机电一体化系统设计

1.3机电一体化关键技术1.2机电一体化系统的构成1.1机电一体化概念第1章机电一体化系统设计绪论1.1机电一体化概念机电一体化技术不是机械技术和电子技术的简单叠加；机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征；具有智能化的特征是机电一体化与机械电器化在功能上的本质区别。第1章机电一体化系统设计绪论1.2机电一体化系统的构成控制计算机（信号处理、判断、指令输出）接口电路（A/D、D/A、I/O）传感器变送电路（小信号变换、放大）传感器（位移、速度、温度等检测）驱动电路（弱电、强电转换）执行元件（电机、电磁阀、电器等）机械系统机电结合系统图1-1机电一体化系统基本构成第1章机电一体化系统设计绪论1.3机电一体化关键技术机械精密传动技术计算机信息处理技术传感检测技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术第1章机电一体化系统设计绪论复习思考题1.1机电一体化系统由哪些部分构成？1.2机电一体化关键技术有哪些？2.3导向与支承机构2.2机械传动机构2.1概述第2章机械系统部件及其设计

2.4机械执行机构

2.1概述随着机电控制技术的发展，在机电一体化产品中广泛采用了伺服技术和计算机控制技术，每一个机械运动往往可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成子系统来完成，而各个子系统之间的运动协调则由计算机来实现。因此，机械系统往往是整个伺服系统的一部分，其实现的方法、手段和可靠性往往对机电一体化产品的性能有着主要的影响。2.1.1机电一体化产品对机械系统部件的基本要求1）高精度机电一体化产品的精度将直接影响着产品的性能和可靠性。而与普通机械产品相比，机电一体化产品的使用功能、技术性能和工艺水平都有着很大的提高。如果机械系统精度不能满足要求，即便其它组成部分的工作性能很精确，也不可能完成预定的机械操作。因此，机电一体化产品中的机械系统的高精度是首要的、基本的要求。2）快速响应特性快速响应是控制系统的一项重要指标，这就对作为机电一体化伺服系统一部分的机械系统提出了低惯性的要求，具体可分为机械本体的重量轻、转动惯量小和低阻尼特性等。3）高稳定性这是对机械系统的抗干扰能力提出要求，即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响。2.1.2机电一体化产品机械系统的基本组成及其功能一个典型的机电一体化产品，通常由数字控制部件、接口与功率放大电路、机械系统部件、执行元件（步进电机、伺服电机等），以及传感检测元件等组成。其中，按照具体功能及其实现方法的不同，可将机械系统部件分为机械传动机构、导向与支承机构，以及机械执行机构。2.2机械传动机构

机械传动机构的主要功能：传递转速和转矩、改变速度大小和范围、改变运动形式(旋转运动变为直线运动或曲线运动等)、改变运动方式(连续运动变为间歇运动等)、单向运动变为往复运动等多种功能。

机电一体化产品中的机械传动部件设计要求：精确的传动比、高刚度、低摩擦、低振动、低噪声、高热稳定性、传动链短、转动惯量小、无间隙传递、小型化、轻量化。

基本功能常用机构运动变换动力变换形式行程方向速度形式大小丝杠螺母√√√齿轮传动√√√齿轮齿条√√链轮链条√带、带传动√√缆绳、绳轮√√√√√杠杆机构√√√连杆机构√√√凸轮机构√√√√摩擦轮√√√万向节√软轴√涡轮蜗杆√√√间歇机构√表2.1常用传动机构及其功能2.2.1齿轮传动机构及其设计

齿轮传动机构的特点：

恒定传动比，能传递任意夹角两轴间的运动、并且结构紧凑、传递动力大、传动效率高、工作平稳、可靠性高。齿轮传动的回差：对于齿轮传动来说，回差产生的主要原因是齿轮副的侧隙和加工装配误差，因此在设计时必须采取必要的措施来控制齿轮传动中的间隙。侧隙的大小取决于载荷作用下摩擦温升引起的热变形、制造装配误差和储存润滑油的需要。控制齿轮副侧隙的几种常用方法：1）直齿圆柱齿轮传动机构回差调整方法（1）偏心轴套调整法（2）轴向垫片调整法（3）双片薄齿轮错齿调整法

图2.7轴向垫片式调隙结构图2.8双片薄齿轮错齿式调隙结构图2.6偏心轴套式调隙结构2）斜齿轮传动机构回差调整方法（1）垫片调整法（2）轴向压簧调整法

图2.9垫片调整式消隙结构图2.10轴向压簧调整式消隙结构3）锥齿轮传动机构回差调整方法（1）轴向压簧调整法（2）周向弹簧调整法图2.11轴向压簧式消隙结构图2.12周向弹簧调整式消隙结构谐波齿轮传动特点：谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十~几百）、传动精度高、回程误差小、噪声小、传动平稳、承载能力大、效率高和可靠性高，以及无需密封元件就可向密闭空间传递运动等优点，现已在空间技术、军事工业、工业机器人等机电一体化产品中得到了日益广泛的应用。图2.14谐波齿轮的结构组成图2.15谐波齿轮结构原理图2.2.2丝杆螺母机构及其选用丝杆螺母机构主要用来将旋转运动变为直线运动。丝杆螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杆螺母:机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能。但其摩擦阻力大、传动效率低（30%~40％）。滚动丝杠螺母:机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力小、传动效率高（92％~98％)，因此在机电一体化产品设计中得到广泛应用。

图2.18滚珠丝杠副结构示意图a）为单圆弧型b）为双圆弧型图2.19螺纹滚道法向截面形状2.2.3同步带传动同步带传动的主要优点：

（1）同步带属于啮合传动，传动过程中无相对滑动，传动比恒定。（2）传动效率高，效率可达98%，节能效果显著。（3）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低。（4）速比范围可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦。（5）耐油、耐磨性好，抗老化性能好，维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等恶劣环境中使用，且不需要润滑。（6）可用于长距离传动，中心距可达10m以上。图2.37同步带传动结构2.3导向与支承机构导向与支承机构的主要功用是保证机电一体化产品中各零、部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证产品整机具有足够的静刚度、抗振性、热稳定性、精度保持性和结构工艺性。导向与支承机构种类：回转运动支承、直线运动支承、框架类支承。2.3.1回转运动支承回转运动支承的作用是支承作回转运动的主轴、传动轴或丝杠。随着刀具材料和加工自动化的发展，主轴的转速越来越高，变速范围也越来越大。因此，机电一体化系统对回转运动支承的精度、承载能力、刚度、抗振性、寿命、转速等提出了更高的要求。回转运动支承种类：滚动轴承、滑动轴承、空气静压轴承、陶瓷滚动轴承、自调磁力悬浮轴承等。2.3.2直线运动支承直线运动支承主要是指直线运动导轨副，其作用是支承和限制运动部件按确定的运动方向和规定的运动要求往复移动。在导轨副中，运动的导轨叫做动导轨，不动的导轨叫做支承导轨。滑动导轨：普通滑动导轨、液体动压导轨和液体静压导轨。滚动导轨：滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨。导轨副应满足的基本要求：

导向精度高、刚度好、运动轻便平稳、热变形小、耐磨性好等。对精度要求高的直线运动导轨副，可分设承载面和导向面，特别是当运动部件较重时，可设置卸荷机构。导轨副的材料及选择：铸铁、钢、有色金属和塑料。导轨副材料的搭配：在导轨副中，动导轨和支承导轨应分别采用不同的材料，提高耐磨性和防止咬焊撕伤。一般动导轨采用较软的材料，以方便维修。若选用相同的材料，则应采取不同的热处理方式使两者具有不同的硬度。典型搭配如动导轨采用不淬火的铸铁，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁，或者动导轨采用粘贴塑料软带，支承导轨用淬火钢或淬火铸铁等。a)b)c)d)图2.56滚动直线导轨副的滚动体（1.动导轨2.滚珠3.支承导轨4.滚柱5.滚针）

a)b)图2.57滚动直线导轨副的循环方式2.4机械执行机构

执行机构种类：机械机构、电动机构、电子机构、液动机构、气动机构、电液机构等，本节主要介绍几种在机电一体化系统中常用的机械执行机构。2.4.1机械执行机构的功能机械执行机构的功能种类：（1）夹持（2）搬运（3）输送（4）分度与转位（5）检测（6）施力2.4.2机械执行机构的分类（1）执行轴机构（2）连杆机构（3）凸轮机构（4）间歇运动机构（5）差动机构（6）增力机构（7）行程增大机构复习思考题2.1机电一体化产品对机械系统部件的基本要求有哪几方面？2.2常用的机械传动机构有哪些？各有何特点？分别应用于什么场合？2.3机电一体化系统中为什么要控制齿轮副的侧隙？常用的消隙方法有哪些？2.4滚珠丝杠副传动的性能特点是什么？为什么要进行预紧？消除其轴向间隙的方法有哪几种？2.5同步带传动的工作原理是什么？有何性能特点？2.6陶瓷轴承有哪几种类型？有哪些性能特点？一般用于什么场合？2.7简述磁力悬浮轴承的工作原理，并分析其性能特点。2.8直线运动导轨副应满足的基本要求有哪些？其磨损方式有哪几种？2.9机械卸荷导轨的原理和功用是什么？2.10直线运动滚动导轨副有何性能特点？并举例说明其典型应用。2.11框架类支承构件可用于提高整体静刚度的方法有哪些？2.12机械执行机构的功能可分为哪几种？3.5光电编码器3.2力传感器3.1温度传感器第3章检测传感器及其接口电路3.3位移测量传感器3.4光电传感器3.6电流环信号传输3.7运算放大器的基本电路传感器：把非电量参数（位移、速度、力、温度、光、磁、化学量等）转化为电量参数（电压、电流、电阻等）的器件。传感器输出量形式:模拟信号、编码数字信号（光电）、数字信号。传感器静态特性：传感器的输入-输出特性是传感器的基本特性。静态特性参数有线性度、灵敏度、迟滞性、重复性。动态特性：传感器对输激励响应的特性。一个动态特性好的传感器，其输出能再现输入的变化规律，即具有相同的时间函数。

线性曲线动态响应曲线康铜系热电偶，测量范围–180~2800℃，最佳测量范围630~1064℃；钨铼系热电偶，在300~2000℃的范围内具有良好的特性；镍铬-金铁热电偶，在0~-217℃范围内具有良好的特性。3.1温度传感器1.热电偶合金热电极

连接导线

连接导线

测点

参考点

Vo输出电压

图3-1热电偶结构

图3-2铠装热电偶图3-3点式热电偶

热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。

图3-4热电偶信号放大电路机械系统的传感器信号一般是低频率信号；干扰噪声一般是高频率段；使用低通滤波器可滤除高频率噪声。2.热敏电阻热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻；测量范围为–200~500℃。铂电阻的精度高但价格高；铜电阻精度稍差但价格低廉；半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、价格低廉。铂热电阻PT100（100欧姆）主要用于-200~650℃范围测温；Pt10（10欧姆）主要用于650℃以上范围的测温。图3-5铂热敏电阻图3-6铜热敏电阻图3-7NTC半导体热敏电阻图3-8PTC半导体热敏电阻

热敏电阻的电阻变化值首先要经变送电路变换为电压，并进行必要的放大和滤波处理输出伏级电压值，才能被后续电路利用。图3-9热敏电阻信号处理电路加跟随电路的热敏电阻信号处理电路讨论题：热敏电阻的阻值计算式Rt=R0(1+αt)t：当前温度；Rt：当前温度下热敏电阻的阻值；R0：热敏电阻在零度时的阻值；α：热敏电阻的敏感系数。αpt=0.003850,Rpt0=100.00Ωαcu=0.004280,Rcu0=100.00Ω

分别计算铂热电阻和铜热电阻在50℃时的电阻。并设计一个铂热电阻变送电路,要求其在0℃和50℃时输出电压分别为0V和5V电压值。3.半导体集成温度传感器AD590AD590是一种常用的半导体集成温度传感器。测温范围–55~+150℃，工作电压+4~+30V，恒流源线性热敏系数为,恒流源电流计算公式：I0：温度为零度时的电流值。AD590AD590应用电路3.2力传感器力学传感器的种类：电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。3.2.1金属电阻应变片式力传感器

图3-10金属电阻应变片的内部结构1.金属电阻应变片的内部结构

2.电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

3.测量电桥

由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测量电桥的输入电压为U0，输出电压为∆U，各桥臂的电阻分别为R1、R2、R3和R4，则测量电桥灵敏度K图3-11双臂工作的半桥接法图3-12四臂工作的全桥接法R1=R2=R3=R3=R注意：应变片的功率单一应变片加载电压2V为宜，避免发热。某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”。利用压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。优点：1.体积小而灵敏高；2.频率响应范围宽、半导体集成化制造；

缺点：灵敏系数随温度变化较大3.2.2半导体应变式力传感器

3.3位移测量传感器

位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码盘等。位移测量传感器的种类：电容位移传感器气隙电感位移传感器差动变压器结构电感式位移传感器3.3.1电容位移传感器

电容式传感器的工作原理式中

ε0—真空介电常数，等于8.85×10-12F/mεr—极板间介质的相对介电常数A—极板的有效面积(mm2)；δ—两极板间的距离(mm)。

图3-13变极距型电容传感器原理图当动极板因被测量变化而向左移动使δ0减小△δ时，电容量增大△C。则有

变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达

传感器输出特性C=f(δ)是非线性的

电容位移传感器3.3.2气隙电感位移传感器

电感式传感器工作原理，电感式传感器结构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快速动态测试。由物理学磁路知识，线圈的自感系数为

式中W—线圈匝数；RM—磁路总磁阻。1－线圈2－铁心3－衔铁4－测杆5－被测件图3-14自感式传感器原理图

当铁心与衔铁之间有一很小空气隙δ时，可以认为气隙间磁场是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻为:

考虑到铁磁材料的磁导率μi比空气磁导率μ0大得多，计算总磁阻时，第一项可忽略不计，则:

3.3.3差动变压器结构电感式位移传感器

差动变压器有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架。初级线圈的激励电压为e1，在次级线圈中感应出电压e21和e22。图3-15差动变压器等效电路图3-16全波整流电路图图3-17全波整流电路波形图图3-18差动变压器输出电压-位移图图3-19差动结构电感式位移传感器3.3.4涡流电感式位移传感器

图3-20电涡流的形成图3-21电涡流位移传感器线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H1；位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流；涡流也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反。图3-22电涡流位移传感器输出电压-位移曲线电感式接近开关接近开关的工作原理及接线图3.4光电传感器

光电传感器的种类：发光二极管激光二极管光敏二极管光敏三极管光电耦合电路光电开关传感器

1.发光二极管

发光二极管也是一个PN结，具有普通二极管的通性，只是它透明封装。发光二极管采用砷化镓（红外光）、磷化镓（绿色光）、镓铝砷（红色）等材料组成。

图3-23发光二极管图3-24

发光二极管的符号发光二极管的主要参数：最大工作电流：发光二极管长期工作时所允许通过的最大电流（30~50mA）。正向电压：通过规定的正向电流时，发光二极管两端产生的正向电压。2.激光二极管改变激光二极管两端电压，使流过二极管的电流逐渐加大，当电流超过某一值时，管子的输出功率就急剧变化，产生激光振荡。

a）激光二极管b）激光二极管发光示意图图3-25激光二极管3.光敏二极管光敏二极管是一种光电转换器件。它也是PN结，具有普通二极管的特性，但有一个透明受光窗口。光敏二极管的特性是在两端加正向电压时，其PN结受光照射后，其电流随光照强度的变化而变化。

图3-26光敏二极管图3-27光敏二极管符号图3-28光敏二极管信号处理电路4.光敏三极管光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。光敏三极管的主要参数：最高工作电压：在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。暗电流：在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。

图3-27光敏三极管图3-28光敏三极管符号5.光电耦合电路发光二极管和光敏三极管常被用来做光电耦合隔离电路。

图3-31光电耦合集成电路图3-32光电耦合电路符号图3-33光电耦合电路应用6.光电开关传感器由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出电平信号。图3-35反射式光电开关工作原理光电开关的工作原理及电路图

a）反射式光电开关b）反射式光纤光电开关图3-34光电开关光电开关的应用例仓库安全防护

电梯运转控制3.5光电编码器增量式光电编码器构成及原理绝对式光电编码器构成及原理增量式光电编码器计数电路3.5.1增量式光电编码器构成及原理增量式光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

图3-37单路光电码盘脉冲VO图3-36单路光电码盘原理

图3-38双路光电码盘原理

VAVB图3-39双路光电码盘脉冲

图3-40光电码盘正反转时输出脉冲信号的时序图特征AB正向旋转

反向旋转光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α为：α=360°/n（3-28）分辨率=1/n（3-29）例如：码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。

光栅盘的栅数增加到300，500，1000，则将一周分为300份，500份，1000份，光电编码器的测角精度就会分成不同的精度等级。

图3-41光电编码器3.5.2绝对式光电编码器构成及原理图3-42绝对式光电编码器二进制码盘

最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。绝对式光电编码器的特点

1.可以直接读出角度坐标的绝对值；

2.没有累积误差；

3.电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3.5.3增量式光电编码器计数电路1．增量光电编码器的方向判断 软件判断 硬件判断方向判别集成电路ST288A 8脚双列直插集成电路图3-43方向判别集成电路ST288A图3-44ST288A输入输出信号时序图

组合方向判别电路信号波形时序图2.光电编码器计数电路CU：加计数时钟CD：减计数时钟P0，P1，P2，P3：四位预置数PL：预置操作QA，QB，QC，QD：四位计数值TCU：进位输出TCD：借位输出MR：清零操作3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA图3-45双时钟可预置加减计数器74LS19374LS193封装形式3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA表3-174LS193真值表CU(加计数时钟)CD(减计数时钟)PL(预置输入)MR(清零输入)操作功能↑HHL加计数↓HHL不计数H↑HL减计数H↓HL不计数XXLL预置XXXH清零

↑：上升沿；↓：下降沿；H：高电平；L：低电平；X：忽视

图3-46增量式光电编码器8位上电清零计数电路图3-47增量式光电编码器8位上电预置计数电路进给手柄刻度盘200格，每格代表0.01mm。每格的角度为1.8度。经验表明，这样小的角度很难用手控制准确。光电编码器的安装位置比较灵活，但多数情况是和电机轴同轴。在数控机床的进给系统中得到大量应用。光栅尺3.6电流环信号传输图3-48电流环传输的变换模拟电压信号传输：

传输线上容易受到周围磁场的干扰产生干扰电压，传输距离较短（5米）。但这个干扰电压是虚电压，没有驱动能力，也就是不能形成电流。4~20mA电流环传输：传输线上的电流不易被周围磁场干扰，传输距离则可以达数百米。电压电流变换：0~10V↔4~20mA

图3-49电压电流转换器件型号及定义图3-50电压电流转换器件外形及引脚方式图3-49电压电流转换器件型号及定义ISOU-P-O系列直流电压信号隔离放大器技术指标：●低成本，精度等级：0.1级0.2级0.5级

●输入:0-5V/0-10V等（阻抗≥1MΩ）标准电压信号

●输出:0-10mA/0-20mA/4-20mA隔离变换的电流信号

0-5V/0-10V/1-5V等隔离变换的的电压信

带负载能力（电流输出＞650Ω,电压输出≥2KΩ）●信号输入/输出/辅助电源：隔离电压3000VDC三隔离

●全量程内很高的线性度（非线性度＜0.2%）

●小体积12PinSIP，符合UL94-0标准阻燃封装

●工业级宽温度范围:-40~+85C外型尺寸:32*14.2*8.9mm3.7运算放大器的基本电路

（a）OP-07引脚图（b）OP-07原理图符号图3-51OP-07运算放大器图3-52OP-07反相输入比例放大电路图3-53OP-07同相输入比例放大电路如果运放反向输入端有信号输入，则一定要双电源供电：如反向放大、差分放大、反向求和。图3-54运算放大器电压跟随电路有跟随电路时前置信号不受后置电路影响无跟随电路时前置信号受到后置电路影响图3-55OP-07差动输入比例放大电路如果运放反向输入端有信号输入，则一定要双电源供电：如反向放大、差分放大、反向求和。图3-56OP-07反向输入求和电路如果运放反向输入端有信号输入，则一定要双电源供电：如反向放大、差分放大、反向求和。霍尔传感器霍尔器件是一种磁传感器霍尔效应：在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1中的UH，这种现象就是霍尔效应。UH称为霍尔电压。

霍尔元件输出特性取决于其半导体材料种类

（1）InSb霍尔元件的输出特性(2)GaAs霍尔元件的输出特性霍尔电压与磁场强度关系

(a)3脚组件

(b)4脚组件

图2霍尔组件使用方法图1三脚霍尔元件的结构和应用图7霍尔器件和工作磁体间旋转运动方式

图6差动霍尔电路的工作原理图图6

汽车齿轮传感器图6霍尔零磁通电流传感器

开环霍尔电流传感器复习思考题3.1机电一体化系统中常见传感器有哪几种？3.2应变片有哪些应用场合，请举出几种你知道的场合。3.3差动式位移传感器和涡流式位移传感器有什么区别？3.4增量式光电编码器的结构和工作原理是什么？3.5绝对式光电编码器的结构和工作原理是什么？3.6增量式光电编码器的方向判别有哪几种方法？3.7运算放大电路中的跟随电路有什么作用？课堂作业1有一个铜热电阻，它的热电阻敏感系数为αcu=0.004280,零度时电阻为Rcu0=100.00Ω。试设计一个该铜热电阻变送电路，要求在0℃时输出电压0V，20℃时输出电压+2V。课堂作业2设计一个8位增量式光电编码器计数电路，要求包含方向判别电路和计数电路，计数电路上电后初始数据为二进制11000000。并分别画出光电编码器正转时和反转时输出的信号波形图。当采用双脉冲加减计数器记录光电编码器旋转角度时，光电编码器的方向判别电路应输出什么样的信号，并请画出其在光电编码器正反转时的信号波形。4.3三相异步电动机4.2直流电机的基本工作原理4.1执行元件的分类

第4章执行元件及控制4.4步进电动机4.5直线电动机

4.7交流伺服电机控制4.6直流电机的驱动控制4.8电-气比例阀、伺服阀4.9电-液比例阀、伺服阀执行元件定义：

执行元件是根据来自控制器的控制信息完成对受控对象的控制作用的元件，它将电能或流体能量转换成机械能或其他能量形式。4.1执行元件的分类

4.1.1电动执行元件

执行元件根据使用场合不同分为：电动执行元件、气动执行元件、液压执行元件。将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的电磁元件。电动执行元件的种类：常用的有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、电磁制动器、继电器等。电动执行元件的特点：电动执行元件具有调速范围宽、灵敏度高、响应速度快、无自转现象等性能，并能长期连续可靠地工作。操作简单，易实现伺服控制，长时间过载易烧毁。4.1.2气动执行元件

将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。气动元件的种类：实现直线往复运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动的称为气动马达。气动元件的特点：操作简单，成本低；动作不够平稳，功率小，不易小型化，难于连续伺服控制；低压，0.5～0.7兆帕，输出推力小；压缩空气清洁，结构简单易维护。4.1.3液压执行元件

液压执行元件是将液压能转换为机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。液压执行元件的种类：液压执行元件分为液压缸、摆动液压马达和旋转液压马达三类。液压执行元件的特点：中高压力，输出力巨大；功率密度很大，机械刚性好，动态响应快；制造工艺复杂、维护困难。功率大，动作平稳，易实现伺服控制；难于小型化，易泄漏污染。4.2直流电机的基本工作原理任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的，直流电机也是如此。

图4.1直流发电机的工作原理图4.2直流电动机的工作原理直流电机的发展过程：永磁定子→他励定子→稀土高强度永磁定子

图直流电机转子铁芯工业用直流伺服电机直流伺服电机结构特点：大起动力矩转子是光滑无槽铁心，线圈是用绝缘粘合剂贴在铁心表面。小惯量转子减小转子铁心直径，增加铁心长度；也采用空心转子铁心。保证直流伺服电机起停的即时性。改进结构使其具有良好的线性伺服性能。4.3三相异步电动机旋转磁场旋转磁场产生原理永磁式同步电机工作原理交流伺服电机(永磁式同步电机+光电编码器)4.4步进电动机三相两极步进电机步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角β，简称为步距。三相三拍工作方式：正向旋转A→B→C→A→步距角60º反向旋转A→C→B→A→

三相六拍工作方式：正向旋转A→AB→B→BC→C→CA→A→步距角30º反向旋转A→AC→C→CB→B→BA→A→图4.6三相四极反应式步进电动机的结构示意图图4.7单三拍通电方式时转子的位置三相三拍工作方式：正向旋转A→B→C→A→步距角30º反向旋转A→C→B→A→（a）A相通电（B）B相通电（C）C相通电图4.8步进电动机通电方式三相六拍工作方式：正向旋转A→AB→B→BC→C→CA→A→步距角15º反向旋转A→AC→C→CB→B→BA→A→(a)A相通电(b)A、B相通电(c)C相通电(d)B、C相通电步距角θ的计算：m：定子绕组的相数z：转子的齿数k：通电方式，三相三拍k=1，三相六拍k=24.5直线电动机

直线电动机：是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。直线电动机种类：直线感应电动机、直线直流电动机、直线步进电动机。直线电动机传动优点：1）精度高。直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。2）快速响应。用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。3）可靠性高。仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。4）装配灵活性大。往往可将电动机和其它机件合成一体。

图4.-9直线感应电机的形成

直线感应电动机可以看作是由普通的旋转感应电动机直接演变而来的。图4-9a表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子沿圆周方向展成直线，如图4-9b，这就得到了最简单的平板型直线感应电动机。由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。4.5.1直线感应电动机

图4-10直线感应电机的工作原理行波磁场：旋转电机定子的多相绕组中通入多相电流后产生旋转磁场，在直线电机中则产生移动磁场，称为行波磁场。同步速度：行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度。切向电磁力：在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的。那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。滑差率：

图4-10直线同步电机的工作原理U型直线电机

平板直线电机

4.5.2直线直流电动机直线直流电动机类型：永磁式：功率小、体积小电磁式：功率大、体积大图4-14永磁式直线直流电动机

a)单极b)两极1－电枢绕组2－极靴3－励磁绕组4－电枢铁心5－非磁性端板图4-15电磁式直线直流电动机4.5.3直线步进电动机直线步进电动机特点：直接驱动、容易控制、定位精确等优点。直线步进电动机种类：反应式、永磁式。

图4-16永磁直线步进电动机工作原理直线电机特点（1）结构简单管型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初次级可以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。（2）高速速度方面直线电机具有相当大的优势，直线电机速度达到300m/min，加速度达到10g；滚珠丝杠速度为120m/min，加速度为1.5g。从速度上和加速度的对比上，直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。

4.6直流电机的驱动控制

直流电机的驱动控制包括控制电路、驱动电路和接口电路三个部分。目前，直流电机的驱动多采用开关型PWM驱动控制方式，弱电控制电路和强电驱动电路之间也相应采用开关型光电隔离方式接口连接。

弱电控制电路强弱电隔离接口电路强电驱动电路电机4.6.1开关型功率接口电路

光电隔离技术晶闸管接口继电器输出接口固态继电器接口大功率场效应管开关接口

由于一般计算机控制系统的接口芯片大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管，通常在它们之间加一级驱动器，如7406和7407等。需要注意，光电耦合器的输入、输出端两个电源必须单独供电，如图4-17所示。否则，如果使用同一电源(或共地的两个电源)，外部干扰信号可能通过电源串到系统申来，如图4-18所示，这样就失去了隔离的意义。图4-17正确的光电隔离图4-18不正确的光电隔离1.光电隔离技术2.晶闸管接口

图4-19控制电路与单向晶闸管接口电路晶闸管：是一种大功率电器元件，也称可控硅。晶闸管特点：体积小、效率高、寿命长等优点，在计算机自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。3.继电器输出接口继电器特点：接触电阻小、流过电流大、耐高压；动作可靠性和反应速度不及晶闸管。

继电器种类：电压线圈、电流线圈。图4-20继电器接口电路续流二极管100K3304.固态继电器接口

固态继电器(SolidStateRelay)：简称SSR，是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。固态继电器种类：直流型固态继电器、交流型固态继电器。固态继电器特点：输入控制电流小、输出无触点、体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠。工业用直流固态继电器

图4-22步进电机驱动接口电路图

5.大功率场效应管开关接口场效应管特点：输入阻抗高，关断漏电流小、响应速度快，在计算机开关量输出控制中也常作为开关元件使用。图4-23N型大功率场效应管符号及元件G：控制栅极，D：漏极，S：源极。当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过。否则，场效应管关断。4.6.2直流电机PWM驱动方式

（PULSEWIDTHMODULATE）图4-24直流电机功率驱动电路续流二极管限流电阻（15mA）图4-26PWM调制电路（电压-脉宽变换器）1.PWM功率驱动接口工作原理

图4-25PWM功率驱动接口组成框图

(a)(b)(c)图4-27双极性PWM脉宽调制波形

(a)(b)(c)图4-28单极性PWM脉宽调制波形PWM发生电路TL494TL494内部结构框图TL494的PWM应用电路TL494的PWM应用电路输入输出信号波形

（a）（b）图4-29功率放大电路2．功率放大电路功率放大器是PWM功率接口的主电路，分为单极性和双极性两种。

图4-30H桥功率放大电路基于DCSSR的H型功率放大电路互锁保护的基于DCSSR的H型功率放大电路4.6.3IR2130S三相驱动控制集成芯片

图4-31PWM直流伺服系统驱动电路原理图4.7交流伺服电机控制交流伺服系统优点：

1)无电刷和换向器，因此工作可靠。2)定子绕组散热比较方便。3)惯量小，易于提高系统的快速性。4)适应于高速大力矩工作状态。5)同功率下有较小的体积和重量。

1.位置控制方式指令脉冲（PULS）、指令符号（SIGN）、清除脉冲（CLR）。

2.速度控制方式模拟电压信号（-5V~+5V）到速度信号输入端就可以控制交流伺服电机的速度。3.扭矩控制方式模拟电压信号（-5V~+5V）到扭矩信号输入端就可以控制交流伺服电机的扭矩。（a）控制信号连接方式（b）控制信号波形图4-32交流伺服驱动器位置控制方式图4-33交流伺服驱动器速度控制方式图4-34交流伺服驱动器扭矩控制方式第1章机电一体化系统设计绪论4.8电-气比例阀、伺服阀电-气比例阀和伺服阀种类：压力式比例/伺服阀、流量式比例/伺服阀。压力式比例/伺服阀：将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例/伺服阀：将输给的电信号转换为气体流量。4.8.1滑阀式电气方向比例阀

流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀，1．比例电磁调节阀比例电磁调节阀由液压阀和比例电磁铁构成。2．比例电磁铁结构普通电磁铁：电磁力F=f(距离S,电流I);比列电磁铁：工作行程区内，电流不变的情况下电磁力不随距离改变，则电磁力F=f(电流I)。F电磁力δ位移量工业用比例调节阀直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6图4-35方向比例控制阀结构控制放大器的主要作用是：1)将位移传感器的输出信号进行放大；2)比较指令信号Ue和位移反馈信号Uf，得到两者的差值∆U；3)将∆U放大，转换为电流信号I输出。此外，为了改善比例阀的性能，控制放大器含有对反馈信号Uf和电压差∆U的处理环节。比如状态反馈控制和PID调节等。4.8.2滑阀式二级方向伺阀动圈式二级方向伺服阀：主要由动圈式力马达、喷嘴挡板式气动放大器、滑阀式气动放大器、反馈弹簧等组成。喷嘴档板气动放大器做前置级，滑阀式气动放大器做功率级。图4-36动圈式二级方向伺服阀4.8.3动圈式压力伺服阀

动圈式力马达1、喷嘴2、挡板3、固定节流口4、阀芯5、阀体6、复位弹簧7、租尼孔8图4-37是一种压力伺服阀压力伺服阀：将电信号成比例地转换为气体压力输出。

（a）一个周期的脉冲波（b）调制量与平均输出关系图4-39一个周期的脉冲波及调制量与平均输出的关系4.8.4脉宽调制伺服阀

脉宽调制气动伺服阀：

一种数字式伺服控制，采用的控制阀是开关式气动电磁阀，与模拟式伺服阀不同。图4-38脉宽调制伺服系统方块图1-电磁铁；2-衔铁；3-阀芯；4-阀体；5-反馈弹簧；6-气缸。图4-40滑阀式脉宽调制伺服阀的结构原理图该系统可以根据输入的电信号使气缸活塞在任意位置定位。4.8.5电—气比例伺服系统的应用实例（柔性定位伺服气缸、位置伺服控制系统）（a）系统原理图（b）系统方块图1、2–气缸；3–位移传感器；4-控制放大器图4-41柔性定位伺服气缸原理图4.9电-液比例阀、伺服阀4.9.1电液伺服阀电液伺服阀：

由电气—机械转换器和液压放大器两部分组成。阀的输入为小功率电流信号，输出为大功率的液压信号。图4-42电液伺服阀的基本构成永久磁铁1、导磁体2、衔铁3、控制线圈4和弹簧管5

图4-43QDY电液伺服阀无电流信号输入时，永久磁铁1在a、b、c、d四个气隙中形成的磁通Φg是相同的，衔铁3由弹簧管5支撑在上、下导磁体2的中间位置，此时挡板9处于两个喷嘴6的中间，控制压力p1P=p2P，滑阀7在反馈杆10小球的约束下也处于中位置。当输入控制电流信号时，控制线圈4便产生相应的控制磁通Φc，在图2-43所示情况下，气隙b、c中Φc与Φg方向相同，而a、d中Φc与Φg方向相反，致使b、c中的合成磁通大于a、d中的合成磁通，于是在衔铁上产生一个逆时针方向的磁力矩，使其绕弹簧管中心逆时针偏转，使挡极向右偏移，结果使控制压力p2P大于p1P，推动滑阀左移，同时使反馈杆产生弹性变形，又对衔铁挡板组伴形成一个反向力矩，当作用在衔铁挡板组件上的磁力矩、弹簧管阻力矩、反馈杆反力矩相平衡时，滑阀便停在一个平衡位置上，输出相应流量。在阀的负载压力一定时，输出流量大小决定于输入控制电流大小，输出流量的方向亦由输入控制电流方向决定。由于滑阀的位置是通过反馈杆的变形力反馈到衔铁上使诸力平衡所决定的，所以也称为力反馈式电液伺服阀。又因为采用两级液压放大，故又称为力反馈两级电液伺服阀。8是固定节流孔。3-导磁体，4-控制线圈，5-衔铁，6-弹簧管，7-挡板，8-喷嘴，9-反馈杆，10-阀芯，11-固定节流孔，12-盖，13-滤油器。图4-44工业伺服阀图4-45带电反馈的电液伺服阀功率级滑阀阀芯4位置由位移传感器8检测，由集成电路5向传感器提供激磁电压。并调制其输出电压后反馈到放大器7的输入端形成位置闭环。工作原理是当输入控制电信号经大后输入力矩马达，力矩马达带动挡板9，改变其与两喷嘴2司的距离使主阀芯两端形成压力差，主阀芯移动时带动位移传感器，使传感器把阀芯的实际位移反馈到放大器与期望位移值的信号相比较，两信号相等时，阀芯便停止移动，因此阀芯的位移与输入控制电信号成比例关系。4.9.2电液比例阀

电液比例阀是在传统液压阀基础上采用螺管式比例电磁铁进行控制调节的液压阀。有比例压力阀、比例流量阀及比例方向阀，这种阀的动态性能虽比不上电液伺服阀，但却具有抗污染能力强、可靠、节能、价廉等优点，因此发展得很快，并得到了广泛的应用。1.比例压力阀

此例压力阀包括比例溢流阀窍比例减压阀，结构上有直接控制式和先导式。2.比例流量阀

电磁比例调速阀的结构原理。图4-46电液比例溢流阀结构原理当比例电磁铁5输入电流控制信号I时，就产生一相应电磁力FD，通过推杆4与弹簧6作用于锥阀3上，此时阀所控制的系统压力PS与控制电流I的关系为是中华Fs为先导阀调节弹簧的弹簧力；KI、KP为比例常数，且A为锥阀在阀座上的受压面积。可见阀所控制的压力Ps与输入电流信号I成比例。图中K是遥控口，1是主阀芯，2是阀座，a是阻尼孔。图4-47比例调速阀结构原理串联的压力补偿阀1和节流阀2组成，节流阀开口大小由直流此例电磁铁4控制。当电磁铁线圈输入控制电流信号I时，产生的电磁力FD通过推杆3推动节流滑阀2左移，压缩弹簧5，当弹簧力Fs=CX(C是弹簧刚度)等于电磁力FD时，相应的弹簧压缩量也即节流阀的开口量x所对应的流量为式中Cd为节流口流量系数；W为节流口面积梯度，△P为节流口前后压力差,△P=P1-P2。作业题

请设计一个H型直流电机功率放大器电路如图所示。要求：直流电机36V单电源供电，数字控制电路电压为5V；采用SSR直流固态继电器作为强弱电隔离放大元件；实现电机正转、停止和反转控制，控制信号真值表如图所示，并在电路图中标出真值表中第二种状态的逻辑关系图；当电机反转突然断电时，在电路图中画出续电流的走向。控制信号真值表停止11反转10正转01停止00电机动作反转信号正转信号直流固态继电器组成的放大驱动电路（SSR个数自定）直流电机GND1正转信号反转信号CCWGND2+36V+5V直流电机功率放大器复习思考题4.1执行元件有哪些种类？各有什么特点？4.2说明直流电机的工作原理。4.3说明三相异步电机的工作原理。4.4说明步进电机的工作原理。4.5说明电机驱动的光电隔离技术。4.6说明直流电机PWM驱动原理和方式。4.7说明IR2130三相驱动控制集成芯片的组成结构和工作原理。4.8交流伺服电机有几种工作方式？这几种工作方式是否可以并用？4.7说明电-气比例伺服阀的工作原理和特点。5.3模拟多路开关5.2A/D转换及与单片机接口电路设计5.1MCS-51单片机第5章单片机及接口电路设计

5.6ATmega128基础实例5.5AVR单片机开发工具(ATmega128)5.4AVR单片机简介(ATmega128)5.1MCS-51单片机5.1.1MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构图5-1MCS-51引脚图（1）主电源引脚Vcc和Vss。（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。（3）控制与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/、和/VPP。（4）输入/输出(I/O)引脚、PO、P1、P2、P3(共32根)，其中，P3口(10脚～17脚)还用于专门功能，是复用双功能口。5.1.2MCS-51片内总体结构5.1.3MCS-51单片机基本外围电路

1.MCS-51单片机上电复位电路2．MCS-51单片机时钟电路3．MCS-51单片机基本外围电路图5-6MCS-51单片机基本外围电路

图5-7MCS-51单片机输入输出控制基本电路工作例程如下：#include<REGX51.H>#include<stdio.h>#defineXTAL11.0592Mzunsignedintx,y;voidmain(void){x=P0;y=x;P1=y;}P0口作为输入，检测输入电平高低，P1口作为输出，控制LED亮灭。其工作过程为，检测P0口8个输入电平，再将P0口检测到的8个电平从P1口的8个引脚输出。5.1.4MCS-51单片机看门狗电路(MAX6814)随着单片机技术的发展和制造工艺的日益成熟，单片机的应用领域不断拓宽，但由于单片机自身的抗干扰能力较差，尤其是在一些条件比较恶劣、噪声大的场合常会出现单片机因受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。设置看门狗是防止单片机死机提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。MAX6814是低功耗看门狗电路，该器件通过监视系统软件代码的运行错误提高系统的可靠性。

(a)MAX6814芯片引脚图

(b)电源上电和掉电时序图

(c)看门狗工作时序图图5-8看门狗电路(MAX6814)该器件通过监视系统软件代码的运行错误提高系统的可靠性。当看门狗输入检测到一个瞬变沿WDI时，内部看门狗定时器被清零并重新启动，然后重新开始计时。如果看门狗定时器超过了看门狗超时周期(tWD=1.6s典型值)，低电平有效、推挽式看门狗输出将被触发并维持一个看门狗脉冲（周期tPP=140ms最小值），向系统发出故障警报。图5-9看门狗电路(MAX6814)在MCS-51单片机中的应用电路工作例程如下:#include<REGX51.H>#include<stdio.h>#defineXTAL11.0592Mzunsignedintx,y,i;voidmain(void){for(;;){x=P0;y=5;……P17=0;/喂狗指令/P17=1;}}5.2A/D转换及与单片机接口电路设计传感器变送器A/DCPU电量模拟电压量数字量图传感器与微机的接口通道模拟数字转换电路称为A/D转换。AD571是10位逐次逼近式的单片集成A/D转换芯片。AD571将D/A转换电路、参考电压、时钟脉冲、比较器、逐次逼近寄存器及输比缓冲器集成在一个芯片上，并有三态输出，所以很容易与微处理器接口。图模拟量以数字量的表示A/D变换精度（分辨率）：1LSBA/D变换位数：8位（低精度，1LSB=1/256），10位（常用，1LSB=1/1024），12位（常用，1LSB=1/4096），16位（高精度，1LSB=1/16384）A/D变换满度（模拟输入范围）：0~5V，0~10V，-5~+5V等。A/D变换时间：

从变换开始到变换结束的时间，各厂家采用的电路不同变换时间也不同。例1：10位A/D变换器满度0~5V，当VIN=2.3V时，变换值为多少？例2：10位A/D变换器满度-5~+5V，当VIN=2.3V时，变换值为多少？

AD571转换器AN-IN：模拟电压输入端AN-GND：模拟地GND：电源地V-，V+：工作电源电压输入端（+15V，-15V）BIT1~BIT10：十位数据输出端BPLRof：单极性输入接地、双极性输入接高电平BL/CNV：接高电平不转换，接地启动转换。DATrdy：转换结束时变为低电平转换时间：15μs~40μs，一般为25μsAIN：模拟电压输入端AGND：模拟地GND：数字地V-，V+：

工作电源电压输入端（+15V，-15V）BIT1~BIT10：十位数据输出端BPLRof：

单极性输入接地、双极性输入接高电平B/C—（BLANK/CONVERT）：

接高电平不转换，接地启动转DATrdy：转换结束时变为低电平转换时间：15μs~40μs，一般为25μs计算下列输入电压时的数字输出值：AIN=2.1V(单极性输入)AIN=7.5V(单极性输入)AIN=-3.5V(双极性输入)AIN=2.5V(双极性输入)AD571转换器应用电路图5-12AD1674差分输入双极性A/D转换单片机接口电路5.3模拟多路开关图5-13多路传感器模拟开关切换A/D转换

在使用CD4051或其它同类工艺制作的器件时要注意的是，当只使用其中部分开关时，必须把其余不用的开关的控制端接到VDD或VSS，否则在悬空状态下有可能受高压静电感应而击穿，导致永久性损坏。001100010011000101110111CBA表5-1多路模拟开关CD4051真值表输入状态通道号INH(禁止端)CBACD4051B00000000110010200113010040101501106011171XXX不接通X：忽视5.4AVR单片机简介(ATmega128)5.4.1ATmega128的结构和主要特点128KB的系统内可编程Flash、4KB的EEPROM、53个通用I/0口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个PWM功能的定时器/计数器(T/C)、两个US-ART、两线接口TWI、8通道10位ADC、片内看门狗、SPI串行端口、JTAG程序下载测试接口。5.4.2ATmega128的封装和引脚端口A(PA7～PA0)：8位双向I/O口端口B(PB7～PB0)：8位双向I/O口端口C(PC7～PC0)：8位双向l/O口端口D(PD7～PD0)：8位双向l/O口端口E(PE7～PE0)：8位双向l/O口端口F(PF7～PF0)：8位双向1/O口端口G(PG4～PG0):5位双向l/O口RESET：复位输入引脚。XTAL1：反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。XTAL2：反向振荡器放大器的输出。AVCC：AVCC为端口F以及ADC转换器的电源AREF：AREF为ADC的模拟基准输入引脚。PEN：PEN是SPI串行下载的使能引脚。5.4.3ATmega128的I/O端口描述

端口A寄存器———输出PORTA、方向DDRA、输入PINA位76543210PORTA7PORTA6ORTA5PORTA4PORTA3PORTA2PORTA1PORTA0读/写R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W复位值00000000位76543210DDRA7DDRA6DDRA5DDRA4DDRA3DDRA2DDRA1DDRA0PINA7PINA6PINA5PINA4PINA3PINA2PINA1PINA0读/写RRRRRRRR复位值N/AN/AN/AN/AN/AN/AN/AN/A读/写R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W复位值00000000位765432105.4.4ATmega128端口的第2功能1.端口B的第2功能端口引脚第2功能PB7OC2/OC1C（1）（T/C2的输出比较和PWM输出，或是T/C1的输出比较和PWM输出C）PB6OC1B（T/C1的输出比较和PWM输出B）PB5OC1A（T/C1的输出比较和PWM输出A）PB4OC0（T/C0的输出比较和PWM输出）PB3MISO（SPI总线的主机的输入/从机输出信号）2.端口E的第2功能端口引脚第2功能PE7lNT7/IC3注（外部中断7的输入引脚，或是T/C3输入捕捉的触发引脚）PE6INT7/T3注（外部中断6的输入引脚，或是T/C3的时钟输入）PE5lNT5/OC3C注(外部中断5的输入引脚，或是T/C3的输出比较和PWM输出C引脚)PE4lNT4/OC3B注(外部中断4的输入引脚，或是T/C3的输出比较和PWM输出B引脚)PE3AlNl/0C3A注（模拟比较器负输大端，或是T/C3的输出比较和PWM输出A引脚)PE2AlN0/XCKO注(模拟比较器正输入端，或是USARTO的外部输入/输出时钟)PE1PDO/TXDO(编程数据输出，或是USARTO的发送引脚)PE0PDl/RXD0（编程数据输出，或是USARTO的接收引脚)3.端口F的第2功能端口引脚第2功能P