《机电一体化测试技术教学课件作者张澧生张华秦志强编著第1章机电一体化测试平台的构建》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化测试技术教学课件作者张澧生张华秦志强编著第1章机电一体化测试平台的构建（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章机电一体化测试平台的构建,任务1寻找日常生活中常用的传感器 任务2了解常见机电一体化装备中使用的传感器 任务3探究常见传感器的基本原理 任务4认识基于单片机的机电一体化测试开发平台 任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,返回,任务1寻找日常生活中常用的传感器,1.冰箱中用的温度传感器 冰箱以较低的储藏温度来保存食物。正常情况下，冰箱内主要冷藏空间的温度应控制在7以下、冻结温度以上(平均温度为5);冷冻室的温度则应维持在一18以下，才能有效达到冷冻冷藏的目的。 那么冰箱是如何控制温度的呢?首先必须有温度传感器来测量冰箱内冷藏室和冷冻室内的温度，然后将测量的温度与预设的参考温度进行比较，
2、将比较结果送入温度控制器中进行计算，计算的结果将决定制冷设备工作还是不工作，如果工作，那么以多大的功率驱动制冷设备。 冰箱内的温度传感器采用的是数字化温度传感器，这种传感器是一种经过集成封装的传感器，采用单总线协议，即与微控制器(或者说单片机)接口仅占用一个I/O端口，无须任何外部元件，传感器直接将温度转化成数字信号传送给单片机，大大简化了微控制器与传感器的接口。,下一页,返回,任务1寻找日常生活中常用的传感器,下面以美国Dallas半导体公司WZP系列数字化温度传感器DS18B20为例，介绍其产品特性。 (1)适应电压范围为3. 0 5. 5 V，寄生电源方式下可由数据线供电。 (2)单线接
3、口方式，DS18B20在与微控制器连接时仅需要一条接口线即可实现双向通信。 (3 )支持多点联网功能，多个DS18 B20可以并联在唯一的三线上，实现网络多点测温。 (4)在应用时不需要任何外部元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 (5)测温范围为一55 125，在一10 85时精度为5 。 (6)可编程的分辨率为9一12位，对应的可分辨温度分别为0. 5、0. 25、0. 125和0. 062 5，可实现高精度测温。,上一页,下一页,返回,任务1寻找日常生活中常用的传感器,(7)在9位分辨率时最多在93. 75 ms内把温度值转换为数字，12位分辨率时最多在750
4、ms内把温度值转换为数字。 (8)测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 (9)负压特性:电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18 B20具有三种封装方式，如图1一1所示。 2.空调中的温度传感器 空调的制冷原理同冰箱基本一样，只是其控制的温度通常比冰箱的高。空调中采用的温度传感器为负温度系数热敏电阻，简称NTC，其阻值随温度升高而减小，随温度降低而增大，25时的阻值为标称值。如图1一2所示为环氧封装系列NTC热敏电阻,上一页,返回,任务2了解常见机电一体化装备中使用的传感器,下一页,返回,现代机
5、电一体化装备的自动化程度越来越高，传感器也用得越来越多。根据机电一体化装备系统的特征来分类，可以分为制造装备系统、流程装备系统两大类。这两大类装备系统中常用的传感器也有所不同。制造装备系统主要指各种数控装备，其中用得最普遍的传感器包括力传感器、位移传感器、位置传感器、速度传感器和加速度传感器等。 (1)力传感器用来测量重量或者压力等。 (2)位移传感器包括测量角位移的旋转编码器和测量直线位移的光栅尺等。 (3)位置传感器用于检测某个运动物体是否到达某个位置，这种传感器的种类非常多，包括最为简单的接触式行程开关，以及非接触的红外开关、电磁开关、光电开关和霍尔传感器等。位置传感器通常安装在需要检测
6、是否到位的地方，输出开关信号。,任务2了解常见机电一体化装备中使用的传感器,(4)速度传感器种类少一些，因为速度信号通常可以由位移传感器的信号经过一次微分获得。常见的专用速度传感器主要是用于非接触测量某些运动物体(如汽车等)的速度，如激光测速仪等。当然许多速度的测量也可以通过一些技术手段用位置传感器测量，如用光电开关或者磁电开关测量转速。 (5)加速度传感器通常用于测量和监视装备的振动，以保证装备的正常运行。 在自动化装备中还会用到许多更新的现代传感器，如视觉传感器、噪声传感器等。视觉传感器已经单独成为一个庞大的学科，在本书中不做详细介绍。 流程装备系统主要包括石油化工行业的生产线和反应炉，冶
7、金行业的生产线等，这些系统中最为常用的传感器就是温度传感器、流量传感器、压力传感器及物性传感器等。由于流程工业的特殊性，本教材不做介绍。,上一页,返回,任务3探究常见传感器的基本原理,用于介绍传感器原理的书籍或者教材非常多，而且许多传感器的原理在物理课程中已经提及，这里不再重复，有兴趣的读者可以查阅相关教材和资料。,返回,任务4认识基于单片机的机电一体化测试开发平台,对于许多用于机电一体化测试的小型智能仪器和仪表而言，单片机和传感器是最重要的组成部件。而对智能仪表这类产品而言，最重要的是性能和价格比。因此，如何针对具体应用项目选择合适的传感器、单片机或者微控制器，也是学习机电一体化测试技术和应
8、用的重要技能。本书选用本系列教材C语言原来可以这样学和单片机技术及应用中使用的单片机及其教学板作为机电一体化测试开发平台。 1. C51/AVR双单片机教学板 C51/AVR双单片机教学板(图1 -3)涵盖了由“AT89 S52”组成的51单片机最小系统和由“ATMEGA8”组成的AVR单片机最小系统，可以根据项目的需要灵活选择，即可以在一个平台上完成多种类型的基于单片机的机电一体化测试应用开发项目。本书根据前面课程的教学内容安排，也选用AT89 S52作为开发平台。在本书的项目开发中，主要用到如下几个接口。,下一页,返回,任务4认识基于单片机的机电一体化测试开发平台,(1) RS232接口，
9、实现与计算机进行串行通信。 ( 2 ) ISP接口，实现在系统中编程。 ( 3 ) 20PIN排母接口，实现与显示设备(如LC D液晶屏)的连接。 ( 4 ) 47 mm x 36 mm的实验面包板，结合单片机各I/0口，可搭建电路，并与各种传感器连接。 2.开发板技术参数 开发板技术参数主要包括以下几个。 (1)主控芯片:AT89 S52 0 (2)编程开发环境:KEIL C o (3)电源:6一9V直流电源。 (4)主芯片工作电压:4. 5一5. 5 V o (5)晶振:11.059 2 MHz(89552)。 (6)尺寸:102 mm x 97 mm o,上一页,下一页,返回,任务5构建
10、通用机电一体化测试应用开发平台,图1 -4所示为现代通用机电一体化测试应用开发平台。该平台为所有需要学习机电一体化测试技术及其应用的相关专业学生提供了一套通用的软硬件开发平台，能有效地提高学生的动手实践能力和动脑设计能力。该平台主要包括测试对象、传感器、数据采集仪、计算机和虚拟仪器等几部分。另外，为了深入探究传感器信号的处理过程，在传感器部分提供一个传感器开放电路实验模块。 下面简要介绍其中几个共性核心模块，即多路输出电源模块、数据采集模块、虚拟仪器软件平台和传感器开放电路模块，并简要介绍这些模块之间的连接和使用方法，为构建测试平台做准备，而传感器和测试对象等内容则放在后面章节的测试任务中详细
11、介绍。,上一页,下一页,返回,任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,1.多路输出电源模块 多路输出电源模块为平台的传感器和测控对象等提供直流电源+5 V电压，电涡流传感器和振动加速度传感器使用+24 V电压，而数据采集模块则使用+12V电压工作。 多路输出电源模块输入端接入220 V交流电源，模块后部有一个电源开关。直流输出端共有8路5芯航空插头，每一路都包含有+SV、一12 V, +12 V, +24 V等四种直流电压输出，通过统一的电源线，避免了因可能出现电源接线错误而导致设备损坏。如图1 -5所示为多路输出电源模块的外形图和前面板图。 使用时应当注意先接好航空插头，再开启电源，以保护
12、电源模块和用电设备的安全。,上一页,下一页,返回,任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,2.数据采集模块 从传感器输出的测量电信号大多是模拟量信号，不是数字信号。标准(10 V以内或者5V)模拟电信号可以直接进入示波器等测量仪器显示，但不能直接进入计算机(或者单片机)进行分析、处理和显示。为此，需要将测得的模拟量电信号转换成数字信号，数据采集模块 就是用来完成这一任务的。 数据采集模块接受各种传感器输出的标准模拟电信号，将其转换成数字量，通过与计算机的接口传送给计算机。数据采集模块与计算机的接口形式很多，现在最为方便和普及的形式是USB接口，这种接口支持热插拔，具有即插即用功能，所以使用起
13、来很方便。图1一6是本书需要用到的多通道数据采集模块外观图和前面板图，它是按照工业标准设计制作的数据采集模块，配套有强大的动态链接库，它所封装的函数可以被其他应用程序在运行时直接调用，其主要技术指标见表1一1。,上一页,下一页,返回,任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,1)数据采集模块驱动软件的安装 使用数据采集模块前，需要在计算机上安装其驱动程序，具体过程如下: (1)使用USB连接电缆将模块USB接口与计算机USB接口连接起来。 (2)启动计算机，操作系统将自行检测新安装的硬件，并弹出“添加新硬件向导”对话框，选择“从列表或指定位置安装”，单击“下一步”按钮。 (3)选中“在这些位置
14、上搜索最佳驱动程序”，勾选“在搜索中包括这个位置”，单击“浏览”按钮，选择“转子测控模块客户CD TS一INQ一8U一DA多通道数据采集模块、驱动”文件夹，单击“下一步”按钮。 (4)操作系统将安装驱动文件Usb7kC. info (5)单击“完成”按钮。 集模块的USB插头接入主机，并且通道上不接入传感器。,上一页,下一页,返回,任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,2)检查数据采集模块与计算机的数据连接是否正常 (1)用二芯航空插头将数据采集模块电源与多路电源模块+12 V输出连接，将数据采集模块的USB插头接入主机，并且通道上不接入传感器。 (2)打开多路电源模块开关以及数据采集模块
15、开关，观察计算机屏幕右下角是否有安 全删除硬件标志 ，如果没有或者提示“发现新硬件”，那么需要重新安装驱动文件。 (3)打开文件“TS一ROT一6A多功能转子测控模块实验实验程序单通道模拟信号采集.vi”，进入图1一7所示单通道信号采集界面。 (4)将“通道选择”设置为1，“采样频率”设置为1，“采样长度”设置为1 024 0 (5)单击界面左上角“运行”图标 ，观察“设备打开”“ AI初始化”“数据读取”三个指示LED，如果三个指示LED依次变亮，表示采集模块的初始化完成。,上一页,下一页,返回,任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,(6)波形图显示A/ D转换后的电压读数，由于传感器信
16、号没有接入，所以显示的电压读数非常小，在零点零几伏以下，如图1一8所示。 至此，可以确定数据采集模块与计算机的数据通信正常。 3.虚拟仪器软件平台 美国国家仪器有限公司(National Instruments)开发的LabVIE虚拟仪器软件是目前工业测量和控制领域最为常用的应用软件之一，它具有强大的图形化系统设计能力，简化了测量控制系统的设计过程，便于学习和设计完整的工程测试和应用系统。LabVIE也是目前最佳的虚拟仪器程序设计语言，具有丰富的数学和信号处理函数，函数简单直观，易于理解，可实现与硬件的无缝连接，宜于工业应用。LabVIE是国内高校进行虚拟仪器、检测技术和传感器应用学习的首选工具。,上一页,下一页,返回,任务5构建通用机电一体化测试应用开发平台,本书的大多数程序代码是基于LabVIE软件平台设计开发，通过不同的库函数实现数据采集模块与LabVIE、智能控制和驱动模块与LabVIE的完全连接。程序的设计思想源于工业应用，LabVIE提供丰富的子功能模块，便于扩展编程和设计工业测量应用程序。 本书为每一
