第一部分 概述

第1章 机械电子学导论

1.1 什么是机械电子学

1.1.1 机电一体化系统实例

1.1.2 嵌入式系统

1.2 设计流程

1.2.1 传统的机械电子学设计

1.3 系统

1.3.1 系统建模

1.3.2 连接系统

1.4 测量系统

1.5 控制系统

1.5.1 反馈

1.5.2 开环与闭环系统

1.5.3 闭环系统的基本要素

1.5.4 模拟和数字控制系统

1.5.5 顺序控制器

1.6 可编程逻辑控制器

1.7 机电一体化系统的例子

1.7.1 数码相机与自动对焦

1.7.2 发动机管理系统

1.7.3 MEMS和汽车安全气囊

本章小结

习题

第二部分 传感器与信号调理

第2章 传感器和变送器

2.1 传感器和变送器简介

2.1.1 智能传感器

2.2 性能术语

2.2.1 静态和动态特性

2.3 位移、位置和接近

2.3.1 电位器传感器

2.3.2 应变片

2.3.3 电容元件

2.3.4 差动变压器

2.3.5 涡流式接近传感器

2.3.6 电感式接近开关

2.3.7 光学编码器

2.3.8 气动传感器

2.3.9 接近开关

2.3.10 霍尔效应传感器

2.4 速度和运动

2.4.1 增量式编码器

2.4.2 测速发电机

2.4.3 热释电传感器

2.5 力

2.5.1 应变式称重传感器

2.6 流体压力

2.6.1 压电传感器

2.6.2 触觉传感器

2.7 液体流动

2.7.1 孔板

2.7.2 涡轮流量计

2.8 液位

2.8.1 浮块

2.8.2 压差

2.9 温度

2.9.1 双金属片

2.9.2 电阻温度检测器

2.9.3 热敏电阻

2.9.4 热敏二极管和晶体管

2.9.5 热电偶

2.10 光敏传感器

2.11 传感器的选择

2.12 通过开关输入数据

2.12.1 消抖

2.12.2 键盘

本章小结

习题

第3章 信号调理

3.1 信号调理简介

3.1.1 信号调理流程

3.2 运算放大器

3.2.1 反相放大器

3.2.2 同相放大器

3.2.3 加法放大器

3.2.4 积分和微分放大器

3.2.5 差分放大器

3.2.6 对数放大器

3.2.7 比较器

3.2.8 实际放大器

3.3 保护

3.4 滤波

3.5 惠斯通电桥

3.5.1 温度补偿

3.5.2 热电偶补偿

3.6 脉冲调制

3.7 与信号相关的问题

3.7.1 接地

3.7.2 电磁干扰

3.8 功率输送

本章小结

习题

第4章 数字信号

4.1 数字信号简介

4.1.1 二进制数

4.2 模拟信号和数字信号

4.2.1 采样定理

4.2.2 数模转换

4.3 数模转换器和模数转换器

4.3.1 DAC

4.3.2 ADC

4.3.3 采样和保持放大器

4.4 多路复用器

4.4.1 数字多路复用器

4.4.2 时分多路复用

4.5 数据采集

4.5.1 数据精度

4.5.2 错误检测的奇偶校验方法

4.6 数字信号处理

本章小结

习题

第5章 数字逻辑

5.1 数字逻辑简介

5.2 逻辑门

5.2.1 AND门

5.2.2 OR门

5.2.3 NOT门

5.2.4 NAND门

5.2.5 NOR门

5.2.6 XOR门

5.2.7 逻辑门的组合

5.2.8 逻辑系列与集成电路

5.3 逻辑门的应用

5.3.1 校验位发生器

5.3.2 数字比较器

5.3.3 编码器

5.3.4 译码器

5.4 时序逻辑

5.4.1 触发器

5.4.2 同步系统

5.4.3 JK触发器

5.4.4 D触发器

5.4.5 寄存器

5.4.6 555定时器

本章小结

习题

第6章 数据显示系统

6.1 显示方式

6.1.1 负载效应

6.2 数据显示元件

6.2.1 模拟仪表和数字仪表

6.2.2 模拟图记录仪

6.2.3 阴极射线示波器

6.2.4 视觉显示单元

6.2.5 打印机

6.3 磁记录

6.3.1 磁记录码

6.3.2 磁盘

6.4 光学记录

6.5 显示器

6.5.1 发光二极管

6.5.2 液晶显示器

6.6 数据采集系统

6.6.1 计算机与插件板

6.6.2 数据记录器

6.7 测量系统

6.7.1 用于检测提起重量的称重传感器

6.7.2 温度警报系统

6.7.3 滑轮的角位置

6.7.4 温度测量的二进制输出

6.8 测试和校准

6.8.1 校准

本章小结

习题

第三部分 驱动

第7章 气动与液压驱动系统

7.1 驱动系统

7.2 气动与液压系统

7.2.1 液压系统

7.2.2 气动系统

7.2.3 阀

7.3 方向控制阀

7.3.1 阀的符号

7.3.2 先导阀

7.3.3 单向阀

7.4 压力控制阀

7.5 缸体

7.5.1 缸的顺序控制

7.6 伺服和比例控制阀

7.7 过程控制阀

7.7.1 阀体和阀芯

7.7.2 控制阀的尺寸计算

7.7.3 流体控制系统举例

7.8 旋转驱动器

本章小结

习题

第8章 机械驱动系统

8.1 机械系统

8.2 运动类型

8.2.1 自由度和约束

8.2.2 负载

8.3 运动链

8.3.1 四杆链

8.3.2 滑块曲柄机构

8.4 凸轮

8.5 齿轮

8.5.1 齿轮系

8.5.2 转动和平动的转换

8.6 棘轮和棘爪

8.7 带传动和链传动

8.7.1 带的类型

8.7.2 链传动

8.8 轴承

8.8.1 径向滑动轴承

8.8.2 球轴承和滚柱轴承

8.8.3 轴承的选择

本章小结

习题

第9章 电气驱动系统

9.1 电气系统

9.2 机械开关

9.2.1 继电器

9.3 固态开关

9.3.1 二极管

9.3.2 晶闸管和三端双向可控硅元件

9.3.3 双极型晶体管

9.3.4 MOSFET

9.4 螺线管

9.5 直流电动机

9.5.1 有刷直流电动机

9.5.2 含励磁线圈的有刷直流电动机

9.5.3 有刷直流电动机的控制

9.5.4 无刷永磁直流电动机

9.6 交流电动机

9.7 步进电动机

9.7.1 步进电动机技术参数

9.7.2 步进电动机控制

9.7.3 步进电动机的选择

9.8 电动机选择

9.8.1 惯量匹配

9.8.2 转矩要求

9.8.3 功率要求

本章小结

习题

第四部分 微处理器系统

第10章 微处理器和微控制器

10.1 控制

10.2 微处理器系统

10.2.1 总线

10.2.2 微处理器

10.2.3 存储器

10.2.4 输入/输出

10.2.5 系统示例

10.3 微控制器

10.3.1 摩托罗拉M68HC 11

10.3.2 Intel 8051

10.3.3 Microchip微控制器

10.3.4 Atmel AVR微控制器和Arduino

10.3.5 选择微控制器

10.4 应用

10.4.1 温度测量系统

10.4.2 家用洗衣机

10.5 编程

10.5.1 伪代码

本章小结

习题

第11章 汇编语言

11.1 语言

11.2 指令集

11.2.1 寻址

11.2.2 数据移动

11.3 汇编语言程序

11.3.1 汇编语言程序的范例

11.4 子程序

11.4.1 延时子程序

11.5 查找表

11.5.1 步进电动机的控制延时

11.6 嵌入式系统

11.6.1 嵌入式程序

本章小结

习题

第12章 C语言

12.1 为什么选择C语言

12.2 程序结构

12.2.1 主要特征

12.2.2 一个C程序的示例

12.3 分支和循环

12.4 数组

12.5 指针

12.5.1 指针的算术运算

12.5.2 指针和数组

12.6 程序开发

12.6.1 头文件

12.7 程序的示例

12.7.1 电动机的起动与停止

12.7.2 读ADC通道

12.8 Arduino编程

本章小结

习题

第13章 输入/输出系统

13.1 接口

13.2 输入/输出寻址

13.2.1 输入/输出寄存器

13.3 接口要求

13.3.1 缓冲器

13.3.2 握手

13.3.3 轮询和中断

13.3.4 串行接口

13.4 外设接口适配器

13.4.1 PIA初始化

13.4.2 通过PIA连接中断信号

13.4.3 与PIA接口的例子

13.5 串行通信接口

13.5.1 微处理器的串行接口

13.6 接口的示例

13.6.1 通过译码器控制七段数码管

13.6.2 模拟接口

本章小结

习题

第14章 可编程逻辑控制器

14.1 简介

14.2 PLC基本结构

14.2.1 输入/输出

14.2.2 输入程序

14.2.3 PLC的形式

14.3 输入/输出处理

14.3.1 持续更新

14.3.2 大规模输入/输出复制

14.3.3 输入/输出地址

14.4 梯形图编程

14.4.1 逻辑函数

14.5 指令列表

14.5.1 指令列表和逻辑函数

14.5.2 指令列表和分支程序

14.6 自锁和内部继电器

14.6.1 内部继电器

14.7 顺序控制

14.8 定时器与计数器

14.8.1 定时器

14.8.2 计数器

14.9 移位寄存器

14.10 主控指令和跳转指令控制

14.10.1 跳转

14.11 数据处理

14.11.1 数据移动

14.11.2 数据比较

14.11.3 算术运算

14.11.4 代码转换

14.12 模拟输入/输出

本章小结

习题

第15章 通信系统

15.1 数字通信

15.2 集中式、分层式与分布式控制

15.2.1 并行与串行数据传输

15.2.2 串行数据通信方式

15.3 网络

15.3.1 网络访问控制

15.3.2 宽带与基带

15.4 协议

15.5 开放系统互连通信模型

15.5.1 网络标准

15.6 串行通信接口

15.6.1 RS-232

15.6.2 20mA电流环

15.6.3 I2C总线

15.6.4 CAN总线

15.6.5 USB

15.6.6 相线

15.7 并行通信接口

15.7.1 其他总线

15.8 无线协议

本章小结

习题

第16章 故障检测

16.1 故障检测技术

16.2 看门狗定时器

16.3 奇偶校验与误码检测

16.4 常见的硬件故障

16.4.1 传感器

16.4.2 开关和继电器

16.4.3 电动机

16.4.4 液压和气动系统

16.5 微处理器系统

16.5.1 故障检测技术

16.5.2 系统故障定位方法

16.5.3 自测试系统

16.6 仿真和模拟

16.6.1 模拟

16.7 PLC系统

16.7.1 程序测试

16.7.2 输入/输出测试

16.7.3 PLC作为系统的监视器

本章小结

习题

第五部分 系统模型

第17章 基本系统模型

17.1 数学模型

17.2 机械系统模块

17.2.1 转动系统

17.2.2 构建一个机械系统

17.3 电气系统模块

17.3.1 构建电气系统模型

17.3.2 电气和机械系统的比较

17.4 流体系统模块

17.4.1 构建流体系统模型

17.5 热力系统模块

17.5.1 构建热系统模型

本章小结

习题

第18章 工程系统模型

18.1 工程系统

18.2 转动-平动系统

18.3 机电一体化系统

18.3.1 电位器

18.3.2 直流电动机

18.4 线性度

18.5 液压机械系统

本章小结

习题

第19章 系统的动态响应

19.1 动态系统建模

19.1.1 微分方程

19.2 术语

19.2.1 自然响应与受迫响应

19.2.2 瞬态与稳态响应

19.2.3 输入的形式

19.3 一阶系统

19.3.1 自然响应

19.3.2 受迫输入响应

19.3.3 一阶系统的例子

19.3.4 时间常量

19.4 二阶系统

19.4.1 自然响应

19.4.2 有受迫输入时的响应

19.4.3 二阶系统的例子

19.5 二阶系统的性能指标

19.6 系统辨识

本章小结

习题

第20章 系统传递函数

20.1 传递函数

20.1.1 拉普拉斯变换

20.2 一阶系统

20.2.1 具有阶跃输入的一阶系统

20.2.2 一阶系统的例子

20.3 二阶系统

20.3.1 具有阶跃输入的二阶系统

20.3.2 二阶系统的例子

20.4 串联的系统

20.4.1 串联系统的例子

20.5 带反馈环的系统

20.5.1 负反馈系统的例子

20.6 极点位置对瞬态响应的影响

20.6.1 s平面

20.6.2 校正

本章小结

习题

第21章 频率响应

21.1 正弦输入

21.1.1 系统对正弦输入的响应

21.2 相量

21.2.1 相量方程

21.3 频率响应

21.3.1 一阶系统的频率响应

21.3.2 二阶系统的频率响应

21.4 伯德图

21.4.1 G（s）=K的伯德图

21.4.2 G（s）= 1/s的伯德图

21.4.3 一阶系统的伯德图

21.4.4 二阶系统的伯德图

21.4.5 建立伯德图

21.4.6 系统辨识

21.5 性能指标

21.6 稳定性

本章小结

习题

第22章 闭环控制系统

22.1 连续与离散控制过程

22.1.1 开环与闭环控制系统

22.2 术语

22.2.1 滞后

22.2.2 稳态误差

22.2.3 控制模式

22.3 两步控制模式

22.4 比例模式

22.4.1 电子比例控制器

22.4.2 系统响应

22.5 微分控制

22.5.1 比例微分（PD）控制

22.6 积分控制

22.6.1 比例积分（PI）控制

22.7 PID控制器

22.7.1 运算放大器PID电路

22.8 数字控制器

22.8.1 控制模式的实现

22.8.2 采样速率

22.8.3 计算机控制系统

22.9 控制系统性能

22.10 控制器校正

22.10.1 阶跃响应法

22.10.2 临界比例度法

22.11 速度控制

22.12 自适应控制

22.12.1 变增益控制

22.12.2 自校正

22.12.3 模型参考自适应系统

本章小结

习题

第23章 人工智能

23.1 什么是人工智能

23.1.1 自我调控

23.2 感知和识别

23.2.1 识别

23.2.2 神经网络

23.3 推理

23.3.1 推理机理

23.3.2 基于规则的推理

23.4 学习

本章小结

习题

第六部分 总结

第24章 机电一体化系统

24.1 机电设计

24.1.1 定时开关

24.1.2 刮水器运动

24.1.3 浴室秤

24.2 案例研究

24.2.1 取放机器人

24.2.2 停车栏杆系统

24.2.3 数码相机

24.2.4 汽车控制系统

24.2.5 条形码阅读器

24.2.6 硬盘驱动器

24.3 机器人学

24.3.1 机器人学的三大法则

24.3.2 机器人组件

24.3.3 机器人应用

24.3.4 Arduino机器人

本章小结

习题

第七部分 附录

附录A拉普拉斯变换

附录B数字系统

附录C布尔代数

附录D指令集

附录E C库函数

附录F MATLAB和SIMULINK

附录G电路分析

进一步的参考信息

习题参考答案

索引