.5m、1m、5m、9m四种选择（见附录A）。当选0.5m和1m时必须用延伸电缆以保证系统的总电缆长度为5m或9m；至于选择5m还是9m应该是考虑能满足将前置器安装在设备机组的同一侧来决定。根据探头的应用场合和安装环境，探头所带电缆可以配有不锈钢软管铠装（可选择），以保护电缆不易被损坏，对于现场安装探头电缆无管道布置的情况，应该选择铠装。探头电缆接头是军用标准高频接头。探头整体各部件通过机械变形联接，在恶劣环境中可以保证探头的稳定性和可靠性。（2）延伸电缆作为系统的一

28、个组成部分，延伸电缆（如图6所示）用来联接和延长探头与前置器之间的距离，您可以对延伸电缆长度和是否需要带铠装进行选择（详见附录），选择延伸电缆的长度应该使延伸电缆长度加探头电缆长度与配前置器所要求的长度一致（5米或9米）。铠装选择的情况同探头电缆。图7 延伸电缆采用延伸电缆的目的是为了减短探头所带电缆长度，对于用螺纹安装探头时，需转动探头，过长的电缆不便于使电缆随探头转动，容易折断电缆。这种情形在探头安装部分有进一步说明。延伸电缆的两端接头不同，带阳螺纹的接头（转接头）与探头联接，带阴螺纹的接头与前置器联接。四 实验步骤图8 实验框图1. 连接电路如图7；2. 装好探头、百分表、千分表或光栅；（安装探头时注意不要只转探头，以免折断线缆）3. 将直流稳压电源的供电电压调到传感器系