機械電子學是電子工程、機械工程、控制和計算機工程的集成，它處在無數設備、過程和技術的核心。沒有它，將無法想象現代的生活。從自動對焦照相機，到汽車發動機管理系統，從達到新技術發展水平的機器人，到普通的洗衣機，機械電子都參與其中。本書對機械電子學領域做了清晰和全面的介紹。通過實踐和應用，有助于您獲得所需的綜合能力來理解和設計機電一體化系統。它同樣也深入闡述機械電子學的原理，為形成一種真正的跨學科和綜合化的工程方法提供一個思維框架。
前 言機械電子學（或稱機電一體化，mechatronics）一詞最早由日本工程師于1969年提出。機械電子學是將機械結構學和電子學結合而成的一門新學科。到了今天，這個詞有了更為廣泛的含義，一般可以認為它是一種新的解決工程技術問題的思想。這種思想具體表現為在產品的設計制造和加工過程中，對機械工程、電子技術及計算機智能控制的有效并行集成。通過應用這種思想，很多原本由機械結構實現具體功能的產品都可以由包含微控制器的產品替代。而這種可替代性將使生產過程更具靈活性，重復設計和重復編程更為簡單，進而可以讓系統具有自動化數據收集及報告的能力。
機械電子學理論要求工程技術人員在解決工程問題時要有運用多學科、綜合方法的能力。因此，工程技術人員不能僅限于掌握一個領域的技術知識，還需要有能力運用多學科知識并將它們聯系起來。這就需要更多的特殊技巧。本書在介紹機械電子學的基本背景之外，還給出了上文所提到的特殊技巧的關聯方法。
為了滿足國家高等教育對技術人員的畢業認證要求，本書的第1版囊括了英國商業與技術委員會（BTEC）關于機械電子學的單元。同時本書的編寫還包含介紹了許多機械電子學方面的特殊要求，如應用機械電子學方法解決問題時，需要注意的設計、生產和維護方面的問題。本書在英國及美國被廣泛應用于本科生和研究生教學。結合英國和美國用書教師的反饋信息，本書第2版對內容進行了擴充和加深，使得本書不但對原有的讀者具有參考意義，而且更適合作為本科生教材使用。本書第3版簡化了其中的部分解釋內容，對微控制器及其編程給出了更詳細的討論，增加了對機電一體化系統模型的介紹，并且就關鍵內容在附錄中給出了索引。第4版對本書的內容及文字表達形式進行了全面的調整，包括重組了部分章節；將更多材料添加到附錄中，以避免擾亂行文的流暢性；引入了諸如人工智能等新內容；給出了更多的實例分析；簡化了不必要的章節。同時，在每一章添加了學習目的及關鍵點目錄。第5版基本保持了原有的結構，只是通過與本書采用者的交流，對書中的一些內容進行了相應的增刪。
由于一些教師感覺各章的排序不符合一般的教學順序，第6版進行了重組。因此，新版本把系統模型部分移到微處理器系統之后。其他變化包括添加了關于Arduino的資料，還在第24章中添加了更多的題材。
本書的主要目的是幫助技術人員和在校生全面地理解機械電子學內容。本書可以在以下幾方面幫助讀者：
掌握理解和設計機電一體化系統所必需的機械工程、電子學和計算機科學方面的知識技巧。
掌握機械電子學中多學科知識的交叉應用。
學習設計機電一體化系統。
本書的每一章都包含：本章目的、本章小結、詳盡的實例說明及習題。習題的答案可以在本書的結尾部分找到。第24章中的系統研究和設計作業的提示也在本書的結尾給出。
本書的結構為：
第1章是關于機械電子學的通識介紹。
第2～6章主要介紹傳感器方面的知識及信號調理。
第7～9章介紹驅動系統。
第10～16章介紹微處理器/微控制器系統。
第17～23章介紹系統模型方面的內容。
第24章總結設計機電一體化系統時需要注意的問題。
授課者的教師指南、測驗材料和Powerpoint幻燈片可從如下網站下載：www.pearsoned.co.uk/bolton。
感謝書中涉及儀器的生產制造商提供的出版方面的支持。還要感謝那些仔細閱讀了第5版并提出了改進建議的審稿人。
William Bolton 關于本書教輔資料，只有使用本書作為教材的教師才可以申請，需要的教師請聯系機械工業出版社華章公司，電話：13601156823，郵箱：wangguang@hzbook.com。——編輯注
威廉·博爾頓（William Bolton）曾擔任英國商業與技術委員會（BTEC）繼續教育的顧問以及研發和監控的負責人，他編著了多部成功的工程教科書，包括《Mechatronics》《Engineering Science》《Higher Engineering Science》《Mechanical Science》《Instrumentation and Control Systems》等，被國外各大學廣泛采用，獲得了很好的反響。
目 錄
出版者的話
譯者序
前言
第一部分 概述
第1章 機械電子學導論1
1.1 什么是機械電子學1
1.1.1 機電一體化系統實例1
1.1.2 嵌入式系統2
1.2 設計流程2
1.2.1 傳統的機械電子學設計3
1.3 系統4
1.3.1 系統建模4
1.3.2 連接系統5
1.4 測量系統5
1.5 控制系統6
1.5.1 反饋6
1.5.2 開環與閉環系統7
1.5.3 閉環系統的基本要素8
1.5.4 模擬和數字控制系統11
1.5.5 順序控制器14
1.6 可編程邏輯控制器15
1.7 機電一體化系統的例子16
1.7.1 數碼相機與自動對焦16
1.7.2 發動機管理系統17
1.7.3 MEMS和汽車安全氣囊18
本章小結18
習題19
第二部分 傳感器與信號調理
第2章 傳感器和變送器21
2.1 傳感器和變送器簡介21
2.1.1 智能傳感器21
2.2 性能術語22
2.2.1 靜態和動態特性24
2.3 位移、位置和接近25
2.3.1 電位器傳感器25
2.3.2 應變片26
2.3.3 電容元件27
2.3.4 差動變壓器29
2.3.5 渦流式接近傳感器30
2.3.6 電感式接近開關30
2.3.7 光學編碼器30
2.3.8 氣動傳感器32
2.3.9 接近開關32
2.3.10 霍爾效應傳感器33
2.4 速度和運動34
2.4.1 增量式編碼器34
2.4.2 測速發電機34
2.4.3 熱釋電傳感器35
2.5 力36
2.5.1 應變式稱重傳感器36
2.6 流體壓力36
2.6.1 壓電傳感器38
2.6.2 觸覺傳感器39
2.7 液體流動39
2.7.1 孔板39
2.7.2 渦輪流量計40
2.8 液位40
2.8.1 浮塊40
2.8.2 壓差40
2.9 溫度40
2.9.1 雙金屬片41
2.9.2 電阻溫度檢測器41
2.9.3 熱敏電阻41
2.9.4 熱敏二極管和晶體管42
2.9.5 熱電偶42
2.10 光敏傳感器44
2.11 傳感器的選擇45
2.12 通過開關輸入數據45
2.12.1 消抖46
2.12.2 鍵盤47
本章小結47
習題47
第3章 信號調理50
3.1 信號調理簡介50
3.1.1 信號調理流程50
3.2 運算放大器51
3.2.1 反相放大器51
3.2.2 同相放大器52
3.2.3 加法放大器52
3.2.4 積分和微分放大器53
3.2.5 差分放大器54
3.2.6 對數放大器56
3.2.7 比較器57
3.2.8 實際放大器58
3.3 保護59
3.4 濾波60
3.5 惠斯通電橋61
3.5.1 溫度補償62
3.5.2 熱電偶補償64
3.6 脈沖調制64
3.7 與信號相關的問題65
3.7.1 接地65
3.7.2 電磁干擾66
3.8 功率輸送67
本章小結67
習題68
第4章 數字信號69
4.1 數字信號簡介69
4.1.1 二進制數69
4.2 模擬信號和數字信號69
4.2.1 采樣定理71
4.2.2 數模轉換71
4.3 數模轉換器和模數轉換器71
4.3.1 DAC71
4.3.2 ADC73
4.3.3 采樣和保持放大器76
4.4 多路復用器77
4.4.1 數字多路復用器77
4.4.2 時分多路復用78
4.5 數據采集78
4.5.1 數據精度79
4.5.2 錯誤檢測的奇偶校驗方法79
4.6 數字信號處理80
本章小結81
習題81
第5章 數字邏輯82
5.1 數字邏輯簡介82
5.2 邏輯門82
5.2.1 AND門82
5.2.2 OR門83
5.2.3 NOT門84
5.2.4 NAND門84
5.2.5 NOR門85
5.2.6 XOR門85
5.2.7 邏輯門的組合86
5.2.8 邏輯系列與集成電路87
5.3 邏輯門的應用88
5.3.1 校驗位發生器88
5.3.2 數字比較器88
5.3.3 編碼器89
5.3.4 譯碼器89
5.4 時序邏輯93
5.4.1 觸發器93
5.4.2 同步系統94
5.4.3 JK觸發器95
5.4.4 D觸發器96
5.4.5 寄存器97
5.4.6 555定時器97
本章小結98
習題98
第6章 數據顯示系統100
6.1 顯示方式100
6.1.1 負載效應100
6.2 數據顯示元件101
6.2.1 模擬儀表和數字儀表101
6.2.2 模擬圖記錄儀101
6.2.3 陰極射線示波器101
6.2.4 視覺顯示單元102
6.2.5 打印機103
6.3 磁記錄104
6.3.1 磁記錄碼105
6.3.2 磁盤107
6.4 光學記錄107
6.5 顯示器108
6.5.1 發光二極管109
6.5.2 液晶顯示器110
6.6 數據采集系統111
6.6.1 計算機與插件板111
6.6.2 數據記錄器113
6.7 測量系統114
6.7.1 用于檢測提起重量的稱重傳感器114
6.7.2 溫度警報系統115
6.7.3 滑輪的角位置115
6.7.4 溫度測量的二進制輸出116
6.8 測試和校準116
6.8.1 校準117
本章小結118
習題118
第三部分 驅動
第7章 氣動與液壓驅動系統121
7.1 驅動系統121
7.2 氣動與液壓系統121
7.2.1 液壓系統121
7.2.2 氣動系統123
7.2.3 閥124
7.3 方向控制閥124
7.3.1 閥的符號125
7.3.2 先導閥126
7.3.3 單向閥127
7.4 壓力控制閥127
7.5 缸體128
7.5.1 缸的順序控制130
7.6 伺服和比例控制閥132
7.7 過程控制閥132
7.7.1 閥體和閥芯133
7.7.2 控制閥的尺寸計算135
7.7.3 流體控制系統舉例135
7.8 旋轉驅動器136
本章小結136
習題137
第8章 機械驅動系統139
8.1 機械系統139
8.2 運動類型139
8.2.1 自由度和約束140
8.2.2 負載141
8.3 運動鏈141
8.3.1 四桿鏈141
8.3.2 滑塊曲柄機構142
8.4 凸輪143
8.5 齒輪145
8.5.1 齒輪系146
8.5.2 轉動和平動的轉換147
8.6 棘輪和棘爪147
8.7 帶傳動和鏈傳動147
8.7.1 帶的類型148
8.7.2 鏈傳動149
8.8 軸承149
8.8.1 徑向滑動軸承149
8.8.2 球軸承和滾柱軸承150
8.8.3 軸承的選擇151
本章小結151
習題151
第9章 電氣驅動系統153
9.1 電氣系統153
9.2 機械開關153
9.2.1 繼電器153
9.3 固態開關154
9.3.1 二極管155
9.3.2 晶閘管和三端雙向可控硅元件155
9.3.3 雙極型晶體管157
9.3.4 MOSFET159
9.4 螺線管159
9.5 直流電動機160
9.5.1 有刷直流電動機161
9.5.2 含勵磁線圈的有刷直流電動機162
9.5.3 有刷直流電動機的控制163
9.5.4 無刷永磁直流電動機165
9.6 交流電動機167
9.7 步進電動機168
9.7.1 步進電動機技術參數169
9.7.2 步進電動機控制170
9.7.3 步進電動機的選擇172
9.8 電動機選擇173
9.8.1 慣量匹配173
9.8.2 轉矩要求174
9.8.3 功率要求175
本章小結175
習題176
第四部分 微處理器系統
第10章 微處理器和微控制器177
10.1 控制177
10.2 微處理器系統177
10.2.1 總線177
10.2.2 微處理器179
10.2.3 存儲器181
10.2.4 輸入/輸出183
10.2.5 系統示例184
10.3 微控制器186
10.3.1 摩托羅拉M68HC11187
10.3.2 Intel 8051191
10.3.3 Microchip微控制器193
10.3.4 Atmel AVR微控制器和Arduino198
10.3.5 選擇微控制器200
10.4 應用200
10.4.1 溫度測量系統201
10.4.2 家用洗衣機201
10.5 編程202
10.5.1 偽代碼202
本章小結203
習題204
第11章 匯編語言205
11.1 語言205
11.2 指令集205
11.2.1 尋址208
11.2.2 數據移動209
11.3 匯編語言程序210
11.3.1 匯編語言程序的范例211
11.4 子程序215
11.4.1 延時子程序215
11.5 查找表217
11.5.1 步進電動機的控制延時218
11.6 嵌入式系統220
11.6.1 嵌入式程序220
本章小結222
習題223
第12章 C語言224
12.1 為什么選擇C語言224
12.2 程序結構224
12.2.1 主要特征224
12.2.2 一個C程序的示例228
12.3 分支和循環228
12.4 數組231
12.5 指針232
12.5.1 指針的算術運算232
12.5.2 指針和數組233
12.6 程序開發233
12.6.1 頭文件233
12.7 程序的示例234
12.7.1 電動機的起動與停止234
12.7.2 讀ADC通道234
12.8 Arduino編程235
本章小結238
習題238
第13章 輸入/輸出系統240
13.1 接口240
13.2 輸入/輸出尋址240
13.2.1 輸入/輸出寄存器241
13.3 接口要求242
13.3.1 緩沖器243
13.3.2 握手243
13.3.3 輪詢和中斷244
13.3.4 串行接口247
13.4 外設接口適配器247
13.4.1 PIA初始化249
13.4.2 通過PIA連接中斷信號250
13.4.3 與PIA接口的例子251
13.5 串行通信接口251
13.5.1 微處理器的串行接口253
13.6 接口的示例254
13.6.1 通過譯碼器控制七段數碼管254
13.6.2 模擬接口256
本章小結257
習題257
第14章 可編程邏輯控制器258
14.1 簡介258
14.2 PLC基本結構258
14.2.1 輸入/輸出258
14.2.2 輸入程序260
14.2.3 PLC的形式260
14.3 輸入/輸出處理261
14.3.1 持續更新261
14.3.2 大規模輸入/輸出復制261
14.3.3 輸入/輸出地址261
14.4 梯形圖編程261
14.4.1 邏輯函數263
14.5 指令列表264
14.5.1 指令列表和邏輯函數265
14.5.2 指令列表和分支程序265
14.6 自鎖和內部繼電器266
14.6.1 內部繼電器266
14.7 順序控制268
14.8 定時器與計數器269
14.8.1 定時器269
14.8.2 計數器270
14.9 移位寄存器271
14.10 主控指令和跳轉指令控制272
14.10.1 跳轉273
14.11 數據處理273
14.11.1 數據移動274
14.11.2 數據比較274
14.11.3 算術運算274
14.11.4 代碼轉換275
14.12 模擬輸入/輸出275
本章小結276
習題276
第15章 通信系統279
15.1 數字通信279
15.2 集中式、分層式與分布式控制279
15.2.1 并行與串行數據傳輸280
15.2.2 串行數據通信方式280
15.3 網絡281
15.3.1 網絡訪問控制282
15.3.2 寬帶與基帶282
15.4 協議282
15.5 開放系統互連通信模型283
15.5.1 網絡標準284
15.6 串行通信接口285
15.6.1 RS-232285
15.6.2 20mA電流環287
15.6.3 I2C總線287
15.6.4 CAN總線288
15.6.5 USB289
15.6.6 相線290
15.7 并行通信接口290
15.7.1 其他總線292
15.8 無線協議293
本章小結293
習題294
第16章 故障檢測295
16.1 故障檢測技術295
16.2 看門狗定時器296
16.3 奇偶校驗與誤碼檢測296
16.4 常見的硬件故障298
16.4.1 傳感器298
16.4.2 開關和繼電器298
16.4.3 電動機298
16.4.4 液壓和氣動系統298
16.5 微處理器系統298
16.5.1 故障檢測技術299
16.5.2 系統故障定位方法301
16.5.3 自測試系統301
16.6 仿真和模擬301
16.6.1 模擬302
16.7 PLC系統302
16.7.1 程序測試302
16.7.2 輸入/輸出測試303
16.7.3 PLC作為系統的監視器303
本章小結304
習題305
第五部分 系統模型
第17章 基本系統模型307
17.1 數學模型307
17.2 機械系統模塊308
17.2.1 轉動系統309
17.2.2 構建一個機械系統310
17.3 電氣系統模塊313
17.3.1 構建電氣系統模型314
17.3.2 電氣和機械系統的比較316
17.4 流體系統模塊316
17.4.1 構建流體系統模型319
17.5 熱力系統模塊322
17.5.1 構建熱系統模型323
本章小結324
習題324
第18章 工程系統模型327
18.1 工程系統327
18.2 轉動－平動系統327
18.3 機電一體化系統328
18.3.1 電位器328
18.3.2 直流電動機328
18.4 線性度330
18.5 液壓機械系統332
本章小結334
習題334
第19章 系統的動態響應335
19.1 動態系統建模335
19.1.1 微分方程335
19.2 術語335
19.2.1 自然響應與受迫響應335
19.2.2 瞬態與穩態響應336
19.2.3 輸入的形式336
19.3 一階系統337
19.3.1 自然響應337
19.3.2 受迫輸入響應338
19.3.3 一階系統的例子339
19.3.4 時間常量340
19.4 二階系統341
19.4.1 自然響應342
19.4.2 有受迫輸入時的響應344
19.4.3 二階系統的例子345
19.5 二階系統的性能指標346
19.6 系統辨識348
本章小結348
習題349
第20章 系統傳遞函數352
20.1 傳遞函數352
20.1.1 拉普拉斯變換353
20.2 一階系統354
20.2.1 具有階躍輸入的一階系統354
20.2.2 一階系統的例子354
20.3 二階系統356
20.3.1 具有階躍輸入的二階系統356
20.3.2 二階系統的例子357
20.4 串聯的系統357
20.4.1 串聯系統的例子357
20.5 帶反饋環的系統358
20.5.1 負反饋系統的例子358
20.6 極點位置對瞬態響應的影響359
20.6.1 s平面360
20.6.2 校正360
本章小結361
習題361
第21章 頻率響應363
21.1 正弦輸入363
21.1.1 系統對正弦輸入的響應363
21.2 相量363
21.2.1 相量方程364
21.3 頻率響應365
21.3.1 一階系統的頻率響應365
21.3.2 二階系統的頻率響應367
21.4 伯德圖367
21.4.1 G（s）=K的伯德圖367
21.4.2 G（s）=1/s的伯德圖368
21.4.3 一階系統的伯德圖368
21.4.4 二階系統的伯德圖369
21.4.5 建立伯德圖369
21.4.6 系統辨識372
21.5 性能指標374
21.6 穩定性374
本章小結375
習題375
第22章 閉環控制系統377
22.1 連續與離散控制過程377
22.1.1 開環與閉環控制系統377
22.2 術語378
22.2.1 滯后378
22.2.2 穩態誤差378
22.2.3 控制模式379
22.3 兩步控制模式380
22.4 比例模式381
22.4.1 電子比例控制器381
22.4.2 系統響應382
22.5 微分控制382
22.5.1 比例微分（PD）控制383
22.6 積分控制383
22.6.1 比例積分（PI）控制384
22.7 PID控制器385
22.7.1 運算放大器PID電路385
22.8 數字控制器386
22.8.1 控制模式的實現386
22.8.2 采樣速率387
22.8.3 計算機控制系統387
22.9 控制系統性能387
22.10 控制器校正388
22.10.1 階躍響應法388
22.10.2 臨界比例度法389
22.11 速度控制389
22.12 自適應控制390
22.12.1 變增益控制391
22.12.2 自校正391
22.12.3 模型參考自適應系統392
本章小結392
習題392
第23章 人工智能394
23.1 什么是人工智能394
23.1.1 自我調控394
23.2 感知和識別394
23.2.1 識別394
23.2.2 神經網絡395
23.3 推理395
23
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