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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0 x30、0 x70、0 xB0(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：main:MOV R1,#data；置数据区首地址 MOV DPTR,#7FF8；P2.7置0，且指向通道IN0 MOV R7,#08H；置通道数8loop:MOVX DPTR,A；随机写外存储器 MOV R6,#16H；软件延时，等待转换结束delay:NOP NOP NOP DJNZ R6,delay；共延时225s110s MOVX A,DPTR；读取转换结果 MOV R1,A；转储到数据区 INC DPTR；指向下一个通道 INC R1；修改数据区指针 DJNZ R7,loop；直到8个通道都采集完,