工业测控系统设计实践邵铁锋◎主编王栋唐建祥孙卫红◎参编内容简介本书编者结合多年技术开发经验，以工业大系统为背景，根据工业测控系统组成，按照信号的产生、传递、处理、输出的主线编写。全书分为7章，包括绪论、传感器与信号、测控主机及通道、数据处理及控制算法、抗干扰技术、常用电子元器件选型及实验。本书适合作为机电及测控相关专业的本科生、高职学生的教材，也可供相关技术人员参考。

党的二十大报告指出“推进新型工业化，加快建设制造强国”。自动化设备制造业的发展水平影响着工业自动化的进程，也是衡量国家工业发达程度的重要标志之一。自动化设备制造涉及机、电、管、控等多学科，知识面广、内容多。目前，很多高校都开设了相关课程，各课程相关教材及资料也已比较丰富，但内容相对分散。因此，我们编写了本书。本书以工业测控系统底层硬件电路及相关算法设计为主线，为初学者提供设计参考及技术入门，提高设计实践水平。本书结合编者多年技术开发经验，以工业大系统为背景，根据工业测控系统组成，按照信号的产生、传递、处理、输出的主线编写。在内容上，以工程实际为主，所用数学公式及定理，只引用其结论，不做推导。全书共分为7章：第1章简介工业系统技术特点及工业测控系统组成;第2章介绍传感器基础知识、选型要点，简介不同类型传感器的基本概念及应用电路；第3章列举工业测控系统中常用主机及输入、输出通道；第4章列举了7种常用的数字滤波算法及PID控制算法;第5章介绍了工业测控系统设计过程中地线的基本概念及印制电路板(PCB)设计的基本规范;第6章列举了工业测控系统中常用的电子元器件,包括其基本参数及选型要点；第7章通过实验巩固基础知识，提高实践能力和系统集成创新意识。本书适合作为机电及测控相关专业的本科生、高职学生的教材。书中内容以实际应用为主，涉及理论分析部分还需参考相关教材。本书由中国计量大学邵铁锋主编，王栋、唐建祥参加了编写工作。具体编写分工：王栋编写了第1章，邵铁锋编写了第2~6章，邵铁锋、王栋、唐建祥共同编写了第7章，孙卫红对教材编写提出了宝贵的意见。全书由邵铁锋统稿。在本书编写过程中，我们参考并引用了大量有关传感器、测控系统设计等方面的著作、论文和资料，限于篇幅未能在文中一一列举，在此一并对相关作者致以衷心的谢意。由于编者水平有限，书中内容难免存在不足之处，望读者批评指正。编者2022年10月

第1章 绪论1
1.1工业系统技术概述1
1.1.1机电一体化技术特点1
1.1.2机电产品设计过程2
1.1.3现代设计方法体系2
1.2工业生产系统认知4
1.2.1生产系统组成4
1.2.2制造业及其操作7
1.2.3制造运行分析8
1.2.4工业自动化11
1.3计算机过程测控技术15
1.3.1测控系统组成15
1.3.2过程控制的类型15
1.3.3测量过程的不同称谓16


第2章 传感器与信号18
2.1传感器18
2.1.1传感器的定义18
2.1.2传感器的选型原则18
2.1.3传感器的分类19
2.2信号30
2.2.1信号的分类与描述30
2.2.2信号频谱的概念31


第3章 测控主机及通道32
3.1测控主机32
3.1.1可编程控制器（PLC）32
3.1.2触摸屏32
3.1.3嵌入式测控仪器32
3.1.4工业PC33
3.2模拟输入通道33
3.2.1信号调理电路34
3.2.2采集电路选择35
3.2.3A/D转换器的选择35
3.2.4模拟输入通道的误差分配与综合36
3.3模拟输出通道37
3.3.1模拟输出通道的基本结构37
3.3.2D/A转换器39
3.4开关量输入/输出通道39
3.4.1开关量输入通道39
3.4.2开关量输出通道40
3.5电气性能匹配42


第4章 数据处理及控制算法44
4.1常用数字滤波算法44
4.1.1算术平均滤波44
4.1.2中位值滤波45
4.1.3限幅滤波45
4.1.4中位值平均滤波法46
4.1.5递推平均滤波法（滑动平均滤波法）47
4.1.6低通滤波47
4.1.7复合滤波48
4.2PID算法原理及实现48
4.2.1模拟PID调节器48
4.2.2数字PID调节器49
4.2.3PID算法流程49
4.2.4PID参数选择51


第5章 抗干扰技术53
5.1接地技术53
5.1.1地线概念53
5.1.2共地与浮地54
5.1.3接地方式54
5.2印制电路板设计55
5.2.1元器件布局基本原则55
5.2.2PCB布线规则56
5.2.3印制电路板的布局59


第6章 常用电子元器件选型61
6.1电阻器选型61
6.1.1电阻基本参数61
6.1.2电阻的种类62
6.2电容器选型63
6.2.1电容基本参数63
6.2.2电容的种类64
6.3二极管选型64
6.3.1二极管基本参数64
6.3.2二极管种类65
6.4三极管选型67
6.4.1三极管基本参数67
6.4.2三极管种类68
6.5金属氧化物半导体场效应三极管（MOSFET）选型68
6.5.1MOSFET基本参数68
6.5.2MOSFET种类69
6.6运算放大器选型70
6.6.1运算放大器基本参数70
6.6.2运算放大器种类70


第7章 实验72
7.1实验背景72
7.1.1系统简介72
7.1.2系统设备功能73
7.1.3系统设备类型73
7.2案例分析实验74
实验1包装生产线总体分析74
实验2工业装备案例分析75
7.3分项实验80
实验1气动控制系统设计实践80
实验2单片机最小系统硬件认知81
实验3按键设定与显示实验83
实验4单片机串行A/D采样84
实验5单片机控制实验88
实验6数字滤波算法C51实现89
实验7滤波电路设计实验90
7.4综合实验94
实验1智能检重分选实验94
实验2嵌入式AGV系统设计102
实验3基于机器视觉的产品质量检测系统设计105
实验4生产线气压测控系统设计106
实验5实验室环境检测系统108
实验6智能下料传送装置109
实验7非接触式温度测量装置设计110
实验8机械臂码垛实验1112
实验9机械臂码垛实验2113
实验10直流电动机控制实验114
附录117
附录A单片机板接口及安装117
附录B项目过程控制——项目领料单120
附录C项目过程控制——实验过程评价表121
附录D项目验收——答辩评价表121
附录E常用电子元器件选型表122
附录F图形符号对照表129
参考文献130

邵铁锋，男，博士，中国计量大学副教授。从事机器人相关技术研究及教学，近年来发表学术论文10余篇，参编教材三本。2018年获浙江省院校教学能力比赛二等奖。2017——2021年，作者指导学生参加高校大学生竞赛排行榜赛事，每一年均获得三维建模赛项一等奖，被评为优秀指导教师。

本书适合作为机电及测控相关专业的本科生、高职学生的教材，也可供相关技术人员参考。