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畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于pic單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-02-08 22:27 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 簡(jiǎn)要介紹一下該模塊的功能。 OCMJ48C 液晶顯示模塊是肇慶金鵬電子有限公司 開發(fā)制造的 C 系列中文顯示模塊中的一種。 C 系列中文模塊可以顯示字母,數(shù)字符號(hào),中文字型及圖形 ,具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。提供三種控制接口,分別是 8 位微處理器接口,四位微處理器接口及串行接口。所有的功能,包括 顯示 RAM,字型產(chǎn)生器 在內(nèi) 都包含在一個(gè)芯片里面,只要一個(gè)最小的微處理器系統(tǒng),就可以方便操作模塊。 內(nèi)置 2M位中文字型 ROM 總 共提供 8192 個(gè)中文字型( 16x16 點(diǎn)陣), 16K位半寬字型 ROM( CGROM)總共提供 126個(gè)符號(hào)字型( 16x8 點(diǎn)陣), 64x16 位字型產(chǎn)生 RAM( CGRAM),另外繪圖顯示 畫面提供一個(gè) 64x256 點(diǎn)的繪圖區(qū)域 GDRAM,可以和文字畫面混合顯示。提供多功能指令:畫面清除( Display clear)、光標(biāo)歸位( Return home) 、顯示打開 /關(guān)閉( Display on/off)、光標(biāo)顯示 /隱藏( Cursor on/off)、顯示字符閃爍( Display character blink)、光標(biāo)移位 ( Cursor shift) 、顯示移位( Display shift) 、垂直畫面卷動(dòng) ( Vertical line scroll) 、反白顯示 ( By_line reverse display) 、待命模式 ( Standby mode) [10]。 四、 PIC 單片機(jī) (一) PIC 系列單片機(jī)的特點(diǎn) 美國(guó) Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)主要有以下特點(diǎn):( 1)哈佛總線結(jié)構(gòu);( 2)指令單字節(jié)化;( 3)尋址方式簡(jiǎn)單;( 4)精簡(jiǎn)指令集( RISC)技術(shù);( 5)代碼壓縮率高;( 6)運(yùn)行速度高;( 7)功耗低;( 8)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),達(dá)到 20mA 的電流驅(qū)動(dòng)能力;( 9)自帶硬件看門狗電路;( 10)外接電路簡(jiǎn)單;( 11)開發(fā)方便。這些特點(diǎn)使 PIC 系列單片機(jī)越來(lái)越受到中國(guó)用戶的青睞,在工業(yè)控制,智能儀表等不同領(lǐng)域得到廣泛的 應(yīng)用 [11]。 PIC16F87X 系列單片機(jī)是 Microchip 公司于 1998 年年底推出的新產(chǎn)品,可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用 PIC16F877 型號(hào)單片機(jī)作為控制芯片 來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),調(diào)速以及 LCD 顯示等功能,下面介紹一下該類型單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及用到的各模塊。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 9 (二) PIC16F877 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 1. PIC16F877 單片機(jī)的基本功能模塊 首先對(duì) PIC16F877 單片機(jī)的基本功能區(qū)域所包含的主要部件及其功能進(jìn)行介紹,以便對(duì)其基本功能硬件有一個(gè)概要的認(rèn)識(shí)?;竟δ軈^(qū)域的主要功能模塊包括以下 7部 分 ,它們是:程序控制區(qū)域,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域, E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 區(qū)域 ,算數(shù)邏輯運(yùn)算區(qū)域,輸入 /輸出 端口模塊、多功能定時(shí)器模塊,核心模塊 [11]。 本設(shè)計(jì)沒(méi)有用到該類型單片機(jī)的專用功能模塊,在此將不再贅述。下面主要介紹 一下用到的輸入 /輸出端口模塊和多功能定時(shí)模塊。 2. 輸入 /輸出端口模塊 PIC16F877 單片機(jī)具有豐富的接口資源,共設(shè)置有 5 個(gè)輸入輸出端口,分別為 RA( 6 位)、 RB( 8 位)、 RC( 8 位)、 RD( 8 位)、 RE( 3 位),合計(jì)共有 33 個(gè)引腳。大多數(shù)引腳除了具有 I/O 功能外,還配置有其它特殊功能。 通用 I/O 引腳可以看作是最簡(jiǎn)單的外設(shè), PIC 單片機(jī)通過(guò) I/O 端口監(jiān)視和控制其它設(shè)備,為了增強(qiáng)器件的靈活性和功能,一些引腳被定義為多功能復(fù)用引腳 。這些功能由器件上相應(yīng)外設(shè)的特點(diǎn)決定。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)相應(yīng)的外設(shè)使能時(shí),其對(duì)應(yīng)的引腳不能作為通用 I/O 引腳使用。 圖 17 是一個(gè)典型的 I/O 端口,它沒(méi)有畫出 I/O 引腳復(fù)用的外設(shè)功能。讀 PORT 寄存器是讀取引腳上的電平狀態(tài),而寫 PORT 寄存器是將數(shù)據(jù)寫入端口的數(shù)據(jù)寄存器。所有的寫操作都是讀 修改 寫入操作。因此對(duì)一個(gè)端口進(jìn)行寫入操作意味著總是光讀取端口的引腳電平,在修改這個(gè)值,然 后再寫入端口的數(shù)據(jù)鎖存器 [12]。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 10 圖 17 典型的 I/O 端口 [12] 3. 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模塊的正常工作一般表現(xiàn)為計(jì)數(shù)累計(jì)功能,通常是由時(shí)鐘脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng) 的 。該時(shí)鐘可以是單片機(jī)本身的工作時(shí)鐘,即使用內(nèi)部時(shí)鐘,稱之為定時(shí)器;也可以使用外部引腳輸入的時(shí)鐘,即使用外部的時(shí)鐘輸入來(lái)累計(jì),稱之為計(jì)數(shù)器。 PIC16F877單片機(jī)配置 3 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模塊,分別為 TMR0, TMR1 和 TMR2。本控制系統(tǒng)主要利用 TMR0 的定時(shí)功能為 步進(jìn)電機(jī)合理分配脈沖寬度以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。下面主要介紹 TMR0 的功能特性及與該模塊相關(guān)的寄存器。 TMR0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)功能主要是基于一個(gè) 8 位累加定時(shí) /計(jì)數(shù)寄存器 TMR0,采用時(shí)鐘信號(hào)的上升沿,下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)方式。 TMR0 在 RAM 數(shù)據(jù)寄存器中具有特定的地址001H 和 101H,可通過(guò)軟件指令進(jìn)行讀 /寫操作。另外, TMR0 帶有一個(gè) 可編程預(yù)分頻器,可達(dá)到定時(shí) /計(jì)數(shù)的擴(kuò)展效果。在 TMR0 計(jì)數(shù)溢出時(shí),相應(yīng)的溢出中斷標(biāo)志自動(dòng)置位,可通過(guò)設(shè)置 TMR0 中斷使能狀態(tài)而產(chǎn)生溢出中斷 [12]。 該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖 18 所示 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 11 圖 18 TMR0 結(jié)構(gòu)框圖 [12] 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0 主 要設(shè)計(jì)有 4 個(gè)寄存器,它們分別是定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0,選項(xiàng)寄存器 OPTION_REG,中斷控制寄存器 INTCON,方向寄存器 TRISA。本控制系統(tǒng)主要是靠改變 TMR0 的計(jì)數(shù)初值以及 OPTION_REG 中的 分頻比 來(lái)調(diào)節(jié)脈沖的寬度,以達(dá)到精確調(diào)速的目的 [12]。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 12 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 一、控制系統(tǒng)總體概述 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機(jī) 作為控制核心,通過(guò)鍵盤輸入指令, 產(chǎn)生各種控制信號(hào), 實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)向 的 控制, 并可通過(guò) LCD 顯示 系統(tǒng) 的 運(yùn)行狀態(tài) 。系統(tǒng)電路由五部分組成,即輸入、顯示部分; PIC 單片機(jī);驅(qū)動(dòng)控制電路;直流電壓源及步進(jìn)電機(jī)。 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。 該控制系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn)如下功能: 1. 通過(guò)鍵盤可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)(以整轉(zhuǎn)為單位), 2. 通過(guò)鍵盤可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向, 3. 鍵盤所設(shè)置的參數(shù) 可以通過(guò) LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 由于本控制系統(tǒng)所控制的電機(jī)類型為兩相六線混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ,因此 系統(tǒng)由PIC16F877 單片機(jī)的 PORTA 端口產(chǎn)生 A 和 A、 B 和 B 兩相信號(hào) 。 為提高系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力,在單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間增加控制驅(qū)動(dòng)電路。 1 * 4 鍵 盤L C D顯 示 屏P I C單 片機(jī)控 制 驅(qū)動(dòng) 電 路步 進(jìn)電 機(jī)直 流 電 壓 源負(fù) 載 圖 21 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 二、控制系統(tǒng)的硬件電路 (一)控制系統(tǒng)總體電路 本控制系統(tǒng)硬件總體電路以單片機(jī)作為系統(tǒng)核心,主要由 PIC16F877 單片機(jī)及單片機(jī)工作外圍電路、步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、 LCD 顯示屏接口電路、鍵盤輸入電路等組成。 在該系統(tǒng)中輸入由單片機(jī)接口電路構(gòu)成的 1*4 鍵盤完成,單片機(jī)根據(jù)輸入的鍵值控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配,輸出脈沖控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行以及 LCD 顯示屏實(shí)時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的顯示。 由于本設(shè)計(jì)所要控制的步進(jìn)電機(jī)功率較小, 步距角也相對(duì)較小,所要求實(shí)現(xiàn)的控制精度要求也不是很高,因此 采用單極性驅(qū)動(dòng)電路并且 省略了細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路,硬件電路相基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 13 對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。控制系統(tǒng) 電路圖如圖 22 所示。 圖 22 控制系統(tǒng)總體電路圖 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 14 (二)單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口驅(qū)動(dòng)電路 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機(jī)產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)。單片機(jī)內(nèi)部的 RAM 和 ROM即可滿足該設(shè)計(jì)的要求。步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)將 PIC16F877 單片機(jī)的 PORTA 端口的 RARA RA RA5, 4 個(gè)引腳輸出的具有時(shí)序的高低電平作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào),用于作用在作為開關(guān)的三極管基極以導(dǎo)通三極管,使直流電壓源能直接向步進(jìn)電機(jī)供電。 KP39HM2025 型混合 式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 是兩相六線 制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī),導(dǎo)線顏色分別為紅色、紅色、黃色、橙色、黑色、棕色。其中兩根紅色導(dǎo)線為公共端,接 12V 穩(wěn)壓電源,黃色、橙色、黑色、棕色導(dǎo)線依次為電動(dòng)機(jī) A 相、 A 非相、 B 相、 B 非 相 。 由于單電壓驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 功率驅(qū)動(dòng) 元件少,成本低,適 用于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或用于性能指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合,基于上述特點(diǎn)與 本設(shè)計(jì) 的要求恰好符合故采用此驅(qū)動(dòng)電路 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖 23 為單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路 的原理圖(只畫出其中一相)。來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)電流放大后加到三極管 VT 的基極,控制 VT 的導(dǎo)通和截止,從而控制相繞組的通電和斷電。 R 和 VD 構(gòu)成了相繞組關(guān)斷時(shí)的續(xù)流電路 [13]。 由于電感的存在,繞組的通電和斷電不能瞬時(shí)完成, 電流上升緩慢會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降,因此應(yīng)縮短電流上升的時(shí)間常數(shù),使電流前沿變陡。通常在繞組回路中串入電阻 Rs,使繞組回路的時(shí)間常數(shù)減小。 圖 23 單電壓驅(qū)動(dòng)電路(其中一相) [13] (三)單片機(jī)與 LCD 顯示屏接口電路( 8 位并行模式) 8 位并行模式下,模塊與單片機(jī)的接口電路如圖 24 所示。模塊的數(shù)據(jù)線可與單片機(jī)數(shù)據(jù)線直接相連 。 OCMJ48C 液晶模塊的讀寫控制信號(hào) R/W 由 PIC16F877 單片機(jī)的基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 15 RB4 來(lái)控制, RB3 連接液晶模塊的片選信號(hào) E, RB5 連接指令和數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào) RS( CS), RB2 連接液晶模塊的并行模式和串行模式的數(shù)據(jù)選擇信號(hào) PSB, RB1 連接液晶模塊的復(fù)位信號(hào) /RST,因此液晶模塊的復(fù)位有 PIC16F877 單片機(jī)的程序控制。 另外在本設(shè)計(jì)中我們使用 PORTD 作為單片機(jī)與液晶的數(shù)據(jù)接口。 圖 24 單片機(jī)與 LCD 顯示屏接口電路 (四)單片機(jī)與鍵盤接口電路 由于本控 制系統(tǒng)只用到四個(gè)按鍵,所以使用最簡(jiǎn)單的方法即將按鍵直接與單片機(jī) 引腳相連,一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)引 腳。 單片機(jī)與鍵盤接口電路如圖 25 所示。單片機(jī)的 RC1與鍵盤的確認(rèn)鍵 S1 相連, RC2 連接鍵盤的電機(jī)方向設(shè)置鍵、速度設(shè)置鍵、轉(zhuǎn)數(shù)增 按 鍵S2, RC3 連接電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)減 按 鍵 S3, RC4 連接啟動(dòng)鍵 S4。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 16 圖 25 單片機(jī)與鍵盤接口電路 三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型 在本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,采用 日本某 公司出產(chǎn)的兩相六線混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),其型號(hào)為 KP39HM2025。具體參數(shù)為:相電壓 12V; 相電流 ; 阻抗 63Ω;精度。 四 、開發(fā)平臺(tái) MPLAB ICD 簡(jiǎn)介 MPLABICD 是針對(duì) MICROCHIP 公司的 PIC16F87X 系列 MCU 的廉價(jià)開發(fā)工具。MPLABICD 既是一個(gè)在線調(diào)試器,又是一個(gè)編程器。它工作于 MPLABIDE 集成開發(fā)環(huán)境下,利用了 MICROCHIP 公司的在線串行編程技術(shù)( InCircuit Serial Programming?),在所仿真的 MCU( PIC16F87X)中嵌入監(jiān)控程序來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。將其仿真頭直接連接到應(yīng)用系統(tǒng)的 MCU 插座中,就如同一片 PIC16F87X 一樣運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序。 MPLABICD 的主要功能: 在線調(diào)試功能 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 17 實(shí)時(shí)仿真調(diào)試源程序 實(shí)時(shí)、單步或斷 點(diǎn)運(yùn)行程序 調(diào)試目標(biāo)板硬件系統(tǒng) 對(duì)目標(biāo)應(yīng)用控制器進(jìn)行編程。 MPLABICD 使用的資源 由于仿真 MCU( PIC16F87X)內(nèi)嵌調(diào)試監(jiān)控程序和使用 MICROCHIP“在線串行編程 ”功能, MPLABICD 將會(huì)占用仿真 MCU 中的以下資源: MCLR/VPP 腳(系統(tǒng)復(fù)位 /編程電壓腳) 禁止低電壓 “在線串行編程( ICSP) ” RB6 和 RB7 保留為編程和在線調(diào)試用 六個(gè)通用文件寄存器保留給調(diào)試監(jiān)控程序(見(jiàn)表 21) 程序存儲(chǔ)器第一條指令(地址 0X0000)必須是空操作指令 NOP[14] 表 21 不 同芯片被占用的資源 處理器類型 被占用的通用寄存器 被占用的程序存儲(chǔ)器 PIC16F870/871/872 0x70,0x0BB0x0BF 0x06E00x07FF PIC16F873/874 0x70, 0x0EB0x0F0 0x0EE00x0FFF PIC16F876/877 0x70,0x1EB0x1EF 0x1F000x1FFF
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