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机械电子学：机械和电气工程中的电子控制系统（原书第6版） 
定 价：129 元 丛书名：国外工业控制与智能制造丛书
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机械电子学是电子工程、机械工程、控制和计算机工程的集成，它处在无数设备、过程和技术的核心。没有它，将无法想象现代的生活。从自动对焦照相机，到汽车发动机管理系统，从达到新技术发展水平的机器人，到普通的洗衣机，机械电子都参与其中。本书对机械电子学领域做了清晰和全面的介绍。通过实践和应用，有助于您获得所需的综合能力来理解和设计机电一体化系统。它同样也深入阐述机械电子学的原理，为形成一种真正的跨学科和综合化的工程方法提供一个思维框架。
前 言机械电子学（或称机电一体化，mechatronics）一词最早由日本工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而成的一门新学科。到了今天，这个词有了更为广泛的含义，一般可以认为它是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在产品的设计制造和加工过程中，对机械工程、电子技术及计算机智能控制的有效并行集成。通过应用这种思想，很多原本由机械结构实现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替代性将使生产过程更具灵活性，重复设计和重复编程更为简单，进而可以让系统具有自动化数据收集及报告的能力。
机械电子学理论要求工程技术人员在解决工程问题时要有运用多学科、综合方法的能力。因此，工程技术人员不能仅限于掌握一个领域的技术知识，还需要有能力运用多学科知识并将它们联系起来。这就需要更多的特殊技巧。本书在介绍机械电子学的基本背景之外，还给出了上文所提到的特殊技巧的关联方法。 为了满足国家高等教育对技术人员的毕业认证要求，本书的第1版囊括了英国商业与技术委员会（BTEC）关于机械电子学的单元。同时本书的编写还包含介绍了许多机械电子学方面的特殊要求，如应用机械电子学方法解决问题时，需要注意的设计、生产和维护方面的问题。本书在英国及美国被广泛应用于本科生和研究生教学。结合英国和美国用书教师的反馈信息，本书第2版对内容进行了扩充和加深，使得本书不但对原有的读者具有参考意义，而且更适合作为本科生教材使用。本书第3版简化了其中的部分解释内容，对微控制器及其编程给出了更详细的讨论，增加了对机电一体化系统模型的介绍，并且就关键内容在附录中给出了索引。第4版对本书的内容及文字表达形式进行了全面的调整，包括重组了部分章节；将更多材料添加到附录中，以避免扰乱行文的流畅性；引入了诸如人工智能等新内容；给出了更多的实例分析；简化了不必要的章节。同时，在每一章添加了学习目的及关键点目录。第5版基本保持了原有的结构，只是通过与本书采用者的交流，对书中的一些内容进行了相应的增删。 由于一些教师感觉各章的排序不符合一般的教学顺序，第6版进行了重组。因此，新版本把系统模型部分移到微处理器系统之后。其他变化包括添加了关于Arduino的资料，还在第24章中添加了更多的题材。 本书的主要目的是帮助技术人员和在校生全面地理解机械电子学内容。本书可以在以下几方面帮助读者： 掌握理解和设计机电一体化系统所必需的机械工程、电子学和计算机科学方面的知识技巧。 掌握机械电子学中多学科知识的交叉应用。 学习设计机电一体化系统。 本书的每一章都包含：本章目的、本章小结、详尽的实例说明及习题。习题的答案可以在本书的结尾部分找到。第24章中的系统研究和设计作业的提示也在本书的结尾给出。 本书的结构为： 第1章是关于机械电子学的通识介绍。 第2～6章主要介绍传感器方面的知识及信号调理。 第7～9章介绍驱动系统。 第10～16章介绍微处理器/微控制器系统。 第17～23章介绍系统模型方面的内容。 第24章总结设计机电一体化系统时需要注意的问题。 授课者的教师指南、测验材料和Powerpoint幻灯片可从如下网站下载：www.pearsoned.co.uk/bolton。 感谢书中涉及仪器的生产制造商提供的出版方面的支持。还要感谢那些仔细阅读了第5版并提出了改进建议的审稿人。 William Bolton 关于本书教辅资料，只有使用本书作为教材的教师才可以申请，需要的教师请联系机械工业出版社华章公司，电话：13601156823，邮箱：wangguang@hzbook.com。——编辑注
威廉·博尔顿（William Bolton）曾担任英国商业与技术委员会（BTEC）继续教育的顾问以及研发和监控的负责人，他编著了多部成功的工程教科书，包括《Mechatronics》《Engineering Science》《Higher Engineering Science》《Mechanical Science》《Instrumentation and Control Systems》等，被国外各大学广泛采用，获得了很好的反响。
目 录
出版者的话 译者序 前言 第一部分 概述 第1章 机械电子学导论1 1.1 什么是机械电子学1 1.1.1 机电一体化系统实例1 1.1.2 嵌入式系统2 1.2 设计流程2 1.2.1 传统的机械电子学设计3 1.3 系统4 1.3.1 系统建模4 1.3.2 连接系统5 1.4 测量系统5 1.5 控制系统6 1.5.1 反馈6 1.5.2 开环与闭环系统7 1.5.3 闭环系统的基本要素8 1.5.4 模拟和数字控制系统11 1.5.5 顺序控制器14 1.6 可编程逻辑控制器15 1.7 机电一体化系统的例子16 1.7.1 数码相机与自动对焦16 1.7.2 发动机管理系统17 1.7.3 MEMS和汽车安全气囊18 本章小结18 习题19 第二部分 传感器与信号调理 第2章 传感器和变送器21 2.1 传感器和变送器简介21 2.1.1 智能传感器21 2.2 性能术语22 2.2.1 静态和动态特性24 2.3 位移、位置和接近25 2.3.1 电位器传感器25 2.3.2 应变片26 2.3.3 电容元件27 2.3.4 差动变压器29 2.3.5 涡流式接近传感器30 2.3.6 电感式接近开关30 2.3.7 光学编码器30 2.3.8 气动传感器32 2.3.9 接近开关32 2.3.10 霍尔效应传感器33 2.4 速度和运动34 2.4.1 增量式编码器34 2.4.2 测速发电机34 2.4.3 热释电传感器35 2.5 力36 2.5.1 应变式称重传感器36 2.6 流体压力36 2.6.1 压电传感器38 2.6.2 触觉传感器39 2.7 液体流动39 2.7.1 孔板39 2.7.2 涡轮流量计40 2.8 液位40 2.8.1 浮块40 2.8.2 压差40 2.9 温度40 2.9.1 双金属片41 2.9.2 电阻温度检测器41 2.9.3 热敏电阻41 2.9.4 热敏二极管和晶体管42 2.9.5 热电偶42 2.10 光敏传感器44 2.11 传感器的选择45 2.12 通过开关输入数据45 2.12.1 消抖46 2.12.2 键盘47 本章小结47 习题47 第3章 信号调理50 3.1 信号调理简介50 3.1.1 信号调理流程50 3.2 运算放大器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 积分和微分放大器53 3.2.5 差分放大器54 3.2.6 对数放大器56 3.2.7 比较器57 3.2.8 实际放大器58 3.3 保护59 3.4 滤波60 3.5 惠斯通电桥61 3.5.1 温度补偿62 3.5.2 热电偶补偿64 3.6 脉冲调制64 3.7 与信号相关的问题65 3.7.1 接地65 3.7.2 电磁干扰66 3.8 功率输送67 本章小结67 习题68 第4章 数字信号69 4.1 数字信号简介69 4.1.1 二进制数69 4.2 模拟信号和数字信号69 4.2.1 采样定理71 4.2.2 数模转换71 4.3 数模转换器和模数转换器71 4.3.1 DAC71 4.3.2 ADC73 4.3.3 采样和保持放大器76 4.4 多路复用器77 4.4.1 数字多路复用器77 4.4.2 时分多路复用78 4.5 数据采集78 4.5.1 数据精度79 4.5.2 错误检测的奇偶校验方法79 4.6 数字信号处理80 本章小结81 习题81 第5章 数字逻辑82 5.1 数字逻辑简介82 5.2 逻辑门82 5.2.1 AND门82 5.2.2 OR门83 5.2.3 NOT门84 5.2.4 NAND门84 5.2.5 NOR门85 5.2.6 XOR门85 5.2.7 逻辑门的组合86 5.2.8 逻辑系列与集成电路87 5.3 逻辑门的应用88 5.3.1 校验位发生器88 5.3.2 数字比较器88 5.3.3 编码器89 5.3.4 译码器89 5.4 时序逻辑93 5.4.1 触发器93 5.4.2 同步系统94 5.4.3 JK触发器95 5.4.4 D触发器96 5.4.5 寄存器97 5.4.6 555定时器97 本章小结98 习题98 第6章 数据显示系统100 6.1 显示方式100 6.1.1 负载效应100 6.2 数据显示元件101 6.2.1 模拟仪表和数字仪表101 6.2.2 模拟图记录仪101 6.2.3 阴极射线示波器101 6.2.4 视觉显示单元102 6.2.5 打印机103 6.3 磁记录104 6.3.1 磁记录码105 6.3.2 磁盘107 6.4 光学记录107 6.5 显示器108 6.5.1 发光二极管109 6.5.2 液晶显示器110 6.6 数据采集系统111 6.6.1 计算机与插件板111 6.6.2 数据记录器113 6.7 测量系统114 6.7.1 用于检测提起重量的称重传感器114 6.7.2 温度警报系统115 6.7.3 滑轮的角位置115 6.7.4 温度测量的二进制输出116 6.8 测试和校准116 6.8.1 校准117 本章小结118 习题118 第三部分 驱动 第7章 气动与液压驱动系统121 7.1 驱动系统121 7.2 气动与液压系统121 7.2.1 液压系统121 7.2.2 气动系统123 7.2.3 阀124 7.3 方向控制阀124 7.3.1 阀的符号125 7.3.2 先导阀126 7.3.3 单向阀127 7.4 压力控制阀127 7.5 缸体128 7.5.1 缸的顺序控制130 7.6 伺服和比例控制阀132 7.7 过程控制阀132 7.7.1 阀体和阀芯133 7.7.2 控制阀的尺寸计算135 7.7.3 流体控制系统举例135 7.8 旋转驱动器136 本章小结136 习题137 第8章 机械驱动系统139 8.1 机械系统139 8.2 运动类型139 8.2.1 自由度和约束140 8.2.2 负载141 8.3 运动链141 8.3.1 四杆链141 8.3.2 滑块曲柄机构142 8.4 凸轮143 8.5 齿轮145 8.5.1 齿轮系146 8.5.2 转动和平动的转换147 8.6 棘轮和棘爪147 8.7 带传动和链传动147 8.7.1 带的类型148 8.7.2 链传动149 8.8 轴承149 8.8.1 径向滑动轴承149 8.8.2 球轴承和滚柱轴承150 8.8.3 轴承的选择151 本章小结151 习题151 第9章 电气驱动系统153 9.1 电气系统153 9.2 机械开关153 9.2.1 继电器153 9.3 固态开关154 9.3.1 二极管155 9.3.2 晶闸管和三端双向可控硅元件155 9.3.3 双极型晶体管157 9.3.4 MOSFET159 9.4 螺线管159 9.5 直流电动机160 9.5.1 有刷直流电动机161 9.5.2 含励磁线圈的有刷直流电动机162 9.5.3 有刷直流电动机的控制163 9.5.4 无刷永磁直流电动机165 9.6 交流电动机167 9.7 步进电动机168 9.7.1 步进电动机技术参数169 9.7.2 步进电动机控制170 9.7.3 步进电动机的选择172 9.8 电动机选择173 9.8.1 惯量匹配173 9.8.2 转矩要求174 9.8.3 功率要求175 本章小结175 习题176 第四部分 微处理器系统 第10章 微处理器和微控制器177 10.1 控制177 10.2 微处理器系统177 10.2.1 总线177 10.2.2 微处理器179 10.2.3 存储器181 10.2.4 输入/输出183 10.2.5 系统示例184 10.3 微控制器186 10.3.1 摩托罗拉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 选择微控制器200 10.4 应用200 10.4.1 温度测量系统201 10.4.2 家用洗衣机201 10.5 编程202 10.5.1 伪代码202 本章小结203 习题204 第11章 汇编语言205 11.1 语言205 11.2 指令集205 11.2.1 寻址208 11.2.2 数据移动209 11.3 汇编语言程序210 11.3.1 汇编语言程序的范例211 11.4 子程序215 11.4.1 延时子程序215 11.5 查找表217 11.5.1 步进电动机的控制延时218 11.6 嵌入式系统220 11.6.1 嵌入式程序220 本章小结222 习题223 第12章 C语言224 12.1 为什么选择C语言224 12.2 程序结构224 12.2.1 主要特征224 12.2.2 一个C程序的示例228 12.3 分支和循环228 12.4 数组231 12.5 指针232 12.5.1 指针的算术运算232 12.5.2 指针和数组233 12.6 程序开发233 12.6.1 头文件233 12.7 程序的示例234 12.7.1 电动机的起动与停止234 12.7.2 读ADC通道234 12.8 Arduino编程235 本章小结238 习题238 第13章 输入/输出系统240 13.1 接口240 13.2 输入/输出寻址240 13.2.1 输入/输出寄存器241 13.3 接口要求242 13.3.1 缓冲器243 13.3.2 握手243 13.3.3 轮询和中断244 13.3.4 串行接口247 13.4 外设接口适配器247 13.4.1 PIA初始化249 13.4.2 通过PIA连接中断信号250 13.4.3 与PIA接口的例子251 13.5 串行通信接口251 13.5.1 微处理器的串行接口253 13.6 接口的示例254 13.6.1 通过译码器控制七段数码管254 13.6.2 模拟接口256 本章小结257 习题257 第14章 可编程逻辑控制器258 14.1 简介258 14.2 PLC基本结构258 14.2.1 输入/输出258 14.2.2 输入程序260 14.2.3 PLC的形式260 14.3 输入/输出处理261 14.3.1 持续更新261 14.3.2 大规模输入/输出复制261 14.3.3 输入/输出地址261 14.4 梯形图编程261 14.4.1 逻辑函数263 14.5 指令列表264 14.5.1 指令列表和逻辑函数265 14.5.2 指令列表和分支程序265 14.6 自锁和内部继电器266 14.6.1 内部继电器266 14.7 顺序控制268 14.8 定时器与计数器269 14.8.1 定时器269 14.8.2 计数器270 14.9 移位寄存器271 14.10 主控指令和跳转指令控制272 14.10.1 跳转273 14.11 数据处理273 14.11.1 数据移动274 14.11.2 数据比较274 14.11.3 算术运算274 14.11.4 代码转换275 14.12 模拟输入/输出275 本章小结276 习题276 第15章 通信系统279 15.1 数字通信279 15.2 集中式、分层式与分布式控制279 15.2.1 并行与串行数据传输280 15.2.2 串行数据通信方式280 15.3 网络281 15.3.1 网络访问控制282 15.3.2 宽带与基带282 15.4 协议282 15.5 开放系统互连通信模型283 15.5.1 网络标准284 15.6 串行通信接口285 15.6.1 RS-232285 15.6.2 20mA电流环287 15.6.3 I2C总线287 15.6.4 CAN总线288 15.6.5 USB289 15.6.6 相线290 15.7 并行通信接口290 15.7.1 其他总线292 15.8 无线协议293 本章小结293 习题294 第16章 故障检测295 16.1 故障检测技术295 16.2 看门狗定时器296 16.3 奇偶校验与误码检测296 16.4 常见的硬件故障298 16.4.1 传感器298 16.4.2 开关和继电器298 16.4.3 电动机298 16.4.4 液压和气动系统298 16.5 微处理器系统298 16.5.1 故障检测技术299 16.5.2 系统故障定位方法301 16.5.3 自测试系统301 16.6 仿真和模拟301 16.6.1 模拟302 16.7 PLC系统302 16.7.1 程序测试302 16.7.2 输入/输出测试303 16.7.3 PLC作为系统的监视器303 本章小结304 习题305 第五部分 系统模型 第17章 基本系统模型307 17.1 数学模型307 17.2 机械系统模块308 17.2.1 转动系统309 17.2.2 构建一个机械系统310 17.3 电气系统模块313 17.3.1 构建电气系统模型314 17.3.2 电气和机械系统的比较316 17.4 流体系统模块316 17.4.1 构建流体系统模型319 17.5 热力系统模块322 17.5.1 构建热系统模型323 本章小结324 习题324 第18章 工程系统模型327 18.1 工程系统327 18.2 转动－平动系统327 18.3 机电一体化系统328 18.3.1 电位器328 18.3.2 直流电动机328 18.4 线性度330 18.5 液压机械系统332 本章小结334 习题334 第19章 系统的动态响应335 19.1 动态系统建模335 19.1.1 微分方程335 19.2 术语335 19.2.1 自然响应与受迫响应335 19.2.2 瞬态与稳态响应336 19.2.3 输入的形式336 19.3 一阶系统337 19.3.1 自然响应337 19.3.2 受迫输入响应338 19.3.3 一阶系统的例子339 19.3.4 时间常量340 19.4 二阶系统341 19.4.1 自然响应342 19.4.2 有受迫输入时的响应344 19.4.3 二阶系统的例子345 19.5 二阶系统的性能指标346 19.6 系统辨识348 本章小结348 习题349 第20章 系统传递函数352 20.1 传递函数352 20.1.1 拉普拉斯变换353 20.2 一阶系统354 20.2.1 具有阶跃输入的一阶系统354 20.2.2 一阶系统的例子354 20.3 二阶系统356 20.3.1 具有阶跃输入的二阶系统356 20.3.2 二阶系统的例子357 20.4 串联的系统357 20.4.1 串联系统的例子357 20.5 带反馈环的系统358 20.5.1 负反馈系统的例子358 20.6 极点位置对瞬态响应的影响359 20.6.1 s平面360 20.6.2 校正360 本章小结361 习题361 第21章 频率响应363 21.1 正弦输入363 21.1.1 系统对正弦输入的响应363 21.2 相量363 21.2.1 相量方程364 21.3 频率响应365 21.3.1 一阶系统的频率响应365 21.3.2 二阶系统的频率响应367 21.4 伯德图367 21.4.1 G（s）=K的伯德图367 21.4.2 G（s）=1/s的伯德图368 21.4.3 一阶系统的伯德图368 21.4.4 二阶系统的伯德图369 21.4.5 建立伯德图369 21.4.6 系统辨识372 21.5 性能指标374 21.6 稳定性374 本章小结375 习题375 第22章 闭环控制系统377 22.1 连续与离散控制过程377 22.1.1 开环与闭环控制系统377 22.2 术语378 22.2.1 滞后378 22.2.2 稳态误差378 22.2.3 控制模式379 22.3 两步控制模式380 22.4 比例模式381 22.4.1 电子比例控制器381 22.4.2 系统响应382 22.5 微分控制382 22.5.1 比例微分（PD）控制383 22.6 积分控制383 22.6.1 比例积分（PI）控制384 22.7 PID控制器385 22.7.1 运算放大器PID电路385 22.8 数字控制器386 22.8.1 控制模式的实现386 22.8.2 采样速率387 22.8.3 计算机控制系统387 22.9 控制系统性能387 22.10 控制器校正388 22.10.1 阶跃响应法388 22.10.2 临界比例度法389 22.11 速度控制389 22.12 自适应控制390 22.12.1 变增益控制391 22.12.2 自校正391 22.12.3 模型参考自适应系统392 本章小结392 习题392 第23章 人工智能394 23.1 什么是人工智能394 23.1.1 自我调控394 23.2 感知和识别394 23.2.1 识别394 23.2.2 神经网络395 23.3 推理395 23
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