機(jī)電一體化設(shè)計(jì) 第三章

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第三章接口設(shè)計(jì)第一節(jié)概述第二節(jié)人機(jī)接口設(shè)計(jì)

第三節(jié)機(jī)電接口設(shè)計(jì)

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第一節(jié)概述

一.二.接口設(shè)計(jì)的重要性接口的分類和特點(diǎn)

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、接口設(shè)計(jì)的重要性

1、接口——機(jī)電一體化系統(tǒng)由許多要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，各要素和各子系統(tǒng)之間必須能順利進(jìn)行物質(zhì)，能量和信息的傳遞與交換，為此各要素和各子系統(tǒng)相接處必須具備一定聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件就稱為接口。

2、接口設(shè)計(jì)的重要性：在某種意義上講，機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，就是在根據(jù)功能要求選擇了各要素后，所進(jìn)行的接口設(shè)計(jì)。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能取決于接口的性能，即各要素和各子系統(tǒng)之間的接口性能是綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。因此接口設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY二、接口的分類和特點(diǎn)

1、根據(jù)接口的交換、調(diào)整、功能：

零接口——不進(jìn)行任何交換和調(diào)整、輸出即為輸入，僅起連接作用的接口。例：輸送管、插頭、插座、接線柱、傳動(dòng)軸、導(dǎo)線、電纜等。

無源接口——只用無源要素進(jìn)行變換、調(diào)整的接口。例：齒輪減速器、進(jìn)給絲杠、變壓器、可變電阻器、透鏡片。

有源接口——含有有源要素，主動(dòng)進(jìn)行匹配的接口。例：電磁離合器、放大器、充電耦合器、D/A，A/D轉(zhuǎn)換器以及力矩變換器等。

智能接口——含有微處理器，可進(jìn)行程序編制或可適應(yīng)性地改變接口條件地接口。例：自動(dòng)變速裝置、通用輸入/輸出LSI、（8255等通用I/OLSI）、GP-IB總線、STD總線等。

2、根據(jù)接口地輸入/輸出功能分：

機(jī)械接口——由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規(guī)格等進(jìn)行機(jī)械聯(lián)接的接口。例：聯(lián)軸器、管接頭、法蘭盤、萬能插口、接線柱、插頭與插座、音頻盒等。長春工業(yè)大學(xué)

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物理接口

——受通過接口部位的物質(zhì)、能量與信息的具體形態(tài)和物理?xiàng)l件約束的接口。例：受V、f、I、C、傳遞扭矩T的大小、氣體成分等條件約束的接口等。

信息接口——受規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號(hào)等邏輯、軟件約束的接口。例：GB、ISO、ASCII碼、RS232C、FORTRAN、C、C++等。

環(huán)境接口——對(duì)周圍環(huán)境條件（溫度、濕度、磁場(chǎng)、火、振動(dòng)、放射能、水、氣、灰塵）有保護(hù)作用盒隔絕作用的接口。例：防塵過濾器、防火聯(lián)接器、防爆開關(guān)等。

3、按照接口所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同：（以控制微機(jī)為出發(fā)點(diǎn)）人機(jī)接口：包括輸入接口、輸出接口機(jī)電接口：又分為信息采集接口（傳感器）、控制輸出接口。長春工業(yè)大學(xué)

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第二節(jié)人機(jī)接口設(shè)計(jì)

一.人機(jī)接口類型及特點(diǎn)二.輸入接口設(shè)計(jì)三.輸出接口設(shè)計(jì)長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、人機(jī)接口類型及特點(diǎn)人機(jī)接口——是操作者與機(jī)電系統(tǒng)（主要是控制微機(jī)）之間進(jìn)行信息交換的接口。特點(diǎn)：專用性；低速性；高性能價(jià)格比類型：1）輸入設(shè)備：控制開關(guān)，BCD碼撥盤，鍵盤，多媒體（音、視頻）

2）輸出設(shè)備：狀態(tài)指示燈、LCD/LED、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等二、輸入接口設(shè)計(jì)（一）開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)常用的開關(guān)有按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等，其表示符號(hào)與接口示例如下圖所示：長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（二）撥盤輸入接口設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)：撥盤內(nèi)部有一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，具有“0～9”十個(gè)位置，可以通過前面兩個(gè)“＋、－”按鈕進(jìn)行位置選擇，對(duì)應(yīng)每個(gè)位置，前面窗口有數(shù)字提示，撥盤后面有五根引出線，分別定義為A、1、2、4、8。當(dāng)撥盤在不同位置時(shí)，1、2、4、8線與A線的通斷關(guān)系如下表：

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2.接口設(shè)計(jì)方法長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（三）鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤工作原理：鍵盤接口方法

如圖示，鍵盤設(shè)置在行、列線交叉點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，當(dāng)行線通過上拉電阻接+5V時(shí)，被嵌位在高電平狀態(tài)鍵盤中有無鍵按下是由列線送入全掃描字，行線讀入行線狀態(tài)來判斷的。其方法是：給列線的所有I/O線均置成低電平，然后將讀取行線電平狀態(tài)，若全為“1”（即為高電平），無鍵按下，不全為“1”，則有鍵閉合。鍵盤中哪一個(gè)鍵按下是由列線逐列送低電平后，檢查行輸入狀態(tài)，其方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下之鍵不在此列，如不全為1，則按下鍵必在此列。而且是在與O電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。鍵號(hào)為狀態(tài)低電平的鍵的行號(hào)加上其所在列的列首號(hào)。長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY3.鍵輸入程序設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)鍵輸入程序時(shí)，應(yīng)考慮下面四項(xiàng)功能：（1）判斷鍵盤上有無鍵閉合

全部….（2）判別閉合鍵的鍵號(hào)

依次….（3）去除鍵的機(jī)械抖動(dòng)（4）使控制微機(jī)對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理三、輸出接口設(shè)計(jì)輸出接口是操作者對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的窗口，通過輸出接口，機(jī)電系統(tǒng)向操作者顯示自身的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)及運(yùn)行結(jié)果等，并進(jìn)行故障報(bào)警。（一）發(fā)光二極管顯示器的接口設(shè)計(jì)

1.七段發(fā)光二極管顯示器的基本結(jié)構(gòu)（1）發(fā)光二極管

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（2）七段發(fā)光二極管顯示器的基本結(jié)構(gòu)

2.七段LED顯示器的接口電路設(shè)計(jì)

1）靜態(tài)工作方式的接口電路設(shè)計(jì)

七段LED顯示器的接口電路設(shè)計(jì)有兩個(gè)任務(wù)：一是提供正確的驅(qū)動(dòng)邏輯；二是提供LED顯示器的工作電流。靜態(tài)工作方式的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，只有在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，微機(jī)才執(zhí)行顯示更新子程序，因而大大節(jié)省了微機(jī)時(shí)間，提高了工作效率。缺點(diǎn)是當(dāng)擴(kuò)展顯示器位數(shù)較多時(shí)，需占用較多的I/O口線。長春工業(yè)大學(xué)

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2）動(dòng)態(tài)工作方式的接口電路設(shè)計(jì)

與靜態(tài)工作方式相比，動(dòng)態(tài)方式大大減少了所占用I/O口線的數(shù)量，節(jié)省了硬件費(fèi)用。但是，為得到穩(wěn)定顯示，微機(jī)必須定期對(duì)顯示器進(jìn)行刷新掃描，這將占用CPU大量時(shí)間，故動(dòng)態(tài)顯示方式主要適用于CPU相對(duì)并不繁忙的場(chǎng)合。長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY3.點(diǎn)陣式LED顯示器及接口設(shè)計(jì)

七段LED顯示器可以顯示數(shù)字及一些簡(jiǎn)單符號(hào)、字母，當(dāng)顯示信息比較復(fù)雜時(shí)，可以選用點(diǎn)陣式LED顯示器做輸出設(shè)備。（1）結(jié)構(gòu)：由發(fā)光二極管矩陣組成，常用的由7行5列和8行8列兩種。（2）接口設(shè)計(jì)：長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY列掃描時(shí)由列線控制口輸出列選通信號(hào)，每次掃描只有一列信號(hào)有效，然后由行線控制口輸出被選中列的顯示信息。依次改變被選中列，就可完成對(duì)整個(gè)顯示器的驅(qū)動(dòng)。例如：顯示字母“C”的列掃描點(diǎn)陣數(shù)據(jù)見下表長春工業(yè)大學(xué)

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第三節(jié)機(jī)電接口設(shè)計(jì)

一.機(jī)電接口類型及特點(diǎn)二.信號(hào)采集通道中的A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)三.控制量輸出接口中的D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)四.控制量輸出接口中的功率接口設(shè)計(jì)長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、機(jī)電接口類型及特點(diǎn)機(jī)電接口——指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械裝置與控制微機(jī)間的接口。按照信息的傳遞方向可分為信息采集接口（傳感器接口）與控制器輸出接口。二、信號(hào)采集通道中的A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)（一）雙積分A/D轉(zhuǎn)換器及接口

1.工作原理：雙積分A/D轉(zhuǎn)換器是基于間接測(cè)量原理，將被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù)，由測(cè)量時(shí)間常數(shù)得到未知電壓值的。

2.MC14433轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)性能和引腳（見教材P72圖3－26）

3.MC14433接口設(shè)計(jì)（教材P72圖3－28）

（二）逐次逼近型（逐次比較型）A/D轉(zhuǎn)換器及接口

1.工作原理：

2.ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器主要性能及引腳(教材圖3－31和圖3－32)3.ADC0809接口設(shè)計(jì)三、控制量輸出接口中的D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)

1.D/A轉(zhuǎn)換原理

2.DAC0832結(jié)構(gòu)及引腳（教材P75）

3.D/A輸出接口設(shè)計(jì)長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY四、控制量輸出接口中功率接口設(shè)計(jì)

(一)常用電力電子器件

1.單向晶閘管（SCR）：

<導(dǎo)通條件>：是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條件。在晶閘管的陽極加上正向電壓，同時(shí)在控制極加上正向電壓。

<截止條件>：是指晶閘管從導(dǎo)通到阻斷所需的條件，晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極就不起控制作用了。只用當(dāng)流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的電流即維持電流時(shí)，晶閘管才關(guān)斷。

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2.功率晶體管：

（1）功率晶體管的特點(diǎn)：所謂功率晶體管就是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時(shí)也稱為電力晶體管，與晶閘管相比，功率晶體管有如下特點(diǎn)；①不僅可以工作在開關(guān)狀態(tài)，也可以工作在模擬狀態(tài)。②開關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管。③控制比晶閘管容易。④價(jià)格高于晶閘管。（2）功率晶體管的結(jié)構(gòu)（3）功率晶體管的應(yīng)用

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(二)光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)1.光電耦合器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)：光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成，并由不透明材料封裝在一起。２.光電耦合器的特點(diǎn)：1）光電耦合器的信號(hào)傳遞采取電-光-電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)不“共地”，能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)強(qiáng)電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)。2）光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)部件，能夠吸收尖峰干擾信號(hào)，所以具有很強(qiáng)的抑制噪聲干擾能力。3）光電耦合器作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間快。3.晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)

（三）繼電器和接觸器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)長春工業(yè)大學(xué)

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY五、干擾問題

在微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，抗干擾問題直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，應(yīng)引起足夠的注意，除了可以采用數(shù)字濾波消除采樣數(shù)據(jù)中的隨機(jī)干擾的軟件措施外，硬件接口設(shè)計(jì)中也必須針對(duì)各種干擾信號(hào)采取抗干擾措施?？垢蓴_是一個(gè)非常復(fù)雜、實(shí)踐性很強(qiáng)的問題，預(yù)先采取抗干擾措施僅僅是一方面，在調(diào)試過程中及時(shí)分析遇到的現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)的電路原理和具體的布線、屏蔽、防護(hù)形式的不斷改進(jìn)，也是一個(gè)重要途徑。1.按干擾源分：內(nèi)部干擾：指系統(tǒng)內(nèi)部的元器件本身產(chǎn)生的干擾，通過電源、地線、分布電容和電感影響系統(tǒng)的正常工作。外部干擾：指現(xiàn)場(chǎng)以外的電網(wǎng)沖擊、雷電干擾、來自其他設(shè)備的電磁干擾等。2.干擾進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)的渠道：空間的電磁感應(yīng)；輸入輸出的傳輸通道；配電系統(tǒng)；3.抗干擾措施：

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY4.常見干擾種類：靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、漏電阻、接觸電位差、多點(diǎn)接地5.接地：