机电一体化系统设计教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第4.1节节 微机控制系统微机控制系统 伴随机电一体化系统所需控制功效、控制形式、伴随机电一体化系统所需控制功效、控制形式、控制方式不一样和多控制过程日趋复杂，对控制系控制方式不一样和多控制过程日趋复杂，对控制系统要求越来越高。微机控制系统引用，在许多方面统要求越来越高。微机控制系统引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统要求。能满足机电一体化控制系统要求。微机控制系统微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化是将微型计算机作为机电一体化产品控制器，结合微型计算机工作原理、接口电路产品控制器，结合微型计算机工作原理、接口电路（数字和模拟）设计、对应控制硬件和软件，以及（数字和模拟）设计、对应控制硬件和软件，以及它们之间匹配，实现对控制对象有效控制。它们之间匹配，实现对控制对象有效控制。惯用微机控制系统：惯用微机控制系统：专用微机控制系统专用微机控制系统 关键部件为单片机和单板机。关键部件为单片机和单板机。通用通用微机控制系统微机控制系统 关键部件为可编程控制器和关键部件为可编程控制器和工业计算机。工业计算机。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第1页4.1.1 4.1.1 微机控制系统硬件与软件抉择和权衡微机控制系统硬件与软件抉择和权衡微机控制系统硬件与软件抉择和权衡微机控制系统硬件与软件抉择和权衡 在确定微机控制系统时，应重点考虑几在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面问题。方面问题。（1）专用专用/通用微型计算机选择通用微型计算机选择 1）专用控制系统组成与特点专用控制系统组成与特点 用于大批量生产机电一体化产品。含有用于大批量生产机电一体化产品。含有机械电子有机结合紧凑，由专用机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采取专用机器代匹配成专用控制器，软件采取专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。力较差。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第2页2 2）通用控制系统组成与特点通用控制系统组成与特点通用控制系统组成与特点通用控制系统组成与特点 组成：控制系统以通用微型计算机为关组成：控制系统以通用微型计算机为关键，设计专用或选取通用集成键，设计专用或选取通用集成IC芯片、接芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成含有很好通用能力控制理匹配元件，组成含有很好通用能力控制器。软件采取通用平台软件系统。器。软件采取通用平台软件系统。特点：含有可靠性高，适应性强，但成特点：含有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定抗干扰办法等特点。本高，应采取一定抗干扰办法等特点。应用：适合用于多品种、中小批量生产应用：适合用于多品种、中小批量生产机电一体化产品。机电一体化产品。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第3页（2）硬件与软件权衡硬件与软件权衡/匹配匹配 任何微机控制系统控制功效，即能够由硬任何微机控制系统控制功效，即能够由硬件实现，也能够由软件实现，二者合理匹配件实现，也能够由软件实现，二者合理匹配是确定或选取微机控制系统研究内容之一。是确定或选取微机控制系统研究内容之一。主要依据主要依据经济性、可靠性、适用性经济性、可靠性、适用性等要求等要求来决定。来决定。主要用通用分离元件组成控制系统主要用通用分离元件组成控制系统最好采取软件来实现对机电一体化产品主要最好采取软件来实现对机电一体化产品主要控制功效，接口少，易于调整，适应能力强，控制功效，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。但成本较高。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第4页 主要用专用集成元件组成控制系统主要用专用集成元件组成控制系统最好选取硬件实现对机电一体化产品主最好选取硬件实现对机电一体化产品主要控制功效，含有廉价、可靠、处理速度要控制功效，含有廉价、可靠、处理速度快等特点。快等特点。（3 3）应有必要抗干扰办法）应有必要抗干扰办法 因为工作环境比较恶劣（存在电噪声干因为工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提升控制系统环扰等），易产生故障。为提升控制系统环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取对应抗干扰办法。必须采取对应抗干扰办法。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第5页4.1.2 微机控制系统设计思绪微机控制系统设计思绪 （1）确定系统总体控制方案确定系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线总体控制方案确定技术路线 从系统组成上考虑控制方式（开环控制、半闭从系统组成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）环控制、闭环控制）传感元件选取（含精度）传感元件选取（含精度）选取选取/设计执行元件设计执行元件考虑被控制对象特考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特征）殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特征）微机在整个控制系统中作用微机在整个控制系统中作用（计算、数据处（计算、数据处理、直接理、直接/间接控制方式、控制功效、间接控制方式、控制功效、I/OI/O接口、接口、外围设备等）外围设备等）控制系统成本核实。控制系统成本核实。确定微机控制系统总体控制初步方案确定微机控制系统总体控制初步方案 总体方案可行性论证总体方案可行性论证总体方案技术总体方案技术/经济经济评价评价总体方案判定。总体方案判定。最终确定微机控制系统总体控制方案最终确定微机控制系统总体控制方案厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第6页（2 2）确定控制算法确定控制算法确定控制算法确定控制算法 目标在于确定微机控制系统输入目标在于确定微机控制系统输入/输出之间数输出之间数字和逻辑数学模型数学表示方式，为控制系统输字和逻辑数学模型数学表示方式，为控制系统输出控制信号，实现被控制对象各控制功效、精度、出控制信号，实现被控制对象各控制功效、精度、稳定性、可靠性等要求提升可靠理论依据。稳定性、可靠性等要求提升可靠理论依据。惯用控制算法：惯用控制算法：逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法、PIDPID调整控制法调整控制法、最小拍控制法最小拍控制法、最优控制法最优控制法、随机控制法随机控制法、自适自适用控制法用控制法、遗传控制法遗传控制法、含糊控制法含糊控制法、鲁棒控制鲁棒控制法法、神经网络控制法神经网络控制法、教授系统教授系统等。等。选取何种控制算法，应依据被控制对象详细要选取何种控制算法，应依据被控制对象详细要求而定，主要包含控制功效、精度、稳定性、可求而定，主要包含控制功效、精度、稳定性、可靠性等。靠性等。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第7页（3 3）微型计算机选择微型计算机选择微型计算机选择微型计算机选择 任何微机控制系统中微型计算机，不论被控制对象要任何微机控制系统中微型计算机，不论被控制对象要求怎样，对微型计算机都有一定最基本要求。求怎样，对微型计算机都有一定最基本要求。1）较完善适时中止系统较完善适时中止系统 实时控制能力、紧急处理能力。实时控制能力、紧急处理能力。2）足够存放容量（）足够存放容量（ROM、RAM、EPROM）有效地确保微机系统软件、应用软件、数据处理工作有效地确保微机系统软件、应用软件、数据处理工作正常运行。正常运行。3）完善输入）完善输入/输出通道输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。输出通道接口数。4）实时时钟控制实时时钟控制 作为控制系统实现控制功效基准。作为控制系统实现控制功效基准。除此之外，还有一些特殊要求除此之外，还有一些特殊要求字长、运行速度、字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。输出接口扩展能力等。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第8页微型计算机最终确定：微型计算机最终确定：微型计算机最终确定：微型计算机最终确定：可选取微型计算机主要有三种类型：可选取微型计算机主要有三种类型：单片机单片机 主要包含数字计算机四个基本组成部分主要包含数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，双列直插式集成电路。，双列直插式集成电路。含有结构简单、实用范围广，但需用专用开发系统对含有结构简单、实用范围广，但需用专用开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。单板机单板机 将单片机、编程器、外部存放器、专用将单片机、编程器、外部存放器、专用/通通用接口电路等板卡式微型计算机。含有成本低、体积小用接口电路等板卡式微型计算机。含有成本低、体积小特点，主要用于生产现场控制系统；但内存容量少，接特点，主要用于生产现场控制系统；但内存容量少，接口电路少，采取机器语言编程、程序编写、调试困难。口电路少，采取机器语言编程、程序编写、调试困难。微型计算机微型计算机 含有丰富软件和硬件支持，含有可视含有丰富软件和硬件支持，含有可视化界面系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应化界面系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入输入/输出接口（输出接口（COM、USB）或插槽（）或插槽（PCI、ISA）；）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第9页（4 4）控制控制控制控制系统总体设计系统总体设计系统总体设计系统总体设计 （技术设计）（技术设计）（技术设计）（技术设计）一旦被控制对象详细要求、微型计算机、控制软件一旦被控制对象详细要求、微型计算机、控制软件平台确定，便可进行控制系统总体设计。平台确定，便可进行控制系统总体设计。主要处理主要处理系统硬件、软件和操作人员三者之间匹配，系统硬件、软件和操作人员三者之间匹配，数据信息和控制信息交换通讯接口设计（硬件接口），数据信息和控制信息交换通讯接口设计（硬件接口），能分时时序控制设计（应用软件设计）等方面问题。能分时时序控制设计（应用软件设计）等方面问题。控制系统总体设计主要内容：控制系统总体设计主要内容：1）软件与硬件功效合理分配与协调）软件与硬件功效合理分配与协调(主要依据经济主要依据经济性、可靠性指标进行软件性、可靠性指标进行软件/硬件分配、协调与权衡硬件分配、协调与权衡)。2）接口设计（输入）接口设计（输入/输出信号匹配与协调）。输出信号匹配与协调）。3）通道设计（信号通讯方式与）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。类型）。4）操作控制台设计（人机交换方式）。）操作控制台设计（人机交换方式）。5）可靠性设计（可靠性设计方案与办法）。）可靠性设计（可靠性设计方案与办法）。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第10页（5 5）软件设计软件设计软件设计软件设计 系系统统软软件件：主主要要有有操操作作系系统统、故故障障诊诊疗疗系系统统、开发系统、信息处理系统等。开发系统、信息处理系统等。在在机机电电一一体体化化产产品品控控制制系系统统软软件件设设计计中中、普普通通不不设设计计系系统统软软件件，只只是是合合理理选选取取并并了了解解基基本本工工作作原理和熟练使用方法问题。原理和熟练使用方法问题。应用软件应用软件：由操作者依据被控制系统控制要求：由操作者依据被控制系统控制要求和特点，用户自行编写完成。和特点，用户自行编写完成。对于操作者或编程员来讲，所指软件设计均为对于操作者或编程员来讲，所指软件设计均为应用软件设计。应用软件设计。除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求。基本要求。实时性实时性、针对性针对性、灵活性和通用性等方面要求。灵活性和通用性等方面要求。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第11页（6 6）系统调试）系统调试）系统调试）系统调试 一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，方便到达设计要求。调试步骤包统进行调试，方便到达设计要求。调试步骤包统进行调试，方便到达设计要求。调试步骤包统进行调试，方便到达设计要求。调试步骤包含硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。含硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。含硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。含硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。第第4.2节节 8086/8088微机硬件结构特点微机硬件结构特点第第4.3节节 Z80CPU结构特点及储存器、结构特点及储存器、输入输入/输出扩展接口输出扩展接口第第4.4节节 单片机结构特点与最小应用单片机结构特点与最小应用第第4.5节节 数字显示器及键盘接口电路数字显示器及键盘接口电路 以上四节在微型计算机原理与应用和计算以上四节在微型计算机原理与应用和计算机控制系统课程中，已作为重点加以学习过，机控制系统课程中，已作为重点加以学习过，在此不做详细讲解，请同学们复习以下，假如在在此不做详细讲解，请同学们复习以下，假如在下面章节中设计到相关知识关键点，再加以说明。下面章节中设计到相关知识关键点，再加以说明。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第12页第第4.6节节 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(PLC)组成及应用举例组成及应用举例 （1）PLC基本工作原理与组成基本工作原理与组成 工作原理工作原理：使用可编程存放器存放用户设计使用可编程存放器存放用户设计应用程序指令，由指令实现逻辑运算、次序操应用程序指令，由指令实现逻辑运算、次序操作、定时、计数、算术运算和作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。制机电一体化系统（产品）。基本组成基本组成：主要由微处理器（主要由微处理器（CPU）、存放）、存放器（器（RAM、ROM、EPROM）、）、I/O接口（数接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。组成。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第13页（2）PLC编程特点编程特点 PLC可编程逻辑控可编程逻辑控制器设计者向用户提制器设计者向用户提供简明、易学、易记供简明、易学、易记汇编语言，也可借助汇编语言，也可借助于逻辑梯形图作为编于逻辑梯形图作为编程首选编程语言，将程首选编程语言，将一组含义明确、功效一组含义明确、功效性强、为数不多指令性强、为数不多指令用指令助记符表示一用指令助记符表示一个直观易懂编程方法。个直观易懂编程方法。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第14页（3 3）PLCPLC应用举例应用举例应用举例应用举例 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第15页第第第第4.74.7节节节节 微机控制系统输入微机控制系统输入微机控制系统输入微机控制系统输入/输出可靠性设计输出可靠性设计输出可靠性设计输出可靠性设计 微机控制系统以及各主要功效元件（部件）输入微机控制系统以及各主要功效元件（部件）输入/输出信号控制功效主要由硬件和软件设计来确保。输出信号控制功效主要由硬件和软件设计来确保。在硬件设计中，怎样提升控制系统工作可靠性，是在硬件设计中，怎样提升控制系统工作可靠性，是微机控制系统设计主要步骤之一。主要包含：微机控制系统设计主要步骤之一。主要包含：1）能可靠地传递各类控制信息能可靠地传递各类控制信息 有效确保输入有效确保输入/输出控制信号转换运动状态。输出控制信号转换运动状态。2）能够进行有效信息转换能够进行有效信息转换 满足微机对输入满足微机对输入/输出信息类型转换要求。如：输出信息类型转换要求。如：A/D、D/A转换；平行数字信号与串行数字信号转换；转换；平行数字信号与串行数字信号转换；电平信号转换与匹配；电量与非电量转换；强电与弱电平信号转换与匹配；电量与非电量转换；强电与弱点转换。点转换。3）含有阻断干扰信号进入微机控制系统能力含有阻断干扰信号进入微机控制系统能力 主要采取滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。主要采取滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第16页 本节重点学习微机控制系统输入本节重点学习微机控制系统输入本节重点学习微机控制系统输入本节重点学习微机控制系统输入/输出电路输出电路输出电路输出电路和信息接口设计可靠性方法，即光电隔离电和信息接口设计可靠性方法，即光电隔离电和信息接口设计可靠性方法，即光电隔离电和信息接口设计可靠性方法，即光电隔离电路设计、信息转换电路设计。路设计、信息转换电路设计。路设计、信息转换电路设计。路设计、信息转换电路设计。4.7.1 光电隔离电路设计光电隔离电路设计（1 1）光电隔离电路基本工作原理与组成光电隔离电路基本工作原理与组成厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第17页（2 2）光电隔离电路特点）光电隔离电路特点）光电隔离电路特点）光电隔离电路特点 光电隔离电路经过光敏转换实现信号单向传递，光电隔离电路经过光敏转换实现信号单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号电平转可有效地阻断各类干扰信号，实现信号电平转换（功率放大）和电平极性转换换（功率放大）和电平极性转换(+/-)(+/-)。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工光电隔离时域检测电路光电隔离时域检测电路时域响应特征时域响应特征输出阻抗输出阻抗/时间响应特征时间响应特征第18页厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工光电隔离频域光电隔离频域检测电路检测电路时域响应特征时域响应特征输出阻抗输出阻抗/频率响应特征频率响应特征第19页（3 3）光电隔离电路作用）光电隔离电路作用）光电隔离电路作用）光电隔离电路作用 1）可将输入可将输入/输出两部分供电电源和电路地输出两部分供电电源和电路地线分离。线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（很大（10111013），寄生电容很小），寄生电容很小（0.52pF），因而干扰信号极难从输入端反），因而干扰信号极难从输入端反馈到输出端。馈到输出端。2）可进行电平转换，实现要求电平输出，从可进行电平转换，实现要求电平输出，从而含有初级功率放大作用。而含有初级功率放大作用。3）提升对负载驱动能力。可直接驱动光控晶提升对负载驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。闸管工作。假如光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有假如光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效结合起来，将会深入提升微机控制系统抗干效结合起来，将会深入提升微机控制系统抗干扰能力。扰能力。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第20页（4 4）光电耦合隔离电路应用）光电耦合隔离电路应用）光电耦合隔离电路应用）光电耦合隔离电路应用 光电隔离电路在机电控制系统中基本配置光电隔离电路在机电控制系统中基本配置厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第21页 请同学们注意：请同学们注意：请同学们注意：请同学们注意：在微机控制系统中，因为可采取高功效集成在微机控制系统中，因为可采取高功效集成在微机控制系统中，因为可采取高功效集成在微机控制系统中，因为可采取高功效集成元件端口（输入元件端口（输入元件端口（输入元件端口（输入/输出接口）性质常有所不一输出接口）性质常有所不一输出接口）性质常有所不一输出接口）性质常有所不一样，因而所采取或设计光电隔离电路也有所不样，因而所采取或设计光电隔离电路也有所不样，因而所采取或设计光电隔离电路也有所不样，因而所采取或设计光电隔离电路也有所不一样。在系统设计中，应依据实际情况而定。一样。在系统设计中，应依据实际情况而定。一样。在系统设计中，应依据实际情况而定。一样。在系统设计中，应依据实际情况而定。1）8031芯片匹配输入输出光电隔离接口电路芯片匹配输入输出光电隔离接口电路 特点：特点：P3口作为准口作为准双向接口，当双向接口，当P3输入输入口被拉成低电平时，口被拉成低电平时，可直接由可直接由TTL或或MOS电路驱动；当外部信电路驱动；当外部信号为低电平时，号为低电平时，P3可可被拉成高电平直接与被拉成高电平直接与光电耦合器连接。光电耦合器连接。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第22页2 2）80318031、82158215、82558255芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路 特点：当接口作为输入特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，口时，端口为高阻抗输入，与与8031P1接口与光电耦合接口与光电耦合器输入连接相同；当器输入连接相同；当P1和和P3作为输出接口（准双向作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时接口）时，高电平输出时对外泄漏电流很小（零点对外泄漏电流很小（零点几几mA）；低电平输出时对）；低电平输出时对外泄漏电流很大，外泄漏电流很大，P1和和P3作为输出接口。作为输出接口。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第23页3 3）81558155、82558255芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路 特点：因为特点：因为8155、8255输出口可释放输出口可释放和吸收电流较大，和吸收电流较大，故可直接用高点平故可直接用高点平推进晶体管驱动光推进晶体管驱动光电二极管。电二极管。在在8155、8255上上电复位（高阻抗状电复位（高阻抗状态）时，不使开机态）时，不使开机输出额外信息，将输出额外信息，将晶体管硬拉成低电晶体管硬拉成低电平。平。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第24页4 4）输出较大电流驱动光电隔离接口输出电路输出较大电流驱动光电隔离接口输出电路输出较大电流驱动光电隔离接口输出电路输出较大电流驱动光电隔离接口输出电路 特点：特点：采取采取达林顿型驱动达林顿型驱动电路，可输出电路，可输出更大电流驱动更大电流驱动输出设备。输出设备。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第25页5 5）提升普通光电耦合器光耦合速度光电隔提升普通光电耦合器光耦合速度光电隔提升普通光电耦合器光耦合速度光电隔提升普通光电耦合器光耦合速度光电隔离接口输出（响应）电路离接口输出（响应）电路离接口输出（响应）电路离接口输出（响应）电路 特点：特点：可深入可深入提升普通光电提升普通光电耦合器光耦合耦合器光耦合速度。速度。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第26页6 6）V/FV/FV/FV/F转换器（转换器（转换器（转换器（LM331LM331LM331LM331）频率输出光电隔离）频率输出光电隔离）频率输出光电隔离）频率输出光电隔离接口输出电路接口输出电路接口输出电路接口输出电路 特点：特点：可提升在恶劣环境中前向型通道和电源可提升在恶劣环境中前向型通道和电源抗干扰能力。抗干扰能力。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第27页4.7.2 4.7.2 信息转换电路设计信息转换电路设计信息转换电路设计信息转换电路设计1 1）弱点）弱点）弱点）弱点/强电转换电路强电转换电路强电转换电路强电转换电路 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第28页（2 2）数字）数字）数字）数字/脉冲信号转换脉冲信号转换脉冲信号转换脉冲信号转换并行转换为串行并行转换为串行并行转换为串行并行转换为串行 （3 3）数）数）数）数/模模模模(D/A)(D/A)转换、模数转换、模数转换、模数转换、模数(A/D)(A/D)转换转换转换转换 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第29页第第4.8节节 惯用检测传感器性能特点、惯用检测传感器性能特点、选取与微机接口选取与微机接口 4.8.1 检测传感器分类与基本要求检测传感器分类与基本要求（1）传感器）传感器 将将被检测对象各种改变物理量转换成电被检测对象各种改变物理量转换成电信号一个变换器信号一个变换器。（2）传感器作用）传感器作用 被用于检测机电一体化系统本身和作业被用于检测机电一体化系统本身和作业对象、作业环境状态，为有效地控制机电对象、作业环境状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。一体化系统动作提供信息。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第30页（3 3）传感器分类）传感器分类）传感器分类）传感器分类1）传感器作用主要分为：传感器作用主要分为：内部信息传感器内部信息传感器和和外部信外部信息传感器。息传感器。内内部部信信息息传传感感器器 检检测测机机电电一一体体化化系系统统内内部部状状态态。主主要要包包含含：检检测测位位置置、速速度度、力力/力力矩矩、温温度度以以及异常改变等传感器。及异常改变等传感器。外部信息传感器外部信息传感器 检测作业对象状态和外部环检测作业对象状态和外部环境状态。主要包含：接触式和非接触式传感器，如：境状态。主要包含：接触式和非接触式传感器，如：温度温度/湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测温仪，激光测距机等。线电接收机、红外测温仪，激光测距机等。2）按输出信号性质可分为按输出信号性质可分为：开关型、模拟型开关型、模拟型和数字数字型传感器（计数型和代码型）型传感器（计数型和代码型）。3）按传感器用途分为按传感器用途分为：位移、位置、速度、加速度、位移、位置、速度、加速度、力力/力矩、温度、湿度、压力等传感器力矩、温度、湿度、压力等传感器。4）按传感器用途分为按传感器用途分为：电阻式、电感式、电磁式、电阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式电容式、光电式。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第31页（4）传感器基本要求）传感器基本要求体积小、重量轻、适应性好。体积小、重量轻、适应性好。精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。信噪比高。安全可靠、寿命长。安全可靠、寿命长。便于与计算机对接。便于与计算机对接。不易受被检测对象和外部环境影响。不易受被检测对象和外部环境影响。环境适应能力强。环境适应能力强。现场安装处理简单、操作方便，价格现场安装处理简单、操作方便，价格廉价。廉价。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第32页4.8.2 各类传感器工作原理、主要性各类传感器工作原理、主要性能及优缺点能及优缺点 各类传感器工作原理、主要性能及优各类传感器工作原理、主要性能及优缺点，在数控技术、传感器技术缺点，在数控技术、传感器技术、传感器及其应用等课程已进行、传感器及其应用等课程已进行了较全方面学习，在此不做详细讲解。了较全方面学习，在此不做详细讲解。注意：掌握好注意：掌握好各类传感器工作原理、主各类传感器工作原理、主要性能及优缺点，要性能及优缺点，是正确选取传感器主是正确选取传感器主要依据之一。要依据之一。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第33页4.8.3 传感器选择标准及注意事项传感器选择标准及注意事项 （1）传感器选取标准）传感器选取标准 主要是依据传感器使用要求和被控制对主要是依据传感器使用要求和被控制对象控制精度要求选择适用传感器。象控制精度要求选择适用传感器。（2）传感器选取注意事项）传感器选取注意事项 在确保主要性能参数和指标条件下，适在确保主要性能参数和指标条件下，适当可放宽次要性能和指标要求，方便取得当可放宽次要性能和指标要求，方便取得较高性能价格比。注意：不能盲目标追求较高性能价格比。注意：不能盲目标追求传感器各种性能指标均高传感器选择方法传感器各种性能指标均高传感器选择方法或标准。或标准。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第34页（3）提升传感器性能主要技术办法）提升传感器性能主要技术办法 1）平均技术）平均技术缩小检测误差缩小检测误差 2）差动技术）差动技术降低非线性误差降低非线性误差 3）稳定性处理）稳定性处理提升传感器可靠性提升传感器可靠性和寿命和寿命 4）屏蔽和隔离）屏蔽和隔离提升抗外界干扰能提升抗外界干扰能力力厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第35页4.8.4 传感器测量处理电路传感器测量处理电路 因为传感器检测到原始信号比较微弱，需中因为传感器检测到原始信号比较微弱，需中间转换处理电路将信号放大成易于检测或处理间转换处理电路将信号放大成易于检测或处理电压或电流信号，在经调制解调、电压或电流信号，在经调制解调、A/DA/D转换、转换、D/AD/A转换等输出能满足计算机处理要求和匹配转换等输出能满足计算机处理要求和匹配检测信号。检测信号。注意：传感器检测处理电路通常与所选取传注意：传感器检测处理电路通常与所选取传感器亲密相关，普通由传感器生产厂家提供选感器亲密相关，普通由传感器生产厂家提供选择。控制系统设计时，选择设计是非常主要。择。控制系统设计时，选择设计是非常主要。主要包含主要包含检测测量电路检测测量电路和和信号放大转换电路信号放大转换电路两部分。两部分。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第36页（1 1）传感器检测测量电路）传感器检测测量电路 模拟型测量电路模拟型测量电路调制、放大、解调、调制、放大、解调、滤波、滤波、A/D转换处理。转换处理。数字型测量电路数字型测量电路光光电转换、放大整形、电转换、放大整形、检测量编检测量编码。码。开关型测量电路开关型测量电路对检测信号放大或降对检测信号放大或降压压/分流等。分流等。（2 2）传感器信号放大转换电路）传感器信号放大转换电路 传感器信号放大转换电路主要包含：传感器信号放大转换电路主要包含：电桥电路电桥电路测量阻抗、感抗、电容量等测量阻抗、感抗、电容量等电参量电量（电压、电流等）转换。电参量电量（电压、电流等）转换。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第37页 放大电路放大电路由运算放大器、晶体管等组由运算放大器、晶体管等组成。将检测到微弱电信号进行放大处理（电成。将检测到微弱电信号进行放大处理（电压放大、电流放大、功率放大等）。采取屏压放大、电流放大、功率放大等）。采取屏蔽、隔离、滤波电路等提升放大信号质量或蔽、隔离、滤波电路等提升放大信号质量或品质。品质。调制与解调电路调制与解调电路对传感器输出微弱、对传感器输出微弱、迟缓改变信号，由普通直流放大和信号传输迟缓改变信号，由普通直流放大和信号传输电路，将产生零点漂移等干扰信号。采取调电路，将产生零点漂移等干扰信号。采取调制、放大、解调设计电路，可得到几乎无干制、放大、解调设计电路，可得到几乎无干扰信号放大测量信号。扰信号放大测量信号。A/DA/D、D/AD/A转换电路转换电路实现检测输入、计实现检测输入、计算机处理、输出执行信号之间匹配转换。算机处理、输出执行信号之间匹配转换。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第38页4.8.5 传感器微机接口传感器微机接口 微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出信号有模拟、数字、开关型信号，为了与计算机信号有模拟、数字、开关型信号，为了与计算机匹配，需要对应接口电路。匹配，需要对应接口电路。模拟量接口电路模拟量接口电路、数字量接口电路数字量接口电路、开关量接开关量接口电路口电路。本章小结本章小结 重点掌握微机控制系统定义；惯用控制计算机重点掌握微机控制系统定义；惯用控制计算机类型、抉择和权衡方法；微机控制系统设计思绪类型、抉择和权衡方法；微机控制系统设计思绪和微机系统组成与种类；和微机系统组成与种类；PLCPLC基本工作原理与基本基本工作原理与基本组成；组成；PLCPLC编程特点与执行过程；输入编程特点与执行过程；输入/输出接口输出接口控制信号可靠性设计基本要求和提升输入控制信号可靠性设计基本要求和提升输入/输出电输出电路与接口可靠性主要方法。路与接口可靠性主要方法。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第39页第四章第四章 课外作业课外作业 1、从从控控制制角角度度出出发发，所所选选择择微微机机应应满满足足哪些条件。哪些条件。2、试说明、试说明CPU、MC、MCS之间关系。之间关系。3、控控制制系系统统输输入入/输输出出控控制制可可靠靠性性设设计计主要包含哪些内容？主要包含哪些内容？4、试试说说明明光光电电耦耦合合器器光光电电隔隔离离原原理理。光光电隔离电路特点和作用？电隔离电路特点和作用？5、试说明机电一体化系统惯用传感器种、试说明机电一体化系统惯用传感器种类及其基本特征参数。类及其基本特征参数。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第40页