光机电一体化技术实训讲义.doc

光机电一体化技术实训武汉大学工程训练中心2009．6目 录第一章 导 论 ............................................................................................................11.1 概 述 ..............................................................................................................11.2 预备知识 ........................................................................................................31.2.1 控制器 ..................................................................................................31.2.2 电子元器件基础 ..................................................................................71.2.3 传感器 ..................................................................................................9第二章 单片机 C 语言编程 .....................................................................................132.1 C 语言概述 ..................................................................................................132.2 C51 程序的一般结构 ..................................................................................132.3 数据类型、运算符与表达式 ......................................................................142.4 基本语句 ......................................................................................................15第三章 实 训 ..........................................................................................................20实训一 机器人组装与测试 ...............................................................................20实训二 C51 单片机编程环境的创建与使用 ...................................................26实训三 机器人巡航控制 ...................................................................................30实训四 机器人触觉导航（选做）* .................................................................35实训五 机器人红外线导航（选做）* .............................................................37第四章 自动化装配系统教学模型介绍 ..................................................................40附录 创新思维报告 ..................................................................................................441第一章 导 论1.1 概 述机电一体化（Mechatronics ）技术是日本企业界在 1970 年左右最早提出“ 机电一体化技术” 这一概念是从系统的观点出发，将机械技术、电子技术、信息检测技术、自动控制技术等相关技术加以有机融合，实现整个系统的最优化而建立起来的一种新的复合技术。

许多发达国家将机电一体化的前沿技术作为国家高科技技术发展战略的一个重要方向机电一体化技术的在日常生活及工业生产中的各个领域中得到了广泛应用，室内空调、微波炉、全自动洗衣机、数码相机、汽车等都是典型的机电一体化产品，使我们的生活更加舒适简便，变得多姿多彩；数控机床、加工中心、机器人改变了传统的加工方式，极大地提高了生产效率按产品的功能划分，机电一体化产品有以下几种：1. 数控机械类 数控车床及铣床、加工中心、工业机器人、全自动洗衣机等，这类产品的特点是执行机构为机械装置2. 电子设备类 电火花线切割机床、激光加工设备、超声波加工设备等，这类产品的特点是执行机构为电子装置3. 机电结合类 CT 扫描仪、自动售货机等，这类产品的特点是执行机构为机械装置和电子装置有机结合4. 电液（气）伺服类 自动化装配线、起重机械等，这类产品的特点是执行机构为液压（气压）驱动的机械装置5. 信息控制类 磁盘存储器、复印机、机等办公自动化设备，这类产品的特点是执行机构完全由接受的信息控制机电一体化系统（产品）的特点：1）综合性与系统性；2）小型化、微型化；3）高可靠性；4）柔性化、智能化；5）知识密集。

机电一体化系统（产品）由五大要素构成：控制装置、检测装置、执行装置、动力装置、机械装置表 1-1 列出了机电一体化系统（产品）构成要素与人体构成要素的对应关系图 1－1 列出了机电一体化系统（产品）的五大要素及其相应的五大功能表 1-1 机电一体化系统（产品）构成要素与人体构成要素的对应关系机电一体化系统（产品）要素 功 能 人体要素2控 制 控制（信息存储 处理 传送） 大 脑检 测 计测（信息收集与变换） 感觉器官执 行 驱动（操作） 手、脚动 力 提供动力（能量） 肾机 械 构 造 骨 骼图 1-1 机电一体化系统（产品）的五大要素及其相应的五大功能下面以室内空调和太阳能庭院灯为例介绍机电一体化产品：室内空调 如下图 1-2 表示出了室内空调中嵌入控制器后具体的输入输出信号及空调所具有的功能输入 输出图 1-2 空调输入信号输出信号示意图 太阳能庭院灯 由太阳能电池、二极管（可以防止电池的电流在夜间流回太阳能电池） 、微控制器板、电阻、LED 光源、光敏电阻、蓄电池、三极管等构成。

工作原理：利用太阳电池的光伏效应产生电能并对蓄电池进行充电；利用光敏电阻检测光线的强弱，当黑夜来临光强弱至一定值时，通过控制器将蓄电池与 LED 光源接通，开始照明室温传感器模式选择开关定时器风量控制开关设定温度空调嵌入控制器具有的功能 自动运行 室内风量自动调整 定时功能 干燥 辅热功能 就寝控制 除尘网提示电源继电器风扇继电器加热器继电器空压机继电器除尘网指示灯3输入 输出图 1-3 太阳能庭院灯输入信号输出信号示意图图 1-4 太阳能庭院灯太阳能电池光敏电阻检测光强定时器太阳能庭院灯嵌入控制器具有的功能 白天贮存太阳能 晚上自动开启 定时功能LED 光源41.2 预备知识1.2.1 微机人们常用“微机 ”这个术语，即微处理机（微处理器 CPU） 、微型计算机（Microcomputer）简称 MC、微型计算机系统（MCS） 图 1-3 所示为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系图 1-3 CPU、MC 与 MCS 的关系微机的基本硬件构成如图 1-4 所示，包括一个中央处理器（CPU） ，它通过数据总线、地址总线和控制总线与随机存贮器（RAM） 、只读存贮器（ROM）相连，还有用于从外部输入、输出信息的输入/输出装置。

CPU 是计算机的大脑，由一组寄存器（临时存贮信息） 、一个算术和逻辑单元（对信息执行操作） 、一个指令和控制单元（决定 CPU 要进行的操作）构成CPU 负责管理微机所有活动并执行对数据的所有操作,它不断重复两件事：接受指令和执行指令CPU 能够理解并执行由二进制代码组成的指令，这些指令通常用来执行数学运算（加、减、乘、除） ，逻辑运算（与、或、非） ，每条指令代表一个简单的操作按 CPU 中算术逻辑运算单元所能处理的数据位数，即 CPU 能一次处理的数据的最大长度，分位 8 位、16 位、32 位、64 位8 位CPU 是指一次能处理 8 位二进制数（8 位数据） 单片微机中 CPU 大都采用 8位，如 AT89S52 系列ROM 通常存储固定程序和数据，而 RAM 存储输入/输出数作业领域的数据输入/ 输出装置主要执行数据和程序的输入/输出，以及用于输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息5微机的应用领域分为两个方向：普通计算机和控制器（即控制用的微机，如单片机） 普通计算机主要利用它的计算控制功能，在日常工作、科技方面处理较为简单的计算；控制用的微机在家电、机器人、汽车、测试设备等方面得到广泛应用。

图 1-4 微机的基本硬件构成1．单片机 也称单片微型计算机或单片微型电脑，国际上统称为微控制器（Microcontroller） 如图 1-5 所示，在一块集成电路芯片（LSI）上装有CPU、 ROM（只读存储器） 、RAM（可读写存储器）以及输入/输出端口（I/O口）电路，该芯片就被称为单片微型计算机（SCM——Single Chip Microcomputer）简称单片机为了增强实时控制能力，绝大多数单片机的芯片上还集成有定时器/计数器，部分单片机还集成有 A/D、D/A 转换器和 PWM 等功能部件图 1-5 单片机8 位单片机因内部构造简单、体积小、成本低廉，在一些简单的控制器中应用广泛应用最广泛的 8 位单片机首推美国 Itel 公司的 51 系列，包括8031、8051、8751 等品种，其中 8051 是最典型的产品Itel 公司将 51 系列的核心技术授权给了很多公司，其中较典型的 AT89C51 单片机是由美国 ATMEL公司以 8051 为内核开发生产的，后期实训中采用的 AT89S52 单片机就是在此基础上改进而来的目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动6化产品、机器人等机电一体化产品上。

3．可编程控制器(1) 可编程控制器的定义可编程控制器（Programmable Controller）是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种工业控制器其早期称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC为避免与个人计算机PC（ Personal Computer）相混淆。