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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的pwm直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文附電路圖、程序清單(編輯修改稿)

2025-04-03 10:23 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6P 2 .6 /A 1 427啟停加速減速方向 圖 控制輸入 電路 本文采用查詢(xún)工作方式,即直接在主程序中插入鍵盤(pán)檢測(cè)子程序,主程序每執(zhí)行一次則鍵盤(pán)檢測(cè)子程序被執(zhí)行一次,對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)一次,如果把沒(méi)有鍵按下,則跳過(guò)鍵識(shí)別,直接執(zhí)行主程序;如果有鍵按下,則通過(guò)鍵盤(pán)掃描子程序識(shí)別按鍵,得到按鍵的編碼值,然后根據(jù)編碼值進(jìn)行相應(yīng)的處理,處理完后再回到主程序執(zhí)行。 16 電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)模塊的電路 P 2 . 6P 2 . 710 圖 電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)模塊的電路 本電路采用的是以大功率 GTR 為開(kāi)關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖 2 所示。圖中,四只 GTR 分為兩組, 1VT 和 4VT 為一組, 2VT 和 3VT 為另一組。同一組中的兩只 GTR 同時(shí)導(dǎo)通,同時(shí)關(guān)斷,且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。 GTR 是一種雙極性大功率高反壓晶體管,它大多用作功率開(kāi)關(guān)使用,而且 GTR是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件,這一特性可以使各類(lèi)變流電 路的控制更加方便和靈活,線(xiàn)路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面,我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響,脈沖頻率高連續(xù)性好,但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),脈沖頻率在 40Hz 以上,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn),但加負(fù)載后,速度下降明顯,低速時(shí)甚至?xí)^D(zhuǎn);脈沖頻率在 10Hz 以下,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明,脈沖頻率在 15Hz30Hz 時(shí)效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò) 輸入信號(hào), 輸入低電平與 輸入低電平, 輸入信 號(hào)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)車(chē)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度微調(diào)方面,可以通過(guò)對(duì)占空比跨度逐增或逐減分別實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的逐加或逐減。 利用孤立元件搭建的 H 橋電路一個(gè)缺點(diǎn)就是擊穿, 即 Q1 和 Q2 同時(shí)導(dǎo)通,或者Q3 和 Q4 同時(shí)導(dǎo)通。選擇使用芯片可減少這一狀況。常用的電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)芯片有:TA7291S、 NJU7382 、 L29 L298。 17 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)選擇 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái),單片機(jī)的發(fā)展非常迅速,就通用單片機(jī)而言,世界上一些著名的計(jì)算機(jī)廠家已投放市場(chǎng)的產(chǎn)品就有 50 多個(gè)系 列,數(shù)百個(gè)品種。目前世界上較為著名的 8 位單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和主要機(jī)型如下: 美國(guó) Intel 公司: MCS— 51 系列及其增強(qiáng)型系列 美國(guó) Motorola 公司: 6801 系列和 6805 系列 美國(guó) Atmel 公司: 89C51 等單片機(jī) 美國(guó) Zilog 公司: Z8 系列及 SUPER8 美國(guó) Fairchild 公司: F8 系列和 3870 系列 美國(guó) Rockwell 公司: 6500/1 系列 美國(guó) TI(德克薩司儀器儀表)公司: TMS7000 系列 NS(美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體)公司: NS8070 系列 等等。 盡管單片機(jī)的品種很多,但是在我國(guó)使用最多 的還是 Intel 公司的 MCS— 51 系列單片機(jī)和美國(guó) Atmel 公司的 89C51 單片機(jī) MCS— 51系列單片機(jī)包括三個(gè)基本型 803805 8751 8031 內(nèi)部包括一個(gè) 8 位 CPU、 128 個(gè)字節(jié) RAM, 21 個(gè)特殊功能寄存器( SFR)、 4個(gè) 8 位并行 I/O 口、 1 個(gè)全雙工串行口、 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器,但片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器,需外擴(kuò) EPROM 芯片。比較麻煩,不予采用 8051 是在 8031 的基礎(chǔ)上,片內(nèi)集成有 4K ROM,作為程序存儲(chǔ)器,是一個(gè)程序不超過(guò) 4K 字節(jié)的小系統(tǒng)。 ROM 內(nèi)的程序是公司制作芯片時(shí),代為用戶(hù)燒制的, 出廠的 18 8051 都是含有特殊用途的單片機(jī)。所以 8051 適合與應(yīng)用在程序已定,且批量大的單片機(jī)產(chǎn)品中。也不予采用。 8751 是在 8031 基礎(chǔ)上,增加了 4K 字節(jié)的 EPROM,它構(gòu)成了一個(gè)程序小于 4KB的小系統(tǒng)。用戶(hù)可以將程序固化在 EPROM 中,可以反復(fù)修改程序。但其價(jià)格相對(duì) 8031較貴。 8031 外擴(kuò)一片 4KB EPROM 的就相當(dāng)與 8751,它的最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,能裝入片內(nèi)的外圍接口電路也可以是大規(guī)模的。也不予采用。 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓,高性能 CMOS 8 位單片機(jī),片內(nèi)含4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器( PEROM)和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器( ROM),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用 8 位中央處理器( CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元。功能強(qiáng)大 AT89C51單片機(jī)可提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。此設(shè)計(jì)就采用AT89C51。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外,大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因 此,軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。 鍵盤(pán)向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令,由單片機(jī)通過(guò) 與 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈沖,另一口輸出高電平,驅(qū)動(dòng) H 型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)表示。速度分 10 檔,快慢與電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)快慢一一對(duì)應(yīng)。 在程序中通過(guò)軟件產(chǎn)生 PWM,送出預(yù)設(shè)占空比的 PWM 波形。 PWM(脈沖寬度調(diào)制)是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列,由于每個(gè)脈沖的高電平時(shí)間和低電平時(shí)間之和必須等于周期數(shù),所以輸出電平的維持時(shí)間必須由定時(shí)器來(lái)控制。設(shè)PWM 周期為 T,高電平時(shí)間為 TH,低電平時(shí)間為 TL,電壓為 VCC,則輸出電壓的平均值為: UAV =VCC*TH/( TH+TL) =VCC*TH/T=aVCC,當(dāng) VCC 固定時(shí),其 電壓 19 值取決于 PWM 波形的占空比 a,而 PWM 的占空比由單片機(jī)軟件內(nèi)部用于控制 PWM輸出的寄存器值決定。 通過(guò)對(duì)單片機(jī)定時(shí)器初始值的不同設(shè)置,來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比 PWM 輸出控制。用定時(shí)器 T0 完成 PWM 輸出, 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為 ,周期 60MS。定時(shí)器 計(jì)數(shù) 初值為 8AD0H。 計(jì)數(shù)初值 X 計(jì)算方法: (65536- X) =30000,轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制: X=35536= 8AD0H。 軟件主要由 3 部分組 成:主程序、鍵盤(pán)掃描程序、中斷處理程序。主程序流程如圖 41 所示。 開(kāi) 始初 始 化啟 停 鍵 按 下 ?開(kāi) 定 時(shí) 中 斷關(guān) 外 中 斷軟 件 延 時(shí)去 抖 動(dòng)開(kāi) 外 中 斷啟 動(dòng) 定 時(shí)等 待 中 斷啟 停 鍵 按 下 ?YNYN 圖 主程序流程圖 20 初始化后,除義初始數(shù)據(jù)外,將定時(shí)器 T0 設(shè)為工作方式 1, F0 作為電機(jī)轉(zhuǎn)向的標(biāo)志位, CT0, CT1作為速度檔位的標(biāo)志,應(yīng)用于后來(lái)的加速減速控制。 HDIAN0與 LDIAN0作為高電平延遲時(shí)間存儲(chǔ)單元, HDIAN1 與 LDIAN1 作為低電平延遲時(shí)間存儲(chǔ)單元。 定時(shí)中斷處理程序 采用定時(shí)方式 1,因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用 12M 晶振,可產(chǎn)生最高約為 的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值 8AD0H 可定時(shí) 60ms。當(dāng) 60ms 定時(shí)時(shí)間到,定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序,完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值。 PWM 脈寬控制 一個(gè)脈沖周期可以由高電平持續(xù)時(shí)間系數(shù) DIAN0 和低電平持續(xù)時(shí)間系數(shù) DIAN1組成,本設(shè)計(jì)中采用的脈沖頻率為 ,可得 DIAN0+ DIAN1=65536,占空比為DIAN0/( DIAN0+ DIAN1),因此要實(shí)現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式,只需通過(guò)程序改變?nèi)肿兞?DIAN0, DIAN1 的值,該子程序流程圖如圖 。 中 斷 響 應(yīng)定 時(shí) 中 斷 請(qǐng) 求關(guān) 外 中 斷W A Y = 0 ?P 2 . 6 置 1P 2 . 7 = 1 ?存 定 時(shí)D I A N 0P 2 . 7 置 1開(kāi) 外 中 斷中 斷 返 回P 2 . 7 置 1P 2 . 6 = 1 ?存 定 時(shí)D I A N 1P 2 . 6 置 0存 定 時(shí)D I A N 1P 2 . 7 置 0存 定 時(shí)D I A N 0P 2 . 6 置 1YNYYNN 圖 PWM 脈寬控制流程圖 21 鍵盤(pán)中斷處理子程序 采用中斷方式,按下鍵,單片機(jī) 腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿,響應(yīng)該中斷處理程序,完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。 外 中 斷 響 應(yīng)中 斷 請(qǐng) 求關(guān) 外 中 斷K 4 = 1 ?K 1 = 1 ?開(kāi) 外 中 斷中 斷 返 回K 4 = 1 ?改 變 w a yYNYYNK 2 = 1 ?YK 3 = 1 ?Y軟 件 延 時(shí)去 抖 動(dòng)K 1 = 1 ?N軟 件 延 時(shí)去 抖 動(dòng)NK 2 = 0 ?加 速子 程 序N軟 件 延 時(shí)去 抖 動(dòng)K 3 = 1 ?減 速子 程 序軟 件 延 時(shí)去 抖 動(dòng)F 0 = 0 ?F 0 = 1啟 動(dòng) 定 時(shí)電 機(jī) 啟 動(dòng)F 0 = 0關(guān) 閉 定 時(shí)電 機(jī) 停 止YNYNYNNY 圖 鍵盤(pán)中斷處理流程圖 22 調(diào)速檔、持續(xù)加 /減速 調(diào)速檔通過(guò)( 010)共 11 檔固定占空比,即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變 DIAN0, DIAN1的值,以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn)。 軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 對(duì)于電機(jī)的啟停,在 PWM 控制上使用漸變的脈寬調(diào)整,即開(kāi)啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度,停止則由于當(dāng)前 速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī),如電機(jī)運(yùn)用于小車(chē)上,在啟動(dòng)上采用此方式也可加大啟動(dòng)速度,防止打滑。對(duì)于運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計(jì)算距離,速度等重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)。 鍵盤(pán)處理上采用中斷方式,不必使程序?qū)︽I盤(pán)反復(fù)掃描,提高了程序的效率。 23 第 5 章 單片機(jī)系統(tǒng)綜合調(diào)試 在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會(huì)用用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制,而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中,對(duì)電機(jī)的控制要求越來(lái)越精確和迅速,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)要求越來(lái)越高。隨著科技的發(fā)展,通過(guò)對(duì)電機(jī)的改 造,出現(xiàn)了一些針對(duì)各種應(yīng)用要求的電機(jī),如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等非傳統(tǒng)電機(jī)。但是在一些對(duì)位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動(dòng)控制系統(tǒng)中,傳統(tǒng)電機(jī)如直流電機(jī)乃有很大的優(yōu)勢(shì),而要對(duì)其進(jìn)行精確而又迅速的控制,就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確,硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,受環(huán)境影響小,功能復(fù)雜,系統(tǒng)修改簡(jiǎn)單,有很好的人機(jī)交換界面等特點(diǎn)。 在電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中,常常需要消耗各種硬件資源,系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng),而在調(diào)試時(shí)很難對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行修改,從而延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。隨 著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,可用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,從而減小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)開(kāi)支和周期。計(jì)算機(jī)仿真可分為整體仿真和實(shí)時(shí)仿真。整體仿真是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間段對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行計(jì)算和分析,從而對(duì)各個(gè)對(duì)象的變化情況有直觀的整體的了解,即能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的預(yù)測(cè),如 Matlab 就是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)仿真軟件。實(shí)時(shí)仿真是對(duì)時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)仿真,即隨著時(shí)間的推移它能動(dòng)態(tài)仿真出當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)。 Proteus 是一個(gè)實(shí)時(shí)仿真軟件,用來(lái)仿真各種嵌入式系統(tǒng)。它能對(duì)各種微控制器進(jìn)行仿真,本系統(tǒng)即用 Proteus 對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 PROTEUS 設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái) Proteus 軟件是 Labcenter Electronics 公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件, 是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái), 包括 ISIS、 ARES 等軟件模塊, ARES 模塊主要用來(lái)完成 PCB 的設(shè)計(jì),而 ISIS 模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。 Proteus 的軟件仿真基于 處理器虛擬系統(tǒng)仿真模型 VSM, 是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具,它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢(shì)就在于它能仿真大量的單片機(jī)芯片,比如MCS51 系列、 AVR、 PIC 系列等 常用的 MCU,以及 單片機(jī)外圍電路,比如 LCD, RAM,ROM,鍵盤(pán),馬達(dá), LED, AD/DA 等。通過(guò) Proteus 軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個(gè)功能齊全、實(shí)用方便的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室。 keilC51 軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一,它集編輯、編譯、仿真于一 24 體,支持匯編、 PLM 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì),界面友好,易學(xué)易用。 本文中由于我們主要使用 keilC51 軟件編輯、調(diào)試程序, Proteus 軟件仿真單片機(jī) 。我們重點(diǎn)研究 了 Proteus 的 ISIS 模塊用法,在下面的內(nèi)容中,如不特別說(shuō)明,我們所說(shuō)的 Proteus 軟件特指其 ISIS 模塊。 ISIS 直譯為智能原理圖輸入系統(tǒng)。從 ISIS 窗口各欄內(nèi)容可知: PROTEUS VSM 所包括的內(nèi)容都已整合到 ISI
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