内容简介
本书是一本讲解机电一体化理论与实践的经典著作。全书分为五个部分32章，前四个部分主要讲解机电一体化涉及的专业知识，第五部分以项目开发为例，介绍机电一体化集成解决方案和组织管理方法。部分为概述，主要介绍本书的结构及使用方法。部分介绍软件，讨论了微控制器，微控制器的数学和数字操作，编程语言，嵌入式系统的程序结构，软件设计，处理器间通信，以及微控制器外设。第三部分讲解电子学，讨论了基本电路分析及无源元件，半导体，运算放大器，实际运算放大器与比较器，传感器，信号调理，有源数字滤波器，数字输入/输出，数字输出和电路驱动，数字逻辑和集成电路，A/D和D/A转换器，稳压器、电源和电池，以及噪声、接地和隔离。第四部分介绍执行器，讨论了永磁有刷直流电机的特，永磁有刷直流电机的应用，螺线管，无刷直流电机，电机，其他执行器技术，以及基本闭环控制。第五部分讲解机电一体化项目与系统工程，讨论了快速原型制作，项目规划和管理，故障排查，以及机电一体化系统集成与融合。
目录
目 录部分 概 述第1章 全书概览 21.1 写作理念 31.2 内容结构 31.3 读者范围 31.4 本书的使用方法 41.5 结 4参考文献 4部分 软 件第2章 微控制器 62.1 引言 62.2 什么是“微”设备 62.3 微处理器、微控制器、数字信号处理器等 62.4 微控制器架构 72.5 中央处理单元 82.5.1 在数字域中表示数字 92.5.2 算术逻辑单元 92.6 数线和地线 102.7 内存 102.8 子系统和外设 112.9 冯·诺依曼架构 122.10 哈佛架构 142.11 实例 152.11.1 Freescale MC9S12C32微控制器 152.11.2 Microchip PIC12F609微控制器 172.12 获取更多信息 192.13 19第3章 微控制器的数学和数字操作 213.1 引言 213.2 基数和计数 213.3 表示负数 243.4 数据类型 253.5 常见数据类型的大小 263.6 固定长度变量的计算方法 263.7 模运算 273.8 数学快捷键 283.9 布尔代数 283.10 操作单个字节 293.11 测试单个位 303.12 31第4章 编程语言 334.1 引言 334.2 机器语言 344.3 汇编语言 344.4 语言 354.5 解释器 354.6 编译器 364.7 混合编译/解释器 374.8 集成开发环境(IDE) 394.9 选择一种编程语言 394.10 40参考文献 40第5章 嵌入式系统的程序结构 415.1 背景 415.2 事件驱动编程 415.3 事件检测器 425.4 服务 445.5 事件驱动程序的建立 455.6 示例 465.7 事件驱动编程综述 475.8 状态机 485.9 软件状态机 495.10 蟑螂示例的状态机 515.11 52参考文献 53第6章 软件设计 546.1 引言 546.2 软件设计与房屋建造 546.3 软件设计技术简介 556.3.1 分解 556.3.2 抽象、信息隐藏 556.3.3 伪代码 566.4 软件设计流程 576.4.1 需求分析 586.4.2 定义程序结构 586.4.3 能规范 596.4.4 接口规范 596.4.5 详细设计 596.4.6 实现 596.4.7 单元测试 616.4.8 集成 616.5 示例 616.5.1 莫尔斯码接收机的需求分析 626.5.2 莫尔斯码接收机的系统架构 626.5.3 莫尔斯码接收机的软件架构 636.5.4 莫尔斯码接收机的能规范 656.5.5 莫尔斯码接收机的接口规范 656.5.6 莫尔斯码接收机的详细设计 676.5.7 莫尔斯码接收机的实现 766.5.8 莫尔斯码接收机的单元测试 766.5.9 莫尔斯码接收机的集成 776.6 78参考文献 78第7章 处理器间通信 797.1 引言 797.2 没有媒质没有消息 797.3 位并行和位串行通信 807.3.1 位串行通信 817.3.2 位并行通信 887.4 信号 897.4.1 TTL/CMOS 897.4.2 RS-232 897.4.3 RS-485 907.5 带限信道上的通信 917.5.1 有限的带宽和调制解调器 917.6 红外光通信 937.7 无线电通信 947.7.1 RF遥控器 957.7.2 RF数据链路 957.7.3 RF网络 957.8 95参考文献 96扩展阅读 96第8章 微控制器外设 978.1 访问控制寄存器 978.2 并行输入/输出子系统 978.2.1 数据方向存储器 988.2.2 输入/输出寄存器 988.2.3 共能引脚 998.3 定时器子系统 998.3.1 定时器基础 1008.3.2 定时器溢出 1008.3.3 输出比较 1018.3.4 输入捕获 1028.3.5 基于输入捕获和输出比较的发动机控制 1038.4 脉冲宽度调制(PWM) 1048.5 PWM使用输出比较系统 1058.6 模数(A/D)转换器子系统 1068.6.1 A/D转换过程 1068.6.2 A/D转换器时钟 1078.6.3 自动A/D转换处理 1078.7 中断 1078.8 108参考文献 108第三部分 电 子 学第9章 基本电路分析及无源元件 1109.1 电压、电流率 1109.2 电路和地 1119.3 相关定律 1129.4 电阻 1139.4.1 串联电阻和并联电阻 1149.4.2 分压器 1159.5 戴维南等效电路 1159.6 电容 1169.6.1 串联电容和并联电容 1179.6.2 电容和时变信号 1189.7 电感 1199.7.1 电感和时变信号 1209.8 时域法和频域法 1209.9 含多种元件的电路分析 1219.9.1 基本RC电路结构 1219.9.2 低通RC滤波器的时域特 1219.9.3 高通RC滤波器的时域特 1239.9.4 RL电路的时域特 1249.9.5 低通RC滤波器的频域特 1259.9.6 高通RC滤波器的频域特 1269.9.7 直流偏压的高通RC滤波器 1279.10 仿真工具 1289.10.1 仿真工具的局限 1289.11 实际电压源 1289.12 实际测量 1299.12.1 电压测量 1299.12.2 电流测量 1309.13 实际电阻 1309.13.1 实际电阻模型 1309.13.2 电阻构造基础 1309.13.3 碳膜电阻 1319.13.4 金属膜电阻 1329.13.5 电阻耗 1329.13.6 电位器 1339.13.7 电阻的选择 1349.14 实际电容 1349.14.1 实际电容模型 1359.14.2 电容构造基础 1359.14.3 极和非极电容 1369.14.4 陶瓷圆盘电容 1369.14.5 多层陶瓷电容(独石电容) 1369.14.6 铝电解电容 1369.14.7 钽电容 1379.14.8 薄膜电容 1379.14.9 双电层电容/电容 1389.14.10 电容标识 1389.14.11 电容的选择 1409.15 140扩展阅读 142第10章 半导体 14310.1 掺杂、空穴和电子 14310.2 二极管 14410.2.1 二极管的V-I特 14410.2.2 Vf的大小 14510.2.3 反向恢复 14510.2.4 肖特基二极管 14510.2.5 齐纳二极管 14610.2.6 发光二极管 14710.2.7 光电二极管 14710.3 双极结型晶体管(BJT) 14810.3.1 复合晶体管对(达林顿对) 15110.3.2 光电晶体管 15210.4 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 15210.5 如何选择BJT和MOSFET 15510.5.1 何时BJT是好()的选择 15510.5.2 何时MOSFET是好()的选择 15510.5.3 当MOSFET和BJT均可行时如何选择 15610.6 多晶体管电路 15610.7 查阅晶体管数据表 15710.7.1 查阅BJT数据表 15710.7.2 查阅MOSFET数据表 15910.7.3 应用实例 16010.7.4 各种晶体管电路 16110.8 162扩展阅读 166第11章 运算放大器 16711.1 运算放大器的特征 16711.2 负反馈 16711.3 理想运算放大器 16811.4 分析运算放大器电路 16811.4.1 黄金准则 16811.4.2 同相运算放大器结构 16811.4.3 反相运算放大器结构 16911.4.4 单位增益缓冲器 17111.4.5 差分放大器结构 17211.4.6 求和器结构 17311.4.7 跨阻放大器结构 17411.4.8 运算放大器上的计算 17411.5 比较器 17511.5.1 比较器电路 17611.6 178扩展阅读 179第12章 实际运算放大器与比较器 18012.1 实际运算放大器的特――理想假设的失效 18012.1.1 非无穷大增益 18012.1.2 开环增益随频率的变化 18112.1.3 输入电流不为零 18112.1.4 输出电压源的非理想特 18212.1.5 其他非理想特 18312.2 查阅运算放大器数据表 18512.2.1 大值、小值和典型值 18512.2.2 数据表首页 18512.2.3 大定额 18612.2.4 电气特 18712.2.5 封装 18912.2.6 典型应用 18912.3 比较器数据表的读取 18912.3.1 比较器封装 19012.4 运算放大器的对比 19012.5 192扩展阅读 193第13章 传感器 19413.1 引言 19413.2 传感器输出和微控制器输入 19413.3 传感器设计 19513.3.1 用热敏电阻测量温度 19513.3.2 测量加速度 19513.3.3 传感器能术语定义 19613.4 基本传感器与接口电路 20213.4.1 开关传感器 20213.4.2 开关接口 20313.4.3 电阻式传感器 20513.4.4 电阻式传感器接口 20513.4.5 电容式传感器 20813.4.6 电容式传感器接口 20813.5 传感器纵览 20913.5.1 光敏元件 20913.5.2 应变传感器 21513.5.3 温度传感器 21813.5.4 磁场传感器 22213.5.5 传感器 22413.5.6 位置传感器 22513.5.7 加速度传感器 23113.5.8 压力传感器 23213.5.9 压强传感器 23313.6 235参考文献 237扩展阅读 237第14章 信号调理 23814.1 信号调理的基本操作 23814.2 去除偏置 23814.2.1 放大值与偏置的相对值 23914.2.2 交流耦合的偏置去除 24014.3 放大 24114.3.1 直流耦合多级放大 24114.3.2 交流耦合多级放大 24214.4 滤波 24214.4.1 滤波器相关的专业术语 24214.4.2 噪声 24314.4.3 无源滤波器 24414.5 其他信号调理技术 24514.5.1 仪表放大器 24514.5.2 峰值检测 24614.6 实例分析 24714.6.1 幅度信息提取 24714.6.2 定时信息提取 24814.7 250扩展阅读 250第15章 有源数字滤波器 25115.1 有源滤波器 25115.1.1 相位延迟 25115.1.2 滤波器响应特 25215.1.3 有源滤波器的拓扑结构 25215.2 数字技术 25615.2.1 数字滤波 25615.2.2 数字信号处理 25815.2.3 同步采样 25915.3 259参考文献 260扩展阅读 260第16章 数字输入/输出 26116.1 引言 26116.2 逻辑状态表示 26116.3 数字器件的理想特 26116.4 数字器件的实际特 26216.5 查阅数据表 26316.6 数字输入 26316.6.1 输入电压要求 26416.6.2 输入电流要求 26616.6.3 上拉电阻和下拉电阻 26616.6.4 数字输入时序 26816.7 数字输出 27016.7.1 数字输出电压和电流 27016.7.2 数字输出的时序特 27116.8 输入、输出匹配 27216.8.1 匹配 27216.8.2 悬空和不确定输入端的上拉和下拉 27316.8.3 不兼容器件 27616.9 279第17章 数字输出和电路驱动 28217.1 图腾柱输出 28217.1.1 图腾柱输出特 28317.2 集电极开路/漏极开路输出 28417.2.1 集电极开路/漏极开路输出特 28517.3 三态输出 28617.3.1 三态输出特 28617.4 低端驱动器 28717.4.1 低端驱动器数据表 28817.5 驱动器 28817.5.1 驱动器数据表 28917.6 半桥和全桥 28917.6.1 击穿电流和死区时间 29017.6.2 H桥数据表 29017.7 温升问题 29117.8 293扩展阅读 293第18章 数字逻辑和集成电路 29418.1 基本组合逻辑 29418.1.1 真值表 29518.1.2 用组合逻辑描述微控制器子系统 29518.2 组合逻能实现 29518.2.1 数字比较器 29618.2.2 数字多路复用器 29618.2.3 解码器 29718.3 时序逻辑 29718.4 时序逻能实现 29818.4.1 D触发器 29818.4.2 J-K触发器 29818.4.3 计数器 29818.4.4 移位寄存器 30018.5 逻辑系列 30018.6 基于逻辑器件的微控制能扩展 30118.6.1 基于多路复用器的输能扩展 30118.6.2 基于解码器的输能扩展 30218.6.3 基于移位寄存器的输能扩展 30218.6.4 基于移位寄存器的输能扩展 30418.6.5 使用SPI子系统与移位寄存器 30518.7 555定时器 30518.7.1 555定时器的内部结构 30518.7.2 非稳态操作 30618.7.3 单稳态操作 30618.7.4 其他用途的555定时器 30718.8 307参考文献 308第19章 A/D和D/A转换器 30919.1 数字域和模拟域的接口 30919.2 连续信号的数字化 31019.3 A/D和D/A转换器的能 31119.3.1 理想A/D转换器的能 31319.3.2 A/D转换器的误差 31419.3.3 理想D/A转换器的能 31519.3.4 D/A转换器的误差 31619.4 D/A转换器设计 31719.4.1 基于脉冲宽度调制生成模拟电压 31719.4.2 基于求和放大器的D/A转换器 31719.4.3 串行D/A转换器 31919.4.4 R-2R阶梯D/A转换器 32019.5 A/D转换器设计 32119.5.1 单斜率A/D转换器和双斜率A/D转换器 32219.5.2 并行比较A/D转换器 32319.5.3 串并行比较A/D转换器 32419.5.4 逐次寄存器A/D转换器 32519.5.5 Σ-Δ A/D转换器 32619.6 327扩展阅读 328第20章 稳压器、电源和电池 32920.1 引言 32920.2 率需求与电源 32920.3 稳压器 32920.3.1 稳压器的相关指标与定义 33020.3.2 线稳压器 33220.3.3 开关稳压器 33820.4 电源 34320.4.1 线电源 34320.4.2 开关电源 34520.5 电池和电化学单电池 34720.5.1 电池能和特 34920.5.2 原电池 35120.5.3 二次电池 35220.5.4 电池的和环境问题 35620.6 357扩展阅读 358第21章 噪声、接地和隔离 35921.1 噪声耦合通道 35921.2 传导耦合噪声 36021.2.1 传导耦合通道原型 36021.2.2 减少传导耦合噪声 36021.2.3 减少噪声源的影响：去耦 36121.2.4 减少传导噪声的耦合 36221.2.5 减少接收端的传导噪声：电源滤波 36221.2.6 减少传导噪声的有效方法 36221.3 电容耦合噪声 36321.3.1 电容耦合通道原型 36321.3.2 减少电容耦合噪声 36421.3.3 噪声源电容耦合噪声的消减 36521.3.4 减少电容耦合噪声的耦合 36521.3.5 屏蔽 36621.3.6 减少接收端的电容耦合噪声 36721.3.7 减少电容耦合噪声的有效方法 36721.4 电感耦合噪声 36821.4.1 电感耦合通道原型 36821.4.2 噪声源电感耦合噪声的消减 36821.4.3 减少电感耦合噪声的耦合 36921.4.4 减少接收端的电感耦合噪声 36921.4.5 减少电感耦合噪声的有效方法 36921.5 隔离 36921.5.1 光隔离 36921.5.2 电容隔离 37121.5.3 电感隔离 37121.5.4 隔离技术对比 37121.6 371扩展阅读 373第四部分 执 行 器第22章 永磁有刷直流电机的特 37622.1 引言 37622.2 次分马力永磁有刷直流电机 37622.3 电气模型 37922.4 势与发电机效应 37922.5 永磁有刷直流电机的特参数 37922.6 恒定电压特方程 38022.7 率特 38322.8 直流电机效率 38522.9 减速器 38822.10 389参考文献 390扩展阅读 390第23章 永磁有刷直流电机的应用 39123.1 引言 39123.2 电感反冲 39123.2.1 电感反冲小结 39623.3 电机的双向控制 39623.3.1 商用H桥集成电路 39823.3.2 用于大电流的H桥 40023.4 基于脉冲宽度调制的转速控制 40023.5 404参考文献 405扩展阅读 405第24章 螺线管 40624.1 引言 40624.2 螺线管的结构 40624.3 螺线管的能 40724.4 螺线管的驱动 40924.5 机械响应时间 41024.6 螺线管的应用 41024.7 411扩展阅读 414第25章 无刷直流电机 41525.1 引言 41525.2 无刷直流电机的结构 41525.3 无刷直流电机的运行 41625.3.1 传感换向器 41725.3.2 无传感换向器 41725.4 BLDC 电机驱动 41825.5 无刷直流电机的换向 41925.6 BLDC电机驱动集成电路 42125.7 有刷直流电机和无刷直流电机的对比 42225.8 422扩展阅读 423第26章 电机 42426.1 引言 42426.2 电机的结构 42426.3 可变反应式电机 42626.4 混合式电机 42726.5 不同类型电机的对比 42726.6 电机的内部接线 42826.7 电机的驱动 42926.8 电机的顺序 43026.9 电机驱动顺序的产生 43326.10 电机的动态特 43426.11 电机能定义 43626.12 基于驱动部件的电机能优化 43726.13 减速 43926.14 440扩展阅读 441第27章 其他执行器技术 44227.1 引言 44227.2 气动液压系统 44227.2.1 电磁阀 44327.2.2 伺服阀 44527.2.3 气动和液压执行器 44627.3 RC伺服系统 44927.4 压电执行器 45127.4.1 压电执行器的类型 45227.5 形状记忆合金执行器 45527.6 结 45827.7 459扩展阅读 459第28章 基本闭环控制 46028.1 引言 46028.2 相关术语 46028.3 开环控制 46128.4 开/关闭环控制 46228.5 线闭环控制 46228.5.1 开始设计 46328.5.2 智能化 46428.5.3 干扰 46628.5.4 引入微分控一步提高能 46828.5.5 增益选择 46928.6 系统类型与积分控制的必要 47128.7 控制环路率的选择 47228.8 ad-hoc法 47328.9 475参考文献 477扩展阅读 477第五部分 机电一体化项目与系统工程第29章 快速原型制作 48029.1 引言 48029.2 为什么要制作原型样机 48029.3 原型制作理念：搭建或者仿真 48129.4 机械系统的快速原型制作 48229.4.1 实体建模工具 48229.4.2 系统动力学建模 48229.4.3 泡沫塑料板、美工刀、热熔胶 48329.4.4 二维快速成型激光切割机/激光刀模机 48529.4.5 廉价的二维快速成型 48629.4.6 凸舌/凹槽结构 48629.4.7 玩具行业 48629.4.8 三维快速成型(SLA、SLS、FDM)和软模铸件 48729.5 电气系统的快速原型制作 48929.5.1 原理图和电路仿真工具 49029.5.2 电路原型制作：板、绕线和能板 49129.5.3 PCB原型 49329.5.4 焊接 49429.6 供应商和资源选择 49629.7 497参考文献 497第30章 项目规划和管理 49830.1 引言 49830.2 日益复杂的系统需要过程管理 49830.3 项目规划与实施 49930.3.1 系统需求 50030.3.2 设计备选方案遴选 50130.3.3 设计概念评价：原型和迭代 50430.3.4 规范 50430.4 管理工具 50530.4.1 项目管理 50530.4.2 系统工程 50730.4.3 协同设计 50730.5 沟通与文档化 50830.6 问题与建议 50930.7 510参考文献 511扩展阅读 511第31章 故障排查 51231.1 引言 51231.2 追根溯源找漏洞 51231.3 为主，事倍 51431.4 如何对待故障排查 51931.5 结 52031.6 520第32章 机电一体化系统集成与融合 52132.1 引言 52132.2 项目描述 52132.3 系统需求分析 52232.4 设计方案及备选方案 52332.4.1 零号团队的基本设计构想 52332.4.2 Ruff团队的基本设计构想 52632.4.3 备选方案的审查 52832.5 形态图 52932.6 设计概念评价：原型与优化 53032.7 项目实施阶段 53232.7.1 Ruff团队的驱动电机选择 53232.7.2 零号团队的球释放电机选择 53332.7.3 零号团队的信标传感器电路 53332.7.4 零号团队的支撑刚度问题 53432.7.5 零号团队的罗盘传感器故障 53532.8 设计成品 53532.8.1 Ruff团队的设计成品 53532.8.2 零号团队的设计成品 53632.9 能结果 53732.10 学生的智慧结晶 537致谢 538附录A 电阻色码和标称值 539附录B 示例C代码 540附录C 第32章项目描述 551