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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器設(shè)計(jì)2(編輯修改稿)

2024-07-24 19:45 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 實(shí)現(xiàn)較大轉(zhuǎn)矩輸出, 度,但因?yàn)樵肼暫驼駝?dòng)都很大。歐美等發(fā)達(dá)國家在80 年代就被淘汰了;混合式步進(jìn)電機(jī)則混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它分為兩相和五相兩種: 度,五相的步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)在當(dāng)下的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字控制電機(jī),它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?,即給一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,因此非常適合于單片機(jī)來控制。步進(jìn)電機(jī)與其他的控制電機(jī)最大的區(qū)別在于步進(jìn)電機(jī)是通過輸入的脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的,就是說電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的,電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號(hào)的頻率決定的。 步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)而工作。其基本原理如下: (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為之脈沖分配。 (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定的工作方式是正序換相通電,則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),如果是按反序通電 換相,則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖,它就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一步,再發(fā)給一個(gè)脈沖,它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔越短,則步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)得越快。因此我們可以調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率,來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行我們所需的調(diào)動(dòng)。 (4)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo) 相數(shù):產(chǎn)生不同的對(duì)極N、S 磁場的激磁線圈的對(duì)數(shù)。常用m來表示。 拍數(shù):在完成一個(gè)磁場周期性變化時(shí)所需要的脈沖數(shù)。常用n 表示,或者是電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù),用四相電機(jī)為例,有四相四拍的運(yùn)行方式:ABBCCDDAAB,有四相八拍的運(yùn)行方式: AABBBCCCDDDAA. 步距角:對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移,用θ 表示。θ=360 度/(轉(zhuǎn)子齒數(shù)*拍數(shù)),以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360 /(50*4)= 度(稱為整步),則八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360 /(50*8)= 度(稱之為半步)。 定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電的狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子的自身鎖定力矩。 靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定的靜態(tài)電作用下,就是說電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。這個(gè)力矩是用來衡量電機(jī)體積(即幾何尺寸)的標(biāo)準(zhǔn),與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源是無關(guān)的。靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安的匝數(shù)成正比,同定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān),但是過分的采用減小氣隙,增加激磁安匝數(shù)來提高靜力矩的做法是不可取的,這樣會(huì)造成電機(jī)過于發(fā)熱及機(jī)械噪音。 (5) 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo): 步距角精度:步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值之間的誤差。用百分比表示為:誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其精度值不同,四拍運(yùn)行時(shí)的誤差應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運(yùn)行時(shí)的誤差應(yīng)在15%以內(nèi)。 失步:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。則稱之為失步。 失調(diào)角:轉(zhuǎn)子齒軸線偏離定子齒軸線的角度,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)則必然存在失調(diào)角,由于失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是無法解決的。 最大空載起動(dòng)頻率:電機(jī)于某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓和額定電流的接入下,在不加負(fù)載的情況時(shí),能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 最大空載的運(yùn)行頻率:電機(jī)于某種驅(qū)動(dòng)形式,電壓和額定電流的狀態(tài)下,電機(jī)不加負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運(yùn)行矩頻特性:步進(jìn)電機(jī)在某一種測試的條件下,測得運(yùn)行中輸出的力矩與頻率之間的關(guān)系曲線稱為運(yùn)行矩頻特性,這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的,也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 電機(jī)一旦被選定后,電機(jī)的靜力矩則就確定下來了,而動(dòng)態(tài)力矩且不確定,電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩是于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流(而不是靜態(tài)電流)所決定的,平均電流越大,則電機(jī)輸出力矩就越大,即電機(jī)的頻率特性就越硬。 步進(jìn)電機(jī)特性曲線 如上圖所示,其中,曲線3 的電流最大或者電壓最高;曲線1 的電流最小或者是電壓最低。曲線與負(fù)載橫線的的交點(diǎn)是此負(fù)載的最大速度點(diǎn)。想要使平均電流大,應(yīng)該盡可能的提高驅(qū)動(dòng)電壓(必須要主要電機(jī)的額定電壓值),采用小電感大電流的不進(jìn)電機(jī)。 電機(jī)的共振點(diǎn):步進(jìn)電機(jī)都會(huì)有固定的共振區(qū)域,共振區(qū)一般會(huì)在180250pps 之間( 度時(shí))或是在400pps 左右( 度時(shí)),電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓越高,電機(jī)電流則越大,負(fù)載越輕,電機(jī)的體積越小,則共振區(qū)會(huì)向上偏移,反之則亦然,為了使電機(jī)輸出大的電矩,同時(shí)不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低,一般電機(jī)的工作點(diǎn)都應(yīng)該偏移共振區(qū)較多。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)為四相五線制5V步進(jìn)電機(jī),其也可以當(dāng)作兩相電機(jī)使用。大多步進(jìn)電機(jī)在低頻工作的時(shí),都會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。但是如果采用細(xì)分方式,就能夠很好的解決上面的這個(gè)問題,步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制,從本質(zhì)上來說是通過對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制,來使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)的合成磁場變?yōu)榫鶆虻膱A形的旋轉(zhuǎn)磁場,從而來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分,在一般情況下,其合成磁場矢量的幅值是由步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小來決定的,相鄰的兩合成磁場矢量之間的夾角大小會(huì)決定步距角的大小,步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分這種方式的工作原理。 不進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片 實(shí)現(xiàn)細(xì)分方式有多方法,最常用的是采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)的方式,大多數(shù)專用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片都采用這種驅(qū)動(dòng)方式來進(jìn)行驅(qū)動(dòng),ULN2003AN是其中的一種芯片,在本次設(shè)計(jì)中我們所使用的為感性負(fù)載步進(jìn)電動(dòng)機(jī),因此不能直接用單片機(jī)來進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。選用ULN2003AN芯片來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)不進(jìn)電機(jī)。 ULN2003AN是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高,工作電壓高,溫度范圍寬,帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適用于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),其電路是美國Texas Instruments公司和Sprag公司開發(fā)的晶體管陣列電路。 。 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003AN的引腳圖 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003內(nèi)部電路原理圖 : 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003各引腳符號(hào) 1 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片連接的電路設(shè)計(jì)與分析 步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)的連接線圖 (1)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵是精確的控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。程序設(shè)計(jì)是要根據(jù)傳感器的信息來判斷旋轉(zhuǎn)的方向,以便啟動(dòng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向子程序。正反控制程序分別按控制脈沖順序的要求采用相應(yīng)的控制模型,并判斷是否大幅度轉(zhuǎn)向,采用調(diào)節(jié)脈沖寬度的方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。程序設(shè)計(jì)時(shí)把步進(jìn)電機(jī)的控制方式簡歷成控制模型,并以數(shù)據(jù)表形式存于存儲(chǔ)器中,設(shè)計(jì)程序是可以直接調(diào)用該存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。 (2)電機(jī)對(duì)零 對(duì)零點(diǎn)事電機(jī)操作最重要的環(huán)節(jié)之一,在步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位控制之前首先必須確定出一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系,系統(tǒng)就將對(duì)零點(diǎn)位置作為第一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系。上電后首先進(jìn)行歸零操作,電機(jī)一開始以順時(shí)針(或逆時(shí)針)方向任意旋轉(zhuǎn),一旦接受到主控臺(tái)傳來的信號(hào)就立即控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng),并等待接收旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù),然后開始控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 (3)速度的控制 不但要求電機(jī)能夠精確的定位,而且還要求快速的到達(dá)預(yù)定的位置,也就是要求準(zhǔn)確的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率。步進(jìn)電機(jī)的速率控制方法主要是通過改變每個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔,可以采用設(shè)置定時(shí)器的初始時(shí)間來獲得延時(shí)時(shí)間,也可以采用改變程序中的延時(shí)時(shí)間來滿足。假如轉(zhuǎn)動(dòng)方向變化比較大時(shí),如果點(diǎn)擊還是按照恒定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作,那么轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間就會(huì)比較長。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率fs比較低(100步/秒250步/秒),而電機(jī)的啟動(dòng)頻率還要低于最高空載的啟動(dòng)頻率,當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后,在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)工作頻率又會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于啟動(dòng)頻率。由此可見,一個(gè)靜態(tài)的不進(jìn)電機(jī)是不可能馬上達(dá)到較高穩(wěn)定工作頻率,而要求在啟動(dòng)電機(jī)的瞬間采取加速措施來完成,一般我們會(huì)在起步的時(shí)候采用升頻的方式,;反之,從高速運(yùn)轉(zhuǎn)到停止的時(shí)候有件減速的措施,而且減速時(shí)的加速度的絕對(duì)值要比加速時(shí)的加速度要大,這樣所需的時(shí)間就會(huì)變短。為了解決快速而不失步的問題,對(duì)電機(jī)提出了相應(yīng)的要求,如下“低速啟動(dòng)接著高速運(yùn)轉(zhuǎn),然后降低速度,最后停止”。這種三段允許頻率方式我們利用程序的延時(shí)來完成。 利用高耐壓,大電流的達(dá)林頓陳列ULN2003直接與負(fù)載電機(jī)相連接,并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由機(jī)械設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序進(jìn)行控制。由該芯片在5V的工作電壓下與TTL信號(hào)和CMOS電路直接相連,保證負(fù)載電流的供給,同時(shí)也減少了其他驅(qū)動(dòng)芯片容易被燒的事故。2 電機(jī)與控制模塊連接的實(shí)物圖 、 、2B、3B、4B四個(gè)引腳相連,作為信號(hào)的輸入,從而控制步進(jìn)電機(jī)作相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中電機(jī)的四根控制線有電流通過時(shí),指示燈不斷的閃爍。第三章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括有主程序的設(shè)計(jì),電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置程序設(shè)計(jì)和各中斷服務(wù)等程序的設(shè)計(jì)。 主程序設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)單片機(jī)的控制程序采用51匯編語言編寫的,在編寫過程中,使用結(jié)構(gòu)化、模塊化的形式編寫,整個(gè)程序的清單見附錄II。本章將對(duì)本系統(tǒng)的程序做下具體的分析。 首先我來分析主程序的流程, 主程序程序流程圖 用兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器,Timer0用中斷方式(每定時(shí)10ms中斷一次);Timer1用查值方式,用來計(jì)數(shù)(Timer0每中斷一次,就來讀取他的一次值,并作出相應(yīng)的處理) ,本設(shè)計(jì)的主程序設(shè)計(jì)比較簡單。程序首先送初值,即給AT89S52送取一個(gè)占空比為50%的數(shù)據(jù)。(當(dāng)然也可送其它占空比數(shù)據(jù),這里為了更好的展示,根據(jù)不同系統(tǒng)的需要,其值是可變)。接著對(duì)數(shù)據(jù)和中斷進(jìn)行初始化。MCS51系列單片機(jī)復(fù)位后,(PC)=0000H,而0003H~002BH分別為各中斷源的入口地址。所以,編程的時(shí)候應(yīng)在0000H處寫一條跳轉(zhuǎn)指令。當(dāng)CPU接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)并做出響應(yīng)后,CPU會(huì)把當(dāng)前的PC內(nèi)容壓入堆棧中進(jìn)行保護(hù),然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。一般會(huì)在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令,并以跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址作為中斷服務(wù)程序的其實(shí)地址進(jìn)行編程。 MCS51系列單片機(jī)復(fù)位后,除了SP為07H,P0~P3口為FFH外,其余給內(nèi)存單元內(nèi)容均為00H,所以應(yīng)對(duì)IE、IP進(jìn)行初始化編程,用來開放CPU的中斷,允許某些中斷源中斷設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)等。 代碼轉(zhuǎn)換程序 人們?nèi)粘A?xí)慣用十進(jìn)制的數(shù),而計(jì)算機(jī)鍵盤的輸入和輸出以及顯示常采用二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)或ASCII碼。因此,在程序設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要進(jìn)行代碼的轉(zhuǎn)換。各種代碼之間轉(zhuǎn)換十分有用,除了對(duì)硬件邏輯轉(zhuǎn)換外,程序設(shè)計(jì)中還會(huì)采用算法處理和查表方式。 中斷服務(wù)程序 中斷服務(wù)的程序是一種具有特定功能的獨(dú)立程序段。它為中斷源所需要的特定要求而服務(wù),以中斷返回指令而結(jié)束。由于工序操作和計(jì)數(shù)請(qǐng)求響應(yīng)采用中斷處理方式,所以中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。在中斷響應(yīng)過程中,斷點(diǎn)的保護(hù)和恢復(fù)主要由單片機(jī)內(nèi)部的電路來實(shí)現(xiàn)。在編寫中斷服務(wù)程序時(shí),必須要考慮是否有需要保護(hù)的現(xiàn)場,也就是說在主程序中用到的寄存器、存儲(chǔ)單元等,同樣在中斷程序中也要使用。如果有,應(yīng)該注意不要遺漏;在恢復(fù)現(xiàn)場時(shí),需要注意壓棧與出棧指令必須成對(duì)使用,先入棧的內(nèi)容應(yīng)該后彈出。另外,還要及時(shí)清除需要用軟件清除的中斷標(biāo)志。 本次設(shè)計(jì)中采用的是工序操作中斷服務(wù)程序,此程序中用延時(shí)表示工序操作的處理過程。 工序操作程序流程圖 檢測出雨量傳感器輸出的脈沖是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟,通過對(duì)雨量大小的檢測的信息能準(zhǔn)確控制步進(jìn)電極的運(yùn)行。Timer0保護(hù)現(xiàn)場關(guān)閉Timer0 Timer1讀取Timer1判斷Timer1的值調(diào)用小雨程序處理方案調(diào)用中雨程序處理方案調(diào)用大雨程序處理方案Timer0 Timer1清零中斷返回開啟 Timer0 Timer1 大于160大于等于80小于等于160小于80 實(shí)現(xiàn)檢測的程序流程圖第四章 汽車自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)調(diào)試 本次總體硬件設(shè)計(jì)結(jié)束后,隨后完成了實(shí)驗(yàn)板的焊接工作。在這硬件都完成之后,然后對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試工作。 調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng) (電源 發(fā)光二極管 ),然后通過實(shí)驗(yàn)板上的下載口向單片機(jī)內(nèi)下載閃燈程序,下載完成后發(fā)現(xiàn)閃燈沒有進(jìn)行閃燈,進(jìn)過對(duì)比最小程序電路圖,發(fā)現(xiàn)單片機(jī)第31個(gè)引腳沒有接電源。出現(xiàn)了一些連線的錯(cuò)誤,經(jīng)改正后,閃燈能夠按照程序理想的進(jìn)行閃燈工作。 因此,可以斷定單片機(jī)的最小系統(tǒng)的接線沒有問題,最小系統(tǒng)調(diào)試完成。 問題分析及雨滴感應(yīng)模塊調(diào)試 當(dāng)最小系統(tǒng)調(diào)試完成之后,接下來向單片機(jī)內(nèi)下載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序,電機(jī)無法工作,接通電源一段時(shí)間,步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象考慮到問題可能有以下幾種情況: 1,雨滴感應(yīng)模塊除了問題,沒能夠傳送出感應(yīng)信號(hào) 2,系統(tǒng)程序編程出現(xiàn)了錯(cuò)誤,對(duì)信號(hào)的接收和處理不到位 3,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可能沒法接收信號(hào) 接下來對(duì)雨滴感應(yīng)模塊做了具體的分析,用萬能表檢查,當(dāng)沒有雨滴的時(shí)候雨滴模塊輸出電壓接近電源電壓,為高電平信號(hào);當(dāng)有雨滴的時(shí)候輸出為低電壓,接近于0V,為低電平,輸出為有效信號(hào)。同樣檢測單片機(jī)接收引腳的時(shí)候同樣如此,由此可以的斷定在雨滴感應(yīng)信號(hào)的發(fā)出與接收這塊是沒有問題的。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)試 如果步進(jìn)電機(jī)要是沒有問題的話,直接向單片機(jī)內(nèi)下載電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的話,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該會(huì)做相應(yīng)的相應(yīng)。有了這個(gè)想法之后,在網(wǎng)上直接下載了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序,做了相應(yīng)的改動(dòng)和轉(zhuǎn)換格式之后下載到單片機(jī)內(nèi),完成之后,電機(jī)能夠做相應(yīng)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 電機(jī)
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