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第1章 绪论 1

1.1 机械电子学概述 1

1.1.1 机械电子学与机电一体化 1

1.1.2 机械电子学研究的主要内容 2

1.2 机械电子学的应用与发展 4

1.2.1 机械电子学的典型应用 4

1.2.2 机械电子学的发展前景 6

1.3 以微处理器为基础的机械电子产品设计 7

1.3.1 如何开发机械电子产品 7

1.3.2 利用机械电子学进行机电产品系统设计 11

1.3.3 机电系统的数字化 12

1.4 设计实例——MIT两轮自平衡机器人 14

1.4.1 两轮自平衡机器人的工作原理 14

1.4.2 两轮自平衡机器人的外观和结构 15

1.4.3 两轮自平衡机器人的主要设计步骤 17

参考文献 18

第2章 微处理器及系统和软件 19

2.1 微处理器 20

2.1.1 微处理器的内部组成及相关名词解释 21

2.1.2 嵌入式微处理器 24

2.1.3 微控制器 26

2.1.4 数字信号处理器 27

2.1.5 片上系统 27

2.1.6 可编程逻辑器件 28

2.1.7 微处理器编程语言 30

2.2 PLC 32

2.2.1 PLC的定义和特点 32

2.2.2 PLC的基本结构和工作原理 34

2.2.3 PLC的编程语言 36

2.2.4 PLC控制系统的设计步骤 37

2.3 工业控制计算机 38

2.3.1 工业控制计算机的概念与特点 38

2.3.2 工业控制计算机系统的硬件组成 39

2.3.3 工业控制计算机系统的软件 39

2.4 计算机数控系统 40

2.4.1 计算机数控系统的概念与组成 40

2.4.2 计算机数控系统的软、硬件结构 41

2.5 MIT两轮自平衡机器人的微处理器 44

参考文献 51

第3章 数字式测量与传感器 53

3.1 数字式测量系统的结构与特性 53

3.1.1 数字式测量系统的结构 53

3.1.2 数字式测量的特点与特性 54

3.1.3 数字式测量中的几个重要概念 55

3.2 机械装置中的常用数字传感器 56

3.2.1 光栅传感器 57

3.2.2 激光传感器 62

3.2.3 容栅传感器 67

3.2.4 编码器 69

3.2.5 其他常用传感器 72

3.3 微机电系统传感器 75

3.3.1 MEMS传感器的原理及特点 75

3.3.2 微型力／力矩传感器 76

3.3.3 微型压力传感器 77

3.3.4 微型陀螺 79

3.3.5 微型加速度计 81

3.3.6 其他常见MEMS传感器 82

3.4 图像传感器 83

3.4.1 CCD与CMOS图像传感器 83

3.4.2 线阵CCD测量系统的应用 86

3.4.3 图像识别及其应用 88

3.5 MIT两轮自平衡机器人中应用的传感器 89

参考文献 90

第4章 信号的调节与数字化变换 92

4.1 前向通道中的信号与特点 92

4.1.1 前向通道的特点 92

4.1.2 前向通道中的信号与结构 92

4.2 模拟信号的调节和数字化变换 94

4.2.1 信号的分离 94

4.2.2 信号的放大 96

4.2.3 模拟信号的数字化变换 99

4.2.4 信号的细分 101

4.3 光电隔离和信号传输 106

4.3.1 信号的光电隔离 106

4.3.2 电源隔离 106

4.4 数字信号的处理和分析基础 108

4.4.1 傅里叶变换与Z变换 108

4.4.2 数字滤波器 112

4.4.3 频谱分析 114

4.5 后向通道的信号与特点 116

4.5.1 后向通道的特点 116

4.5.2 后向通道的信号与结构 116

4.5.3 后向通道的功率驱动 116

4.6 MIT两轮自平衡机器人的传感器和信号处理 119

4.6.1 传感器的信号输入 119

4.6.2 倾斜角计算原理 120

4.6.3 信号滤波 120

参考文献 122

第5章 伺服执行器与数字执行器 124

5.1 执行机构概述 124

5.1.1 执行机构的性能要求 124

5.1.2 执行机构的种类及原理 124

5.2 直流电动机和交流电动机 126

5.2.1 直流电动机 126

5.2.2 交流电动机 129

5.3 伺服执行器 130

5.3.1 步进电动机 130

5.3.2 直流伺服电动机 136

5.3.3 交流伺服电动机 141

5.4 数字执行器 144

5.4.1 直线电动机 145

5.4.2 数字液压缸 148

5.5 MIT两轮自平衡机器人中的执行电动机和调速方式 151

参考文献 153

第6章 总线、接口与通信 154

6.1 数字电路片间总线 155

6.1.1 I2C总线 155

6.1.2 SPI总线 156

6.2 串行通信总线与接口 158

6.2.1 串行通信总线简介 158

6.2.2 RS-232C总线 159

6.2.3 RS-422与RS-485总线 162

6.2.4 通用串行总线 167

6.3 工业现场总线 169

6.3.1 CAN总线与接口通信技术 169

6.3.2 PROFIBUS总线与接口通信 174

6.3.3 工业以太网 176

6.4 工业无线通信 179

6.4.1 无线短程网 180

6.4.2 无线局域网 182

6.5 MIT两轮自平衡机器人中的总线和通信 183

参考文献 185

第7章 数字控制系统与模型设计 187

7.1 数字控制系统的组成 187

7.1.1 硬件部分 187

7.1.2 软件部分 188

7.2 数字控制系统的分类及特点 188

7.2.1 按控制方式分 188

7.2.2 按系统的功能分 189

7.3 数字控制系统的模型设计 193

7.3.1 数字控制系统的数学描述 193

7.3.2 数字控制系统的模拟化设计 198

7.3.3 数字控制系统的离散化设计方法 202

7.3.4 数字PID控制器设计 205

7.4 智能控制基础 209

7.4.1 模糊控制 209

7.4.2 人工神经网络 211

7.4.3 专家系统 212

7.5 MIT两轮自平衡机器人的平衡算法 213

参考文献 215