机电一体化设计 第三章

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第三章接口设计第一节概述第二节人机接口设计

第三节机电接口设计

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第一节概述

一.二.接口设计的重要性接口的分类和特点

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、接口设计的重要性

1、接口——机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素和各子系统之间必须能顺利进行物质，能量和信息的传递与交换，为此各要素和各子系统相接处必须具备一定联系条件，这些联系条件就称为接口。

2、接口设计的重要性：在某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。从这一观点出发，机电一体化产品的性能取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是综合系统性能好坏的决定性因素。因此接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY二、接口的分类和特点

1、根据接口的交换、调整、功能：

零接口——不进行任何交换和调整、输出即为输入，仅起连接作用的接口。例：输送管、插头、插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。

无源接口——只用无源要素进行变换、调整的接口。例：齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器、透镜片。

有源接口——含有有源要素，主动进行匹配的接口。例：电磁离合器、放大器、充电耦合器、D/A，A/D转换器以及力矩变换器等。

智能接口——含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件地接口。例：自动变速装置、通用输入/输出LSI、（8255等通用I/OLSI）、GP-IB总线、STD总线等。

2、根据接口地输入/输出功能分：

机械接口——由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。例：联轴器、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、插头与插座、音频盒等。长春工业大学

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物理接口

——受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口。例：受V、f、I、C、传递扭矩T的大小、气体成分等条件约束的接口等。

信息接口——受规格标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。例：GB、ISO、ASCII码、RS232C、FORTRAN、C、C++等。

环境接口——对周围环境条件（温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘）有保护作用盒隔绝作用的接口。例：防尘过滤器、防火联接器、防爆开关等。

3、按照接口所联系的子系统不同：（以控制微机为出发点）人机接口：包括输入接口、输出接口机电接口：又分为信息采集接口（传感器）、控制输出接口。长春工业大学

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第二节人机接口设计

一.人机接口类型及特点二.输入接口设计三.输出接口设计长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、人机接口类型及特点人机接口——是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口。特点：专用性；低速性；高性能价格比类型：1）输入设备：控制开关，BCD码拨盘，键盘，多媒体（音、视频）

2）输出设备：状态指示灯、LCD/LED、打印机、扬声器等二、输入接口设计（一）开关输入接口设计常用的开关有按钮、转换开关等，其表示符号与接口示例如下图所示：长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（二）拨盘输入接口设计

1.结构：拨盘内部有一个可转动圆盘，具有“0～9”十个位置，可以通过前面两个“＋、－”按钮进行位置选择，对应每个位置，前面窗口有数字提示，拨盘后面有五根引出线，分别定义为A、1、2、4、8。当拨盘在不同位置时，1、2、4、8线与A线的通断关系如下表：

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2.接口设计方法长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（三）键盘输入接口设计矩阵式键盘工作原理：键盘接口方法

如图示，键盘设置在行、列线交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，当行线通过上拉电阻接+5V时，被嵌位在高电平状态键盘中有无键按下是由列线送入全扫描字，行线读入行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将读取行线电平状态，若全为“1”（即为高电平），无键按下，不全为“1”，则有键闭合。键盘中哪一个键按下是由列线逐列送低电平后，检查行输入状态，其方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之键不在此列，如不全为1，则按下键必在此列。而且是在与O电平行线相交的交点上的那个键。键号为状态低电平的键的行号加上其所在列的列首号。长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY3.键输入程序设计方法在设计键输入程序时，应考虑下面四项功能：（1）判断键盘上有无键闭合

全部….（2）判别闭合键的键号

依次….（3）去除键的机械抖动（4）使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理三、输出接口设计输出接口是操作者对机电系统进行监测的窗口，通过输出接口，机电系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等，并进行故障报警。（一）发光二极管显示器的接口设计

1.七段发光二极管显示器的基本结构（1）发光二极管

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（2）七段发光二极管显示器的基本结构

2.七段LED显示器的接口电路设计

1）静态工作方式的接口电路设计

七段LED显示器的接口电路设计有两个任务：一是提供正确的驱动逻辑；二是提供LED显示器的工作电流。静态工作方式的优点是显示稳定，只有在需要更新显示内容时，微机才执行显示更新子程序，因而大大节省了微机时间，提高了工作效率。缺点是当扩展显示器位数较多时，需占用较多的I/O口线。长春工业大学

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2）动态工作方式的接口电路设计

与静态工作方式相比，动态方式大大减少了所占用I/O口线的数量，节省了硬件费用。但是，为得到稳定显示，微机必须定期对显示器进行刷新扫描，这将占用CPU大量时间，故动态显示方式主要适用于CPU相对并不繁忙的场合。长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY3.点阵式LED显示器及接口设计

七段LED显示器可以显示数字及一些简单符号、字母，当显示信息比较复杂时，可以选用点阵式LED显示器做输出设备。（1）结构：由发光二极管矩阵组成，常用的由7行5列和8行8列两种。（2）接口设计：长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY列扫描时由列线控制口输出列选通信号，每次扫描只有一列信号有效，然后由行线控制口输出被选中列的显示信息。依次改变被选中列，就可完成对整个显示器的驱动。例如：显示字母“C”的列扫描点阵数据见下表长春工业大学

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第三节机电接口设计

一.机电接口类型及特点二.信号采集通道中的A/D转换接口设计三.控制量输出接口中的D/A转换接口设计四.控制量输出接口中的功率接口设计长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY一、机电接口类型及特点机电接口——指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递方向可分为信息采集接口（传感器接口）与控制器输出接口。二、信号采集通道中的A/D转换接口设计（一）双积分A/D转换器及接口

1.工作原理：双积分A/D转换器是基于间接测量原理，将被测电压值转换成时间常数，由测量时间常数得到未知电压值的。

2.MC14433转换器主要技术性能和引脚（见教材P72图3－26）

3.MC14433接口设计（教材P72图3－28）

（二）逐次逼近型（逐次比较型）A/D转换器及接口

1.工作原理：

2.ADC0809A/D转换器主要性能及引脚(教材图3－31和图3－32)3.ADC0809接口设计三、控制量输出接口中的D/A转换接口设计

1.D/A转换原理

2.DAC0832结构及引脚（教材P75）

3.D/A输出接口设计长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY四、控制量输出接口中功率接口设计

(一)常用电力电子器件

1.单向晶闸管（SCR）：

<导通条件>：是指晶闸管从阻断到导通所需的条件。在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。

<截止条件>：是指晶闸管从导通到阻断所需的条件，晶闸管一旦导通，控制极就不起控制作用了。只用当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。

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2.功率晶体管：

（1）功率晶体管的特点：所谓功率晶体管就是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管，与晶闸管相比，功率晶体管有如下特点；①不仅可以工作在开关状态，也可以工作在模拟状态。②开关速度远大于晶闸管。③控制比晶闸管容易。④价格高于晶闸管。（2）功率晶体管的结构（3）功率晶体管的应用

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(二)光电耦合器驱动接口设计1.光电耦合器的结构和特点：光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并由不透明材料封装在一起。２.光电耦合器的特点：1）光电耦合器的信号传递采取电-光-电形式，发光部分和受光部分不接触，被耦合的两个部分可以自成系统不“共地”，能够实现电控系统强电部分与弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动部件，能够吸收尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制噪声干扰能力。3）光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和高速等优点，响应时间快。3.晶体管输出型光电耦合器驱动接口设计

（三）继电器和接触器驱动接口设计长春工业大学

CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY五、干扰问题

在微机控制系统的设计中，抗干扰问题直接影响到整个系统的可靠性和稳定性，应引起足够的注意，除了可以采用数字滤波消除采样数据中的随机干扰的软件措施外，硬件接口设计中也必须针对各种干扰信号采取抗干扰措施。抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，预先采取抗干扰措施仅仅是一方面，在调试过程中及时分析遇到的现象，对系统的电路原理和具体的布线、屏蔽、防护形式的不断改进，也是一个重要途径。1.按干扰源分：内部干扰：指系统内部的元器件本身产生的干扰，通过电源、地线、分布电容和电感影响系统的正常工作。外部干扰：指现场以外的电网冲击、雷电干扰、来自其他设备的电磁干扰等。2.干扰进入微机控制系统的渠道：空间的电磁感应；输入输出的传输通道；配电系统；3.抗干扰措施：

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CHANGCHUNUNIVERSITYOFTECHNOLOGY4.常见干扰种类：静电感应、电磁感应、漏电阻、接触电位差、多点接地5.接地：