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机电系统及生产过程自动化,第一章 机电一体化概论 第二章 精密机械技术 第三章 工业控制计算机 第四章 基于单片机的控制器 第五章 可编程序控制器 第六章 传感器与计算机接口 第七章 动力驱动及其计算机控制 第八章 机电一体化系统设计方法与实例,控制器 (IPC/PLC/MCU等),输入接口,输出接口,驱动执行机构 (电机、电磁阀等),被控对象 (各种机械参数),传感检测装置 (各类传感器等),反馈量,被控量,设定值,机电一体化系统的组成,机电一体化系统的组成,第六章 传感器与计算机接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器与计算机接口技术,第六章 传感器及其接口,概述 传感检测装置在机电一体化系统中的作用 传感检测装置的组成 机电一体化系统中的常用传感器 传感器与计算机接口技术,传感检测装置在机电一体化系统中的作用,传感检测装置作为机电一体化系统的感觉器官，用来获取两方面信息： 系统内部的信息：如力的大小，工件的位置、位移等。 系统外部即环境参数：如温度、湿度等。 把信息作适当处理（变换、放大、滤波），检测出有用信息，送到显示或处理装置。,传感检测装置在机电一体化系统中的作用,主 机 (工控 机或 普通 计算 机),输入通道,被 控 对 象 (压力 、速 度等 机械 参数),传感检测装置的组成,通常是各类传感器,非电量电测法：利用各种电子测量线路和仪器对非电物理量进行测量的方法，相对于机械测量法、光学测量法。,第六章 传感器及其接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器的定义与分类 机电一体化系统中的常用传感器 智能传感器 传感器与计算机接口技术,传感器的定义,广义：将被测物理量转换成与之对应的，容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器，也叫变换器、换能器。 狭义：指工程中使用的各类传感器。,传感器的分类,传感器的分类方法有多种，主要有以下三种分类： 按被测物理量： 位移、位置传感器 力、力矩传感器 速度、加速度传感器 温度、湿度、酸度传感器 按工作原理： 电阻式、电容式、电感式 磁电式、光电式、压电式、热电式 谐振式 按输出量： 模拟型 数字型,注意：在机械工程中使用的传感器有很多，一种传感器可以测量多种物理量，一种物理量也可以由多种传感器测量得到。,第六章 传感器及其接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器的定义与分类 机电一体化系统中的常用传感器 智能传感器 传感器与计算机接口技术,机电一体化系统中的常用传感器,位置传感器 位移传感器 速度、加速度传感器 力、压力、力矩传感器 温度传感器 视觉传感器,位置传感器,接触式位置传感器,位置传感器,非接触式位置传感器,位置传感器,电容式接近开关,电感式、霍尔式接近开关,位移传感器,绝对式码盘（格雷码）,增量式码盘(ABZ),位移传感器,位移传感器,码盘式位移传感器,速度传感器,非接触式速度传感器,速度传感器,非接触式速度传感器,接触式速度传感器测速电机,加速度传感器,加速度传感器,普通加速度传感器,集成半导体式加速度传感器,力传感器,柱式,梁式,轮辐式,应变片式力传感器,力传感器,压力传感器,应变片式,压电式,压阻式,力矩传感器,温度传感器,热电阻、热敏电阻,热电偶,视觉传感器,视觉传感器,图6-29 视觉传感器在药品生产中的应用,图6-30 视觉传感器在PCB生产中的应用,视觉传感器,第六章 传感器及其接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器的定义与分类 机电一体化系统中的常用传感器 智能传感器 传感器与计算机接口技术,智能传感器的概念与特点,一般传感器只具备信息采集、转换功能，智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器的结合，它兼有信息采集、转换、检测、判断和处理功能，与传统传感器相比有很多特点： 有信息判断和处理功能； 能对测量值进行修正、误差补偿，提高了测量精度； 可实现多传感器多参数测量； 有自诊断和自校准功能，提高可靠性； 测量数据可存取，使用方便； 通信功能：有数据通信接口，能与微型计算机通信。,智能传感器的结构,与传统传感器相同的部分,与传统传感器不同的部分,第六章 传感器及其接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器与计算机的接口 传感器的信号输出形式 数字型传感器与计算机接口及实例 模拟型传感器与计算机接口及实例,传感器的信号输出形式,第六章 传感器及其接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器与计算机的接口 传感器的信号输出形式 数字型传感器与计算机接口及实例 模拟型传感器与计算机接口及实例,数字型传感器与计算机接口,被测信号,计算机数据总线,接口实例,M/T法测速,光敏二极管输出,整形后输出,接口实例,接口实例,M/T法测速原理：同时测量检测时间和在此检测时间内计数脉冲个数，从而得到被测转速。,其中： m1：检测时间内得到的测速脉冲数 m2：检测时间内得到的时钟脉冲数 fc：时钟频率 p：编码盘每转送出的脉冲数,接口实例,接口实例,8253：下降沿有效的十六位减法计数器，3个计数通道都工作方式0计数终止时中断，其方式字分别为0x30、0x70、0xB0(方式0，先低后高读写，十六进制)。,LM339：过零比较器，将来自编码器的正弦信号整形成0-5V的标准测速脉冲。,工作过程：8253通道0的方式字写完后，OUT0(=J)由高变低，等待测速脉冲的到来。测速脉冲的第一个上升沿使JK边沿触发器翻转，Q置高，GATE0、1、2打开，8253的3个计数通道开始下降沿减法计数，其中，通道0用于设定检测时间，在设定的检测时间到达后，通道0计数结束，OUT0由低变高，由于此时GATE1、2仍打开，计时脉冲和测速脉冲仍在计数，直到下一个测速脉冲的上升沿使JK边沿触发器翻转，Q变低，关闭GATE0、1、2，计数结束，同时产生计数结束中断给8031。8031在中断服务程序中根据计数器的设定值和当前值计算出m1和m2，从而计算出转速n。,接口实例,第六章 传感器及其接口,概述 机电一体化系统中的常用传感器 传感器与计算机的接口 传感器的信号输出形式 数字型传感器与计算机接口及实例 模拟型传感器与计算机接口及实例,模拟型传感器与计算机接口,模拟型传感器与计算机接口的一般形式 多通道模拟信号输入 A/D转换 A/D转换的一般过程 信号的采样与保持 量化与编码 A/D转换器,模拟型传感器与计算机接口,典型的多通道模拟信号输入接口,此外还有单通道式、同步式和并行式等多种形式,模拟型传感器与计算机接口,模拟型传感器与计算机接口的一般形式 多通道模拟信号输入 A/D转换 A/D转换的一般过程 信号的采样与保持 量化与编码 A/D转换器,多通道模拟信号输入,以多通道模拟开关（数据选择器，MUX）AD7501为例：CMOS型8选1多路模拟开关，每次从8个输入端中选择一路与公共端相联，选择的通道号由输入的地址编码确定，与TTL电平兼容。,对多路模拟开关的选择要求是：导通电阻小、开路电阻大、交叉干扰小、速度适应。,多通道模拟信号输入,模拟型传感器与计算机接口,模拟型传感器与计算机接口的一般形式 多通道模拟信号输入 A/D转换 A/D转换的一般过程 信号的采样与保持 量化与编码 A/D转换器,A/D转换的一般过程,A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程一般分为四个步骤：采样、保持、量化和编码。,A/D转换的一般过程,保持,信号,采样/保持,采样后的信号,量化,采样,香农采样定理：对于一个有限频率的连续信号，当采样频率fs2f信MAX时，采样函数才能不失真地恢复原来的连续信号。 采样定理给出是采样的最低频率，为了保证精度，工程上通常fs(4-10)f信MAX。,模拟型传感器与计算机接口,模拟型传感器与计算机接口的一般形式 多通道模拟信号输入 A/D转换 A/D转换的一般过程 信号的采样与保持 量化与编码 A/D转换器,信号的采样与保持, 采样/保持电路的作用 因为A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，在A/D转换的过程中，要求信号的电压保持不变，在A/D转换完成后，又要能跟踪信号电压的变化。能完成这个功能的电路叫采样/保持电路（或称为采样/保持器，简称S/H，Sample/Hold）。,信号的采样与保持, 采样/保持电路 采样/保持电路由存储电容CH、模拟开关T(N沟道增强型MOS管)、输入电阻RI (限流)、反馈电阻RF和运算放大器A组成，有两种工作模式： 采样模式：控制信号S为高电平，T导通，输入信号vI通过RI、T向电容CH充电，若RI=RF，充电结束后，vO=vC=-vI ； 保持模式：控制信号S为低电平，T截止，输出电压vO由电容CH两端电压保持。,集成采样/保持器：AD582、AD583(一般)、HTS-0025(高速)、SHA1144(高分辨率)等。,信号的采样与保持, 对采样/保持电路的要求 在采样阶段，存储电容要尽快充电，以快速跟踪信号电压； 在保持阶段，存储电容漏电流必须接近于零，以保持信号电压（相当于一个模拟信号存储器）,模拟型传感器与计算机接口,模拟型传感器与计算机接口的一般形式 多通道模拟信号输入 A/D转换 A/D转换的一般过程 信号的采样与保持 量化与编码 A/D转换器,量化与编码,量化 输入信号经采样/保持后，得到一个阶梯波（模拟量）。 将阶梯波离散化，把采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，称为量化。指定的离散电平称为量化电平。 量化就是将样值电压表示成量化单位电压的某一整数倍，因此，量化必然存在误差（系统误差）。 量化一般有两种方法，只舍不入（类似于取整运算）和有舍有入（类似于四舍五入），前一种量化误差（1LSB）是后一种量化误差（0.5LSB）的两倍。,量化与编码,编码 用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。量化单位电压就是两个量化电平之间的差值，二进制数码位数越多，量化单位电压就越小，量化误差就越小，精度就越高。 在A/D转换中，模拟电压的输入范围一般有05V、010V、-5V5V等等，其中05V、010V的称为单极性输入，-5V5V称为双极性输入。在输入范围内，转换前后的模拟电压与数字码之间有一一对应的关系。 转换后的数字码，一般有二进制码和BCD码两种。BCD码常用于直接数字显示，二进制码用于与计算机接口，有8、10、12、16位等等，位数越多，精度越高。对于双极性输入，一般给出二进制补码的形式或双极性偏移码的形式。,量化与编码,模拟型传感器与计算机接口,模拟型传感器与计算机接口的一般形式 多通道模拟信号输入 A/D转换 A/D转换的一般过程 信号的采样与保持 量化与编码 A/D转换器,A/D转换器,直接转换型,间接转换型,A/D转换器,A/D转换原理 以8位逐次逼近式A/D转换器章解A/D转换工作原理：（类似于天平称重）,A/D转换器,A/D转换器,转换过程举例：8位、单极性、输入范围010V、VX6.6（V）,最后输出：（10101000）2（A8）16（168）10,近似值，有误差,相对误差：,等价于：,A/D转换器,A/D转换器,A/D技术参数, 分辨率：指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。 分辨力 满刻度值1LSB 分辨率一般用A/D转换器的位数表示，例如8位（256），10位（1024），12位（4096），位数越多，分辨率越高。, 相对精度（误差）：转换值和实际值间的偏差，一般用最低有效位来表示。 例如，10 位二进制数输出的A/D转换器AD571，在室温（+25）和标准电源电压（U+=+5V，U-=-5V）的条件下，转换误差 。 当使用环境发生变化时，转换误差也将发生变化，实际使用中应加以注意。,例如：8位、单极性、输入范围05V的A/D转换器 分辨力 51LSB19.5mv 分辨率为8位（256） 最大相对精度（误差） 9.75mv,A/D转换器,A/D技术参数, 转换时间与转换频率 转换时间：A/D转换器完成一次转换所需要的时间。(从AD启动到数字输出稳定) 转换频率：A/D转换器在单位时间内完成转换的次数。与转换时间互为倒数。 例如：转换频率10KHz，则转换时间 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，转换速度在几十微秒；并联型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。,常见的A/D转换器有：ADC0809（8位）、AD574（12位）、AD578（16位）等。,接口实例,数据采集(ADC0809+8031), ADC0809介绍 ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺。片内带有8路模拟开关和地址译码器，ADC0809输出的数字信号有TTL三态缓冲器控制，可直接连至计算机的数据总线。转换时间100s。,接口实例,接口实例, A/D转换使用,接口实例, ADC0809与8031接口电路及程序（程序启动、软件延时方式读数据，8通道循环采集）,数据采集程序