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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 PLC32

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