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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-23 15:11 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (34)如果定義占空比,電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí),的可調(diào)范圍為0~1相應(yīng)的。當(dāng)時(shí),為正,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)時(shí),為負(fù),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)時(shí),電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓,它并不等于零,從這里也可以看出電流也是交變的。因?yàn)榇嬖谡?fù)脈寬相等條件,對(duì)交變電流的平均值而言,它的值也等于零,因而平均轉(zhuǎn)矩是不產(chǎn)生,雙極式控制有個(gè)很大的缺點(diǎn)就是它會(huì)徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗。雖然這個(gè)缺點(diǎn)無法避免,但是它的好處還是很明顯的,那就是高頻微震電流存在于電動(dòng)機(jī)停止時(shí),正是因?yàn)檫@一點(diǎn),正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)被有效的消除了,“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用因此而得名。 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn): 1)可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。 2)低速平穩(wěn)性好,每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 3)電流一定連續(xù)。 4)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流,能消除靜摩擦死區(qū)。 檢測(cè)回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 光電編碼器 編碼器是一種轉(zhuǎn)換裝置,它能把直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。前者成為碼尺,后者稱碼盤。編碼器如果按照讀出方式來分的話可以分為非接觸式和接觸式兩種。非接觸式的接受敏感元件是磁敏元件或光敏元件,光敏元件時(shí)常常使用以不透光區(qū)和透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“0”還是“1”;接觸式采用電刷輸出,一電刷接觸絕緣區(qū)或?qū)щ妳^(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“0”還是“1”。同理,編碼器如果按照工作原理來分的話可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)為一個(gè)確定的數(shù)字碼對(duì)應(yīng)每一個(gè)位置,因此它的示值與測(cè)量的中間過程無關(guān),而只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)。增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器原理一點(diǎn)也不相同,它的原理是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào),再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖,然后用脈沖的個(gè)數(shù)來表示位移的大小。通過比較增量式和絕對(duì)式的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn),我們可以確定本設(shè)計(jì)可以采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號(hào),如圖36所示。增量式編碼器最大的優(yōu)勢(shì)是專門用來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的累計(jì)量。下面我們這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。圖36 編碼器原理圖圓盤上有規(guī)則地刻有不透光和透光的線條是增量式光電編碼器非常顯著地特點(diǎn),在圓盤兩側(cè)分別安放光敏元件和發(fā)光元件。一旦當(dāng)圓盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),光敏元件輸出的脈沖是這樣形成的,光敏元件接受的光增量會(huì)隨透光線條同步變化,它輸出的波形經(jīng)過整形后便形成了脈沖。碼盤上有向標(biāo)志,每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個(gè)脈沖。碼盤提供相位相差90176。的兩路脈沖信號(hào),并以此來判斷旋轉(zhuǎn)方向。復(fù)位計(jì)數(shù)器采用編碼盤輸出的z相脈沖,每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中,均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。用D觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q來判斷編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。D觸發(fā)器的時(shí)鐘端和D輸入端分別接整形后的A、B兩相輸出信號(hào),采用A相脈沖的上升沿來觸發(fā)D觸發(fā)器的CLK端。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是這樣確定的,由于A、B兩相的脈沖相位相差90176。,當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),A相脈沖超前B相脈沖90176。,則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時(shí)觸發(fā),這時(shí)Q輸出端輸出為低電平。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),B相脈沖超前A相脈沖90176。,觸發(fā)器總是在B脈沖為高電平時(shí)觸發(fā),這時(shí)D觸發(fā)器的輸出端Q輸出為高電平。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得快速和高精度的數(shù)字測(cè)速,選用轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)本設(shè)計(jì)采用每轉(zhuǎn)1024線的光電編碼器,它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系,微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M/T法測(cè)速處理。之所以要保證轉(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度,是因?yàn)檗D(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。 M/T法測(cè)速原理 M/T法測(cè)速原理是在對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù)也進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理如圖37:圖37 M/T法測(cè)速原理測(cè)速時(shí)間由測(cè)速脈沖來同步,即由圖37電路實(shí)現(xiàn)等于整個(gè)脈沖周期。設(shè)從圖37上a點(diǎn)開始,計(jì)數(shù)器分別對(duì)和計(jì)數(shù),到達(dá)b點(diǎn),預(yù)計(jì)的測(cè)速時(shí)間到,微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令,但因?yàn)椴灰欢ㄇ『玫扔谡麛?shù)個(gè)編碼輸出脈沖周期,所以計(jì)數(shù)器仍對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù),直到c點(diǎn)時(shí),可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿(即c點(diǎn))觸發(fā)數(shù)字測(cè)速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣,代表了個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為,光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出p個(gè)脈沖,則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為: (35) 由于M/T法的計(jì)數(shù)值和都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化,高速時(shí),相當(dāng)于M法測(cè)速,最低速時(shí),自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此,M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍比較大,是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。希望在低速獲得高精度測(cè)速值,于是利用光碼盤A,B兩相輸出在相位上互差90176。的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入的計(jì)數(shù)器。這時(shí),轉(zhuǎn)速計(jì)算公式修改為: (36) 鍵盤及顯示電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能,鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí),如何兼顧鍵盤的輸入,取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作,又要不過多占用CPU的工作時(shí)間。鍵盤/顯示模塊的核心控制器采用Intel公司的8279。如圖12所示。它是一種專用智能芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)段式數(shù)碼顯示和鍵盤輸入控制。正是因?yàn)樗哂羞@兩種功能,它能減輕CPU的負(fù)擔(dān),并且可以大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),所以本設(shè)計(jì)使用這個(gè)芯片。下面是它功能的一些簡(jiǎn)單介紹: (1)常規(guī)情況下,能同時(shí)管理64個(gè)物理鍵和16個(gè)八段數(shù)碼管;(2)能按FIFO(先進(jìn)先出)方式實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵值的緩沖; (3)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)按鍵的“去抖”和重鍵處理;(4)能以中斷或查詢兩種方式工作; (5)與微處理器接口簡(jiǎn)單。其引腳定義如下: DB0~DB7:雙向數(shù)據(jù)總線 RL0~RL7: 檢測(cè)輸入線 SL0~SL3: 矩陣掃描線 IRQ:中斷請(qǐng)求信號(hào) /RD、/WR:讀寫選通信號(hào) /CS:片選信號(hào) /BD: 顯示消隱信號(hào) CLK:時(shí)鐘信號(hào) RESET:復(fù)位信號(hào) SHIFT: 擴(kuò)展鍵位的換檔信號(hào),帶上拉電阻 CTRL/STB: 控制鍵輸入/選通信號(hào)輸入,帶上拉電阻 A0:命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)A=1,為寫命令或讀狀態(tài)。 A=0,為數(shù)據(jù)采用4*4式鍵盤,分?jǐn)?shù)字部分和控制部分,如圖下表所示。數(shù)字部分用來輸入給定轉(zhuǎn)速,控制部分用來控制電機(jī)的運(yùn)行。0123456789取消確認(rèn)測(cè)速停車 圖38顯示器圖 輸入給定轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題:(1)轉(zhuǎn)速不足四位時(shí),在前面加撥0湊夠四位;(2)轉(zhuǎn)速輸入錯(cuò)誤時(shí),按取消鍵,顯示器清空,重新輸入值;(3)轉(zhuǎn)速輸入完成后,按確認(rèn)鍵。 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示4位十進(jìn)制的顯示器,運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。如上圖示。8279與單片機(jī)、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖39示。 圖 39顯示器/鍵盤驅(qū)動(dòng)電路由于8279芯片有自動(dòng)分時(shí)掃描功能,所以它可與CPU同時(shí)工作,減輕CPU的負(fù)擔(dān),而且接口方便,顯示穩(wěn)定,程序簡(jiǎn)單,可靠性高。 電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖310:圖310 78系列的電源電路 78XX,XX就代表它所輸出的電壓值,能降低電壓45V,三端穩(wěn)壓集成電路電子產(chǎn)品非常常見,用的比較多的有負(fù)電壓輸出的79系列和正電壓輸出的78系列。從名字上可見,穩(wěn)壓用的三端IC集成電路都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),引腳輸出只有三條,分別是接地端、輸出端和輸入端。 因?yàn)樗哂袃纱蟊容^突出的優(yōu)勢(shì),首先電路內(nèi)部有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路,其次它所需的外圍元件極少,所以采用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源。三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是由該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字表示的,如7909表示輸出電壓為負(fù)9V,7806表示輸出電壓為正6V。 另外,集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面有時(shí)還會(huì)有一個(gè)L或M,如79L24或78M12,字母有它固有的含義,它是用來區(qū)別封裝形式和輸出電流等,其中78M系列最大輸出電流為1A,78L系列的最大輸出電流為100mA。當(dāng)然,對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有一些事項(xiàng)要稍加注意,比如針對(duì)大功率的條件下,必須在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器,小功率的話就不需考慮這個(gè)問題了。另外,還會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)壓管溫度過高的情況,這時(shí)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能將變差,此時(shí)穩(wěn)壓管損壞也很有可能出現(xiàn)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PWM實(shí)現(xiàn)方式 調(diào)脈寬的方式有三種:定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式,因?yàn)椴捎眠@種方式,電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定;并且在產(chǎn)生PWM脈沖的實(shí)現(xiàn)上比較方便。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器是PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心,就定時(shí)器而言,選用不同的單片機(jī),它定時(shí)器的特點(diǎn)一般都會(huì)不同,就算是相同型號(hào)的單片機(jī),如果它選擇的定時(shí)器工作方式不同,或者選用的晶振不同,那么它定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也會(huì)不相同。那么,定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系是第一要確定下來的東西?,F(xiàn)在假如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為位,單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為,那么定時(shí)時(shí)間與定時(shí)器初值的關(guān)系為: (41) 式中,個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù); 定時(shí)器定時(shí)初值。 一般情況下,機(jī)型不同,的值就會(huì)不同。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中,常常是由已選擇的具體的機(jī)型,然后給出它相應(yīng)的值。而在本次設(shè)計(jì)中我們選用的是晶體振蕩器的頻率為12MZ的單片機(jī),那么它的。綜上所述,我們知道要想控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,我們需要控制占空比,而要達(dá)到控制占空比的目的,我們僅僅只需通過設(shè)定不同的定時(shí)初值來改變占空比就行了。 PWM產(chǎn)生程序includedefine uchar unsigned charuchar num。sbit PWM=P1^0。void init(){ TMOD=0x01。 TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 EA=1。 ET0=1。 TR0=1。}void T0_timer() interrupt 1{ TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 num++。}void main(){ init()。 while(1) { if(num==4) { PWM=~PWM。 num=0。 } }} 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 主程序——完成系統(tǒng)初始化后,實(shí)現(xiàn)刷新顯示、鍵盤處理、與上位計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)通信等功能,總的來說,它主要完成一些實(shí)時(shí)性要求不高的功能,如圖41。初始化子程序——主要是完成一些系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化和硬件器件工作方式的設(shè)定等工作,如圖42。有鍵按下嗎?系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)通信刷新顯示鍵處理主程序YN系統(tǒng)初始化設(shè)定定時(shí)器、PWM、數(shù)字測(cè)速工作方式參數(shù)及變量初始化返回設(shè)定I/O、通信接口及顯示、鍵盤工作方式圖41 主程序流程圖 圖42 初始化子程序 主程序主要要完成的任務(wù)是三個(gè)方面:變量的初始化、內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1測(cè)速和鍵盤/顯示芯片8279。 此程序共有2個(gè)中斷源:外部中斷0,用于電機(jī)故障處理;外部中斷1,用于鍵盤輸入處理。 中斷程序設(shè)計(jì)外部中斷0模塊設(shè)計(jì) 外部中斷0是故障中斷,優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷。響應(yīng)中斷后封鎖PWM輸出,使電機(jī)停轉(zhuǎn)。外部中斷1模塊設(shè)計(jì)外部中斷1是鍵盤輸入中斷,高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)鍵盤有輸入值時(shí),8279向CPU申請(qǐng)中斷。讀取鍵值,按其實(shí)際功能進(jìn)行操作。內(nèi)部定時(shí)器T0溢出中斷設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測(cè)定為M/T式編碼盤測(cè)
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