机电一体化技术及应用 课件 6 系统总体技术

第四节控制输出接口第三节信息采集接口第二节人机接口第一节接口的作用及分类第六章系统总体技术6.1接口的作用及分类6.1.1接口及其功能接口(interface)的定义—将机电一体化系统各构成要素联接起来，并使所联接的要素之间顺利地进行物质、能量、信息的传递和交换，从而形成机电一体化系统工程的联接部件。

包括各组成要素之间相互联接的硬件及相关协议软件

接口的功能1）变换调整用于具有不同信号模式的环节之间信号、能量的统一及两个信号强度相差悬殊的环节之间的能量匹配。2）输入/输出用于变换和放大后的信号在各环节间可靠、快速、准确地交换。

1.根据接口的功能分类1）按变换和调整功能分（1）零接口：不进行任何变换调整，仅起连接作用。如传动轴、导线、电缆、连轴器。（2）无源接口：只用无源要素进行变换调整。如齿轮减速器、进给丝杠。（3）有源接口：含有有源要素，并能与无源要素进行主动的匹配。如运算放大器、光电耦和器、D/A、A/D转换器。（4）智能接口：含有微处理器，可进行程序编制或随适应条件而变化的接口。如自动变速装置、8255A、8251A6.1.2接口的分类2）按输入/输出功能分（1）机械接口：完成机械与机械、机械与电气装置的连接。如连轴器、管接口、法兰、接线柱、插头、插座。（2）电气接口（物理接口）：实现系统间电信号连接。也称接口电路。（3）信息接口（软件接口）：如汇编语言、高级编程语言、ASC码、RS-232C、RS-422和RS-485等。（4）环境接口：对周围环境条件有保护和隔离作用。如：防水联轴器、防爆开关。2.根据接口所联系的子系统不同分类（1）人机接口提供人与系统间的交互界面，实现人与机电一体化系统的信息交流和反馈，保证对机电一体化系统的实时监测与有效控制。包括：1）输入接口—通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制2）输出接口—通过输出接口，操作者对系统的运行状态以及各种参数进行监测。（2）机电接口起调整、匹配和缓冲的作用，体现为：电平转换和功率放大；抗干扰隔离；A/D和D/A转换

接口必须满足以下条件:①逻辑上：接口的硬件与软件应协调；②机械上：输入/输出结合部分的几何形状、尺寸、配合应一致；③电气上：电源、电压等级和频率应一致，阻抗匹配恰当；④环境上：适应周围环境，对环境温度、湿度、磁场、振动、尘埃等有防护能力。6.2人机接口6.2.1人机接口的类型和特点人机接口定义—操作者与机电一体化系统（主要是控制计算机）之间建立联系、实现信息交换的输入/输出设备的接口。

常用输入设备：控制开关、BCD二-十进制码拨盘、键盘常用输出设备：状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、阴极射线管显示器、打印机、扬声器、蜂鸣器、电铃

6.2人机接口人机接口分类—输入接口：操作者通过输入接口向机电一体化系统输入各种控制命令，干预系统的运行状态，以完成所要求的各种任务。输出接口：机电一体化系统则通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。

人机接口特点—专用性：每种机电一体化产品都有自身特定的功能，对人机接口也有着各自不同的要求，因此在进行人机接口设计时，应根据产品的具体要求酌情而定。低速性：与控制计算机相比，大多数人机接口设备的工作速度较低，因此应考虑二者之间的速度匹配，以提高系统的工作效率。高性价比：在满足功能要求的前提下，输入/输出设备的配置应遵循小型、微型、廉价的原则，从而使整个系统具有较高的性能价格比。

6.2.2输入接口独立式键盘——电路简单，配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O端口，故只适用于按键数量比较少的小型控制系统。矩阵式键盘——可减少按键对I/O端口的占用以及简化电路6.2.2输入接口按键开关通过机械触点的断开或闭合来完成高/低电平的切换，在机械开关闭合及断开的瞬间必然因其弹性作用而产生抖动，电压也将随之产生一连串的抖动。抖动时间长短与开关的机械特性有关，一般为5~10ms；开关的稳定闭合期由操作人员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间。可以通过软件或硬件的方法来消除抖动。软件去抖：在检测到开关状态后，延时一段时间（大于抖动时间）后再次检测，如果两次检测到的开关状态相同，则认为按键状态有效。硬件去抖：6.2.3输出接口※LED显示器（发光二极管）：机电一体化产品中常用的廉价输出设备，是将若干个发光二极管按照一定的形状制作在一块基板上，能够显示各种字符或符号。※特点：结构简单、体积小、可靠性高、寿命长、价格便宜。※七段显示器：包含8个LED（编号为a、b、c、d、e、f、g和dp，分别与同名管脚相连），其中7个条形LED组成“8”字形状，1个圆点形LED构成小数点显示。当某一个发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，于是控制不同组合的二极管导通，就可以实现各种字符的显示。6.2.3输出接口3位LED静态显示接口8位LED动态显示接口蜂鸣器驱动接口电路声音输出接口扬声器驱动接口电路

当P1.0输出低电平时，蜂鸣器发声；当P1.0输出高电平时，则停止发声。6.3信息采集接口6.3.1数字信号采集

※数字信号：包括开关量和数字量两种类型。※行程开关、限位开关、光电开关等装置的输出信号只有开和关（1和0）两种状态，属于开关量。※光电编码器、红外测距传感器、光栅位移传感器等数字传感器产生脉冲信号，属于数字量。6.3信息采集接口

当物体到达极限位置时，行程开关SQ接通，光电耦合器输出低电平，单片机8031的输入为0；当行程开关断开时，光电耦合器输出高电平，单片机的输入为1。6.3.2模拟信号采集

※在机电一体化系统中，很多传感器是以模拟量形式输出信号的，如用于位置检测的差动变压器、用于温度检测的热电偶和热电阻、用于转速检测的测速发电机等。※由于单片机是一个数字系统，只能接收、处理和输出数字量，这就要求信息采集接口能将传感器输出的模拟量转换成相应的数字量，再输入给单片机，这一功能通常由A/D转换器来实现。ADC0809芯片引脚分布A/D转换器的性能指标（1）分辨率和量化误差分辨率：A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力，通常用能够转换成数字量的位数表示。4位、8位、10位、12位、14位和16位A/D转换器（2）转换精度（3）转换时间和转换速度6.4控制输出接口6.4.1数字信号输出

机电一体化系统驱动功率很大的交/直流时，负载工作电压高，工作电流大，还极易引入各种现场干扰。控制计算机输出的数字控制信号一般功率都比较弱，因此必须经过功率放大后才能用于驱动负载。常用的功率驱动器件有晶闸管、功率晶体管、大功率场效应晶体管和固态继电器等。6.4控制输出接口当单片机输出的控制信号为高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，发光二极管发光，使光敏三极管导通，从而使VT导通，于是继电器KA的线圈通电，其动合触点闭合，使交流220V电源接通。反之，当单片机输出低电平时，KA触点断开。二极管VD为续流二极管，其作用是保护晶体管VT。6.4.2模拟信号输出

在机电一体化产品中，很多被控对象要求以模拟量作为控制信号，如交流电动机变频调速器、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而控制计算机是数字系统，无法输出模拟量，这就要