前 言
第1 章 绪论 1
1.1 背景简介 1
1.2 什么是机电控制技术 2
1.3 机电系统设计流程 4
1.4 机电系统设计举例 5
1.5 机电系统所涵盖的技术 5
1.6 本书目的 6
1.7 本章小结 7
参考文献 7
习题 7
第2 章 继电器接触器电路 8
2.1 常用低压电器 8
2.1.1 开关保护电器 8
2.1.2 主令电器 9
2.2 电气原理图的绘制 18
2.2.1 电气控制系统图中的图形符号和文字符号 18
2.2.2 电气原理图 19
2.2.3 电气元件布置图 20
2.2.4 电气安装接线图 21
2.3 继电器接触器基本控制电路 22
2.3.1 起动、自锁与停止控制电路 22
2.3.2 连续工作与点动控制 22
2.3.3 多点控制 23
2.3.4 联锁控制 23
2.3.5 顺序起动控制 24
2.4 异步电动机的控制 25
2.4.1 三相异步电动机工作原理 25
2.4.2 异步电动机的起动电路 25
2.4.3 异步电动机的正反转控制电路 27
2.4.4 异步电动机的制动电路 29
2.4.5 双速异步电动机的调速控制 31
2.5 交流电动机的调速 33
2.5.1 异步电动机的调速 33
2.5.2 同步电动机的调速 36
2.6 继电器接触器控制电路的设计 38
2.6.1 设计方法和步骤 38
2.6.2 执行机构的选择 38
2.6.3 电气原理图设计的注意事项 39
2.6.4 设计举例 40
2.7 本章小结 40
参考文献 40
习题 41
第3 章 可编程序控制器 43
3.1 PLC 简介 43
3.2 PLC 的结构和工作原理 43
3.2.1 基本结构 43
3.2.2 各组成部分的功能 44
3.2.3 可编程序控制器的基本工作原理 49
3.2.4 可编程序控制器的分类 52
3.2.5 PLC 与继电器接触器控制系统及计算机的区别 53
3.2.6 可编程序控制器FX与S7-200 概述 54
3.3 FX系列编程元件及基本编程语言 54
3.3.1 F 系列PLC 中常用的编程器件与编程语言 54
3.3.2 基本逻辑指令 60
3.3.3 梯形图绘制的基本规则 62
3.3.4 顺序步进指令和编程 63
3.3.5 PLC 控制系统设计方法 65
3.4 S7-200编程元件及基本编程指令 66
3.4.1 S7-200 的编程元件 66
3.4.2 S7-200 的基本编程指令 70
3.4.3 程序举例 73
3.4.4 SIMATIC 工业软件 77
3.5 LM系列PLC 78
3.5.1 LM系列PLC 概述 78
3.5.2 硬件扩展 78
3.5.3 通信功能 78
3.5.4 编程软件介绍 79
3.6 可编程计算机控制器 79
3.6.1 PCC特点及其优势 79
3.6.2 Automation Studio 编程软件应用实例 81
V I
3.7 PLC 系统网络与通信 88
3.7.1 PROFIBUS-FMS 89
3.7.2 PROFIBUS-DP 89
3.7.3 PROFIBUS-PA 90
3.8 本章小结 90
参考文献 90
习题 91
第4 章 计算机数字系统 93
4.1 数字编码系统 93
4.1.1 数制与编码 93
4.1.2 二进制运算 94
4.1.3 浮点数 96
4.1.4 格雷码 97
4.2 布尔代数 97
4.3 触发器 98
4.3.1 RS触发器 98
4.3.2 D 触发器 98
4.3.3 JK 触发器 99
4.3.4 T 触发器 99
4.4 寄存器 99
4.4.1 基本寄存器 100
4.4.2 移位寄存器 100
4.4.3 计数器 101
4.4.4 三态门（三态缓冲器） 102
4.5 常用数据锁存/缓冲/驱动器 102
4.5.1 锁存器 103
4.5.2 同相三态数据缓冲/驱动器 104
4.5.3 8 总线接收/发送器 105
4.6 存储器概述 105
4.6.1 存储器的分类 106
4.6.2 半导体存储器的分类 106
4.6.3 存储单元和存储单元地址 107
4.6.4 存储器的主要指标 108
4.6.5 存储器的寻址原理 108
4.7 隔离与驱动 109
4.7.1 数字隔离 109
4.7.2 继电器驱动控制110
4.8 本章小结 111
参考文献 111
习题 112
第5 章 单片机原理及应用 113
5.1 认识单片机 113
5.1.1 什么是单片机113
5.1.2 MCS-51 单片机的内部硬件结构及引脚114
5.1.3 MCS-51 单片机的内部硬件的主要功能117
5.2 MCS-51 单片机指令系统及汇编语言程序设计 120
5.2.1 MCS-51 单片机指令格式 121
5.2.2 MCS-51 单片机指令系统 123
5.2.3 单片机寻址方式 129
5.2.4 汇编语言程序设计步骤 131
5.3 单片机C 语言程序设计 133
5.3.1 C 语言与MCS-51 133
5.3.2 C51 的数据类型 135
5.3.3 C51 的运算符和表达式 135
5.3.4 C51 的程序结构 138
5.3.5 函数 142
5.3.6 程序开发 143
5.3.7 单片机C51 与汇编语言混合编程 144
5.3.8 PWM 与占空比 145
5.3.9 直流电动机控制例程 146
5.4 数据通信 151
5.4.1 数据通信的概念 151
5.4.2 串行通信 151
5.4.3 并行通信 158
5.4.4 并行I/O 口的应用举例 160
5.5 中断系统 161
5.6 定时器/计数器 164
5.6.1 定时器/计数器的基本结构 164
5.6.2 定时器/计数器的工作方式 165
5.6.3 定时器/计数器的应用举例 167
5.7 A.D转换电路和D.A转换电路 168
5.7.1 ADC0809 转换芯片 169
5.7.2 ADC0809 应用举例 172
5.7.3 DAC0832 转换芯片 174
5.7.4 DAC0832 应用举例 175
5.8 人机交互接口 177
5.8.1 键盘接口 177
5.8.2 显示 181
V III
5.9 设计与开发工具 183
5.9.1 单片机应用系统的设计方法和步骤 183
5.9.2 Keil C51 开发工具软件 184
5.10 本章小结 184
参考文献 184
习题 185
第6 章 机电控制系统设计 187
6.1 单轴机器人定位系统实例描述 187
6.2 方案设计 187
6.2.1 丝杠及齿轮选型 187
6.2.2 转速和功率估算 188
6.2.3 运行总时间计算 188
6.2.4 换算到电动机轴的负载惯量的计算 189
6.2.5 负载转矩的计算 189
6.2.6 电动机的初步选定 190
6.2.7 加速转矩的计算 190
6.2.8 瞬时最大转矩、有效转矩的计算 190
6.2.9 电动机参数校验 191
6.2.10 控制器和编码器选型 191
6.3 机电系统设计的影响因素 191
6.3.1 自然环境因素的影响 191
6.3.2 振动因素的影响 192
6.3.3 系统非线性因素的影响 195
6.3.4 电磁因素的影响 196
6.4 本章小结 196
参考文献 197
习题 197
第7 章 数字信号处理器应用基础 198
7.1 数字信号处理概述 198
7.1.1 数字信号处理 198
7.1.2 数字信号处理过程 199
7.1.3 数字信号处理的实现方式 199
7.1.4 数字信号处理的特点 200
7.2 数字信号处理芯片 201
7.2.1 数字信号处理芯片的主要特点 201
7.2.2 数字信号处理芯片的发展现状与趋势 202
7.3 数字信号处理系统设计 203
7.3.1 设计步骤 203
IX
目录
7.3.2 DSP 芯片的选择 203
7.4 代码设计套件（CCS）开发工具 204
7.4.1 代码设计套件概述 204
7.4.2 代码生成工具 205
7.4.3 CCS集成开发环境 206
7.5 简单应用程序开发实例 210
7.6 TMS320LF2812 DSP 应用实例 212
7.6.1 核心板介绍 212
7.6.2 被控对象分析 212
7.6.3 数字-模拟信号转换模块 213
7.6.4 控制程序的设计与编写 214
7.6.5 控制程序的关键函数 215
7.6.6 积分分离PID 控制程序 216
7.7 无刷电动机控制电动舵机实例 217
7.7.1 电动舵机总体介绍 217
7.7.2 无刷电动机驱动原理 218
7.7.3 电动舵机控制器实现 219
7.7.4 实时性分析 236
7.8 本章小结 239
参考文献 240
习题 240
第8 章 ARM 与FPGA 241
8.1 嵌入式微处理器简介 241
8.2 ARM介绍 241
8.3 ARM微处理器系列 242
8.4 ARM的体系结构 244
8.5 基于Zynq 的可扩展处理平台开发 245
8.5.1 Zynq-7000 系列的来历 245
8.5.2 Zynq 开发套件Zedboard 简介 245
8.5.3 基于Zynq-7000 的开发实例 246
8.5.4 应用程序编写 250
8.5.5 Eclipse 集成开发工具 252
8.6 FPGA 介绍 252
8.6.1 FPGA 结构 252
8.6.2 FPGA 的功能模块 253
8.6.3 FPGA 开发流程 255
8.6.4 FPGA 的常用开发工具 257
8.6.5 FPGA 程序实例 258
8.7 本章小结 266
参考文献 267
习题 267
第9 章 机电控制实例 269
9.1 履带式移动机器人 269
9.1.1 功能介绍 269
9.1.2 机器人结构设计 270
9.1.3 履带机器人控制系统设计 271
9.2 麦克纳姆轮全方位移动平台 275
9.2.1 运动分析 275
9.2.2 全方位移动平台设计 278
9.3 物联网嵌入式节点介绍与农田环境监测实例 285
9.3.1 物联网共性架构 285
9.3.2 ZigBee 无线传感网络节点设计 286
9.3.3 农田环境监测自供电无线传感网络设计 289
9.4 本章小结 292
参考文献 292
习题 293
第10章 现场总线技术与应用 294
10.1 现场总线技术简介 294
10.1.1 现场总线技术的发展 294
10.1.2 现场总线的标准和分类 294
10.2 以太网技术 297
10.3 实时以太网技术及其比较 297
10.4 主要实时以太网介绍 298
10.4.1 POWERLINK 298
10.4.2 ProfiNet 298
10.4.3 Ethernet/IP 299
10.4.4 EtherCAT 299
10.4.5 SERCOS III 300
10.5 POWERLINK 和EtherCAT的比较 300
10.6 本章小结 301
参考文献 302
习题 303
附录 304
附录A MCS-51 指令集 304
附录B MCS-51 系列SFR寄存器功能说明 308