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正文內(nèi)容

基于單片機的懸掛系統(tǒng)設計(編輯修改稿)

2024-10-07 21:38 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 。 22 自行設定運動測試 23 圓周運動測試 23 定點運動測試 23 循跡運動測試 24 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 24 結(jié)論 26 致謝 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 27 1 緒 論 現(xiàn)代的車輛運動、醫(yī)療設備和工業(yè)控制等系統(tǒng)中,懸掛運動系統(tǒng)的應用越來越多,在這些系統(tǒng)中懸掛運動部件通常是具體的執(zhí)行機構(gòu),懸掛部件的運動精確性是整個系統(tǒng)工作效能的決定因素,因而實際實現(xiàn)懸掛運動控制系統(tǒng)的精確控制具有極其重大的現(xiàn)實意義。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超 載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控 制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用,但步進電機并不能像 普通的直流電機,交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 MSP430 系列單片機是美國德州儀器 1996 年開始推向市場的一種 16 位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處 理器( Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號處理器,是由于其針對實際應用需求,將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上,以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。 本系統(tǒng)采用低功耗 MSP430F1611 統(tǒng)平臺設計了懸掛運動控制系統(tǒng),采用 L298驅(qū)動步進電機 ,提高電源利用率;紅外傳感檢測,提高糾錯能力。由單片機產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動有精確步距的步進電動機,電機帶動懸掛部件在平面上做特定的準確運動 。 通過完成基于 MSP430 單片機的懸掛系 統(tǒng)軟件的設計,將自動化專業(yè)相關(guān)的理論融會貫通,理解 MSP430 單片機、步進電機的運行原理,步進電機的啟動、控制方式,學會分析問題、解決問題,掌握系統(tǒng)工程設計的方法,為今后從事相關(guān)領(lǐng)域的研究及技能工作奠定良好的基礎。 2 1 方案的比較與論證 設計 任務 本課題要 設計一 電機控制系統(tǒng),控制物體在傾斜(仰角 ≤100 度)的板上運動。具體為 在一 白色底板上固定兩個滑輪,兩只電機(固定在板上)通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動,運動范圍為 80cm100cm。物體的形狀不限, 但 質(zhì)量大于100 克。 在 物體 上固定有淺色畫筆,以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標有間距為 1cm 的淺色坐標線(不同于畫筆顏色),左下角為直角坐標原點 , 示意圖如下 圖11 所示 。 圖 11 任務 示意圖 80cm100cm15cm 15cm15cm原點15cm 3 設計 要求 (1) 控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設定坐標點參數(shù); 物體在 80100cm的范圍內(nèi) 可以 作自行設定的運動,運動軌跡長度不小于 100cm,物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡, 且必須要在 300 秒內(nèi)完成; 控制物體作圓心可任意設定、直徑為 50cm 的圓周運動, 且必須要在 300 秒內(nèi)完成; 物體從左下角坐標原點出發(fā),在150 秒內(nèi)到達設定的一個坐標點 (兩點間直線距離不小于 40cm)。 (2) 能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標; 控制物體沿板上標出的任意曲線運動,曲線在測試時現(xiàn)場標出,線寬 ~ ,總長度約 50cm,顏色為黑色;曲線的前一部分是連續(xù)的,長約 30cm;后一部分是兩段總長約 20cm 的間斷線段,間斷距離不大于 1cm;沿連續(xù)曲線運動限定在 200 秒內(nèi)完成,沿間斷曲線運動限定在300 秒內(nèi)完成。 數(shù)學模型 本設計要求懸掛物能夠畫一個圓,采用微分曲線直線逼近法。首 先將圓周等分為n 份,將每小份弧線段等效為直線段畫出, n 越大,曲線就光滑。 設所畫圓的圓心坐標為 ( 0x , 0y ) 半徑為固定的 25cm, ( x ,y ) 為圓周上的任意一點,由此確定圓的方程為: 22020 25)( ???? yyxx )( ( 11) 若直接使用該方程來求圓上點 的坐標,算法比較復雜,采用了圓的參數(shù)方程: txx sin250 ?? ( 12) tyy cos250 ?? ( 13) 這樣,則圓的坐標僅與參數(shù) t 有關(guān), 使角度 t 以某一設定的角度步長 v 累加,使t+q*v 在周期 [t,t+2π]內(nèi)變化,其中 q 為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點,顯然,角度步長 v 越小 ,在圓周上取得點越多,控制也會更精確 [1]。 4 系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng)總方框圖如圖 12 所示 圖 12 系統(tǒng)總方 框圖 方案的論證與選擇 單片機的選擇與論證 系統(tǒng)的控制單元是整個系統(tǒng)的大腦,是整個系統(tǒng)運行的核心部件,起著控制系統(tǒng)所有運行狀態(tài)的作用。通常選用單片機作為系統(tǒng)的核心控制單元。根據(jù)題目的設計要求,本設計主要實現(xiàn)勾畫設定軌跡和對設定軌跡的搜尋功能,并能實時的顯示物體中畫筆所在位置坐標。 方案一: FPGA/CPLD 方式。 用 FPGA/CPLD 完 成鍵盤定義與識別、電機工作狀態(tài)選擇與切換、液晶電路的驅(qū)動與控制等功能。這種方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便,而且可以使用的 I/O 口線很多;缺點是調(diào)試時需要接很多接線,過程繁瑣,而且使用 CPLD 時,由于其內(nèi)部沒有 ROM,對功能的實現(xiàn)有所限制。 方案二:單片機方式。 由單片機、電機驅(qū)動電路及電機等組成系統(tǒng)。使用單片機也可以完成鍵盤定義與識別、電機工作狀選擇與切換等功能,組成的系統(tǒng)規(guī)模較小,有一定靈活性,而且可以使用我們比較熟悉的單片機最小系統(tǒng)電路板,減少了工作量。該控 制方式需要單片機具有較大的程序存儲量,所以可選擇的 F1611 單片機,有非常豐富的資源,大容量的 RAM 和 FLASH,可以存儲大容量的程序 [4]。 多圈 電位器 A/D 轉(zhuǎn)換 鍵盤 反射式 光電傳感器 控 制 器 顯示 驅(qū)動 電機 驅(qū)動 顯示 直 流 電 機 5 基于以上分析,擬選用方案二。 電機的選擇與論證 方案一 : 采用普通直流電機 。 直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑、方便,調(diào)整范圍廣;過載能力強,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn);能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)不同的特殊運行要求。 方案二:采用步進電機 。 步進電機的一個顯著特點就是具有快速啟停能力,如果負載不超過步進電機所能提供的動態(tài) 轉(zhuǎn)矩值,就能夠立即使步進電機啟動或反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點是轉(zhuǎn)換精度高,正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。基于以上分析,擬選擇方案二。 驅(qū)動電路的選擇與論證 方案一:采用電機驅(qū)動芯片 L298N 來驅(qū)動 。 L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機, 輸出電壓最高可達 50V,可以直接通過電 源來調(diào)節(jié)輸出電壓;可以直接用單片機的 IO 口提供信號。 方案二:自制步進電機的驅(qū)動電路 。 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件,可以達到不同的放大的要求,放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機,就需要對四路信號分別 進行放大,當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定,而且電路的制作也比較復雜。 基于以上分析,擬選擇方案一 。 顯示模塊的選擇與論證 方案一:采用 LED 數(shù)碼管顯示器。 LED 數(shù)碼管亮度高、醒目,但是其電路復雜,占用資源較多且信息量小。 方案二:采用 LED 液晶顯示器。 LCD 有明顯的優(yōu)勢:工作電流比 LED 小幾個數(shù)量級,故其功耗很低;尺寸小,厚度約為 LED 的 1/3;字跡清晰、美觀、使人感覺舒服;壽命長,使用方便。 針對本課 題,對信息量要求比較大,而對亮度的要求并不是很高,經(jīng)過仔細比較 ,我們決定采用方案二。 6 紅外探測器工作方式的選擇與論證 紅外探測器由于 發(fā)射功率大、抗干擾能力強而在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用。紅外探測器按其工作模式可大致分為主動式與被動式。主動式紅外探測器自帶紅外光源,通過對光源的遮擋、反射、折射等光學手段可以完成對被測物體位置的判別;被動式紅外探測器本身沒有光源,通過接受被探測物體的特征光譜輻射來測量被探測物的位置、溫度或進行紅外成像。 主動式紅外傳感器又可分為分立元件型、透射遮擋型和反射型。分立元件型發(fā)光管與接受管相互獨立,用戶在使用時可以 根據(jù)需要靈活的設定發(fā)光管與接受管的位置,并可利用棱鏡、透鏡等完成特殊的目的,其缺點是裝置麻煩;透射遮擋型和反射型通過塑料模具將發(fā)光管與接受管封裝在一起,非常方便用戶使用。反射式光電判讀器外型如圖 13 所示。
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