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文檔簡介
計(jì)算機(jī)控制技術(shù)
PWM電機(jī)速度控制
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
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《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》
課程設(shè)計(jì)
姓名:
學(xué)號:
系另U:
專業(yè):
班級:
指導(dǎo)教師:
二o一一年十二月十六日
目錄
1.課程設(shè)計(jì)目的1
2.課程設(shè)計(jì)題目和要求1
2.1課程設(shè)計(jì)的要求和內(nèi)容〈包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要
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求)1
2.2課程設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容及張數(shù)1
3.設(shè)計(jì)內(nèi)容2
3.1設(shè)計(jì)方案的選定與說明。(根據(jù)給定任務(wù),對所擬定的設(shè)計(jì)方
案進(jìn)行簡要論述>2
3.1.1系統(tǒng)總方案論證與選擇2
3.1.2設(shè)計(jì)模塊方案比較與分析3
3.2設(shè)計(jì)方案的圖表4
<一)PWM波軟件軟件設(shè)計(jì)4
<-)測速軟件設(shè)計(jì)5
〈三)直流電機(jī)的調(diào)速功能仿真6
1.調(diào)速前的波形圖7
2.調(diào)速后的波形圖7
〈四)電機(jī)速度的測量并顯示功能仿真7
〈五)系統(tǒng)的電路原理圖8
〈六)系統(tǒng)的PCB圖8
3.3論述方案的各部分工作原理9
3.3.18051單片機(jī)的基本組成9
3.3.2PWM的基本原理10
333PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理11
3.3.4H橋驅(qū)動電路12
3.3.5霍爾傳感器的工作原理13
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3.3.6PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算14
3.4相關(guān)的計(jì)算14
3.5編寫設(shè)計(jì)說明書21
4.設(shè)計(jì)總結(jié)22
參考書目22
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1.課程設(shè)計(jì)目的
經(jīng)過本課程設(shè)計(jì),主要訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的以下能力:
(1>查閱資料:搜集與本設(shè)計(jì)有關(guān)部門的資料(包括從已發(fā)表的文
獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集〉的能力;
(2>.方案的選擇:樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性,又考慮經(jīng)
濟(jì)上的合理性,并注意提高分析和解決實(shí)際問題的能力;
(3>.迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力,計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力;
(4>.用簡潔的文字,清晰的圖表來表示自己設(shè)計(jì)思想的能力。
2.課程設(shè)計(jì)題目和要求
2.1課程設(shè)計(jì)的要求和內(nèi)容〈包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要
求)
1.要求設(shè)計(jì)電機(jī)速度控制系統(tǒng),要求無余差,超調(diào)小。
2.硬件采用51系列單片機(jī),采用直流作為驅(qū)動元件。
3采用keilc作為編程語言,采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法
2.2課程設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容及張數(shù)
1.要求用protel設(shè)計(jì)出硬件電路圖。
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2.畫出系統(tǒng)控制框圖。
3.畫出軟件流程圖。
3.設(shè)計(jì)內(nèi)容
3.1設(shè)計(jì)方案的選定與說明。(根據(jù)給定任務(wù),對所擬定的設(shè)計(jì)方
案進(jìn)行簡要論述〉
3.1.1系統(tǒng)總方案論證與選擇
方案一:直接加直流電源來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度;根據(jù)電動
機(jī)在其額定電壓時,電動機(jī)有一定的額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)其輸入電壓
的減小,其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)的減小。從而在傳統(tǒng)的改變電動機(jī)的
轉(zhuǎn)速問題中,就是利用所給電動機(jī)的電壓的不同,而達(dá)到人們所
需要的大約速度。
方案二:以單片機(jī)AT89C51為中心經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器,將單片
機(jī)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,從而起到控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速問題。其中
在單片機(jī)控制部分經(jīng)過按鍵直接從程序中調(diào)出所需要速度的值,
同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換部分以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速。
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圖1電路組成框圖
方案三:采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的
軟件資源比較簡單,只需要完成編碼器采樣部分、鍵盤控制部分
以及顯示輸出功能。采用AT89C51進(jìn)行控制比較簡單、易控制、
可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高且體積大大減小。輸出速度的
調(diào)節(jié)是經(jīng)過鍵操作,顯示速度。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍
可編程可擦除只讀存儲器的低電壓,高性能CM0S8位微處理器.
具有4K字節(jié)可編程閃爍存儲器,可擦除的的只讀存儲器(PEROM>,
ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器.AT89C51單片機(jī)為很多
嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案.三級程序存儲
器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時
器/計(jì)數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和電模
式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路:
電路框圖如圖2
圖2電路組成框圖
方案分析:方案一只能以減小所給電壓值而能使電動機(jī)的轉(zhuǎn)
速有相應(yīng)的減小,此方案操作性差且不安全。方案二不能及時的
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從電動機(jī)那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度,而是直接從程序哪兒調(diào)用相
應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼顯示。因此,此處的電路在速度的顯示上失去了
其真實(shí)性。方案三在可操作性與實(shí)時性方面都都結(jié)合了本專業(yè)特
點(diǎn),從控制理論與控制技術(shù)出發(fā),充分發(fā)揮與應(yīng)用本學(xué)科特點(diǎn)。
因此,設(shè)計(jì)采用方案三。
3.1.2設(shè)計(jì)模塊方案比較與分析
電機(jī)調(diào)速控制模塊:
方案一:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓,從而
達(dá)到調(diào)速的目的??墒请娮杈W(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速,而數(shù)字電阻
的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很
小,但電流很大;分壓不但會降低效率,而且實(shí)現(xiàn)很困難。
方案二:采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,經(jīng)過開關(guān)
的切換對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡
單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、
可靠性不高。
方案三:采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)
控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài),精確調(diào)整電動
機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下,效率非常
高;H型電路保證了能夠簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制;電子開
關(guān)的速度很快,穩(wěn)定性也極佳,是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技
術(shù)。
兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載
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能力大,因此本設(shè)計(jì)采用方案三。
3.2設(shè)計(jì)方案的圖表
<一)PWM波軟件軟件設(shè)計(jì)
程序流程圖:
□r
軟件電機(jī)控制的方框圖
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〈二)測速軟件設(shè)計(jì)
軟件測速的方框圖
<—)電路原理圖
LCD顯示電哈
U3
R7
R6
R5
R4
R3
R2
R1
R0
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LCD顯示電路
<-)霍爾傳感器的電路原理圖
〈三)直流電機(jī)的調(diào)速功能仿真
當(dāng)按下open鍵時,電機(jī)開始工作。若需要加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速,
則按下add_speed鍵,直到電機(jī)轉(zhuǎn)速適中;相反,需要減慢電機(jī)
的轉(zhuǎn)速時,則按下sub_speed鍵,待轉(zhuǎn)速滿意后,放開按鍵。當(dāng)
然,在某種特定的環(huán)境下,還需改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,此時,你能夠
按一下swap鍵,以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)向的目的。當(dāng)電機(jī)不工作時,
則按下close鍵。
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直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的Proteus仿真圖
1.調(diào)速前的波形圖
電機(jī)啟動時的脈沖波形占空比
2.調(diào)速后的波形圖
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電機(jī)減速后的脈沖波形占空比
〈四)電機(jī)速度的測量并顯示功能仿真
對電機(jī)轉(zhuǎn)速的顯示,為使用者提供了更為直觀的界面。用戶能
夠根據(jù)液晶顯示屏上的數(shù)字,調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,為調(diào)速提供了方
便。從顯示數(shù)字的穩(wěn)定程度,也能夠判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。若
顯示數(shù)字幾乎不變,則說明電機(jī)工作十分穩(wěn)定;與之相反,顯示
數(shù)字不停地變化,則說明電機(jī)工作非常不穩(wěn)定。
直流電機(jī)系統(tǒng)的Proteus仿真
〈五)系統(tǒng)的電路原理圖
電源電路:;,
--^―|??tmii[■
單片機(jī)控制單元
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直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的Protel原理圖
由電源模塊、單片機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動電路、LCD顯示電
路、霍爾傳感器電路構(gòu)成。
〈六)系統(tǒng)的PCB圖
匚二
O,
□
3.3論述方案的各部分工作原理
3.3.18051單片機(jī)的基本組成
8051單片機(jī)由CPU和8個部件組成,它們都經(jīng)過片內(nèi)單一總
線連接,其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式,
但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本組成如下圖所示:
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圖2-28051基本結(jié)構(gòu)圖
2.CPU及部分部件的作用功能介紹如下
中央處理器CPU:它是單片機(jī)的核心,完成運(yùn)算和控制功
能。
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器:8051芯片中共有256個RAM單元,能作
為存儲器使用的只是前128個單元,其地址為OOH—7FHo一般
說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元,簡稱內(nèi)部RAM。
內(nèi)部程序存儲器:8051芯片內(nèi)部共有4K個單元,用于存儲
程序、原始數(shù)據(jù)或表格,簡稱內(nèi)部ROM。
定時器:8051片內(nèi)有2個16位的定時器,用來實(shí)現(xiàn)定時或者
計(jì)數(shù)功能,而且以其定時或計(jì)數(shù)結(jié)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
中斷控制系統(tǒng):該芯片共有5個中斷源,即外部中斷2個,
定時/計(jì)數(shù)中斷2個和串行中斷1個。
3.8051單片機(jī)引腳圖
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P1.0—140—VCC
2805139
Pl.1——P0.0
P1.2—338—P0.1
P1.3—437—P0.2
P1.4—536一P0.3
P1.5—635—P0.4
P1.6——734一P0.5
P1.7——833—P0.6
RST/VPD—932一P0.7
RXD/P3.0—1031—EA/VPP
TXD/P3.1—1130-ALE/PR0G
INT0/P3.2—1229—PSEN
INT1/P3.3—1328——P2.7
T0/P3.4-1427一P2.6
T1/P3.5—1526—P2.5
WR/P3.6—1625——P2.4
RD/P3.7—1724——P2.3
XTAL2—1823—P2.2
XTAL1一1922—P2.1
vss—2021—P2.0
圖2-38051單片機(jī)引腳圖
3.3.2PWM的基本原理
PWM(脈沖寬度調(diào)制)是經(jīng)過控制固定電壓的直流電源開關(guān)
頻率,改變負(fù)載兩端的電壓,從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整
方法。PWM能夠應(yīng)用在許多方面,比如:電機(jī)調(diào)速、溫度控制、
壓力控制等等。
在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個固定的頻率來接通
和斷開電源,而且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間
的長短。經(jīng)過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平
均電壓大小的目的,從而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍?/p>
PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖2-8所示:
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圖2-8PWM方波
設(shè)電機(jī)始終接通電源時,電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax,設(shè)占空比為
D=tl/T,則電機(jī)的平均速度為Va=Vmax*D,其中Va指的是電
機(jī)的平均速度;Vmax是指電機(jī)在全通電時的最大速度;D=tl/T
是指占空比。
由上面的公式可見,當(dāng)我們改變占空比D=tl/T時,就能夠
得到不同的電機(jī)平均速度Vd,從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說,
平均速度Vd與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系,可是在一般的應(yīng)
用中,我們能夠?qū)⑵浣频乜闯墒蔷€性關(guān)系。
3.3.3PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理
1.數(shù)據(jù)比較器
具有數(shù)據(jù)比較功能的芯片有74LS6828,74LS6838等8位數(shù)
值比較器,4位數(shù)值比較器4585等。本PWM發(fā)生電路經(jīng)過兩片
4位數(shù)值比較器4585就可實(shí)現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生,因此選用4585
作為信號發(fā)生電路。芯片4585的引腳圖:
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2.串行計(jì)數(shù)器圖2-104sxs引眈
系統(tǒng)PWM信號發(fā)生電路中還使用到一片串行計(jì)數(shù)器,有串行
計(jì)數(shù)功能的芯片有4024、404()等,它們具有相同的電路結(jié)構(gòu)和邏
輯功能,但4024是7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器,而芯片4040是一個
12位的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器,所有計(jì)數(shù)器位為主從觸發(fā)器,計(jì)數(shù)器
在時鐘下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)CR為高電平時,它對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清
零,由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器,故對脈沖上升和下降
時間沒有限制,所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。本系統(tǒng)使用4040
作為串行計(jì)數(shù)器,芯片4040的引腳圖如圖2-11所示:
圖2.114040弓I腳
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3.3.4H橋驅(qū)動電路
圖2-1所示的H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電
機(jī),電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰o如
圖1.1-1所示,要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。
根據(jù)不同三極管正確導(dǎo)通情況,電流可能會從左至右或從右至左
流過電機(jī),從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
圖4H橋驅(qū)動電路
要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如,
如圖2-2所示,當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時,電流就從電源正極經(jīng)Q1
從左至右穿過電機(jī),然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭
頭所示,該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和
Q4導(dǎo)通時,電流將從左至右流過電機(jī),從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向
轉(zhuǎn)動〈電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向)。
圖5H橋驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動
圖2-3所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況,電流將從右
至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時,電流將從右至左流過
電機(jī),從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動〈電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時
針方向)。
圖6H橋驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動
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3.3.5霍爾傳感器的工作原理
霍爾效應(yīng):在一塊半導(dǎo)體薄片上,其長度為1,寬度為b,厚度為
d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中,如果在它相正確兩邊通
以控制電流I,且磁場方向與電流方向正交,則在半導(dǎo)體另外兩邊
將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢
UH,即UH=KHIB,其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為
霍爾電勢,半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。
工作原理:霍爾開關(guān)集成電路中的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)
生的幅值隨磁場強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號變換
器、驅(qū)動器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信
號。信號輸出端每輸出一個周期的方波,代表轉(zhuǎn)過了一個齒。單
位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N,因此可求出單位時間內(nèi)的速度V=
NTo
3.3.6PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算
圖3-1PI轉(zhuǎn)源調(diào)
3.4相關(guān)的計(jì)算
3.4.1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算
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按照典型n型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和電阻
電容值關(guān)系如下:
Kn-Rn/ROFn=Rn/CnTon=1/4RO*Con
參數(shù)求法:電動機(jī)P=10KWU=220VI=55An=1000轉(zhuǎn)/分
電樞電阻R=0.5歐姆取濾波電路中Ro=40千歐Rn=470千歐
Cn=0.2uFCon=luF則:
Umax=220V
Umin=<220/0.9)*0.5=122V
Yi-l=0W=1000轉(zhuǎn)/分
P=Kp=Rn/Ro=11.7
I=Kp*T/Ti=125
3.4.2相關(guān)程序
#include<reg51.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitopen=P2A0□
sbitclose=P2A1□
sbitswap=P2A2o
sbitsub_speed=P2人3。
sbitadd_speed=P2A40
sbitPWMl=P3A0o
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sbitPWM2=P3Ak
/************************液晶顯示*************/
sbitE=P3A7。
sbitRW=P3A6o
sbitRS=P3A5。
sbittest=P3A4。
inttime=0。
inthigh=200
intperiod=30。
intchange=0。
intflag=0o
intnum_medium=0。
intnum_display=0。
intcount_speed=0。
uchar
wword[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,Ox
39}。
/*******************延時t毫秒****************/
voiddelay(uchart>
uintio
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while(t>
(
/*對于11.0592MHz時鐘,延時1ms*/
for(i=0oi<125oi++>。
〃寫命令函數(shù)LCD
voidwc51r(ucharj>
(
RS=0o
RW=0。
Pl=j。
E=l。
E=0。
delay(3>0
)
〃寫數(shù)據(jù)函數(shù)LCD
voidwc51ddr(ucharj>
RS=lo
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RW=O。
Pl=jc
E=l。
E=0。
delay(2>0
)
//初始化函數(shù)LCD
voidinit(>
(
wc51r(0x()l>o//清屏
wc51r(0x38>o//使用8位數(shù)據(jù),顯示兩行,使用5*7的字
型
wc51r(0x0c>o//顯示器件,光標(biāo)開,字符不閃爍
wc51r(0x06>o//字符不動,光標(biāo)自動右移一格
}
/***********8T0中斷服務(wù)程序************PWM波的生成
KJ>/
voidtimeO_int(void>interrupt1
(
time++o//time為中斷次數(shù)
THO=Oxeco
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TL0=0x78。
if(change==0>
{
PWM2=lo
if(time==high〉//high次中斷后電平由高電平
變成高電平
PWMl=0o
elseif(time==period>//period相當(dāng)于周期,保持
不變的
{
PWM1=lo
time=0o
)
}
else
{PWM1=lo
if(time==high>
PWM2=0。
elseif(time==period>
PWM2=lo
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time=O0
}
}
/****T1中斷服務(wù)程序********單位時間<S)方波的個數(shù)
51c51c51c51c51c5Jc51c/
voidtimel_int(void>interrupt3
(
count_speed++。
if(count_speed--20>
{count_speed=0。
num_display=num_medium。
num_medium=0。
IKJ*KJ>速度顯示的數(shù)據(jù)處理
KJ>KJ>K1*/
voiddatamade(>
uintdataMM,NN。
wc51r(0xc2>o
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wc51ddr('S'>o
wc51ddr('p'>0
wc51ddr('e'><)
wc51ddr('e'>o
wc51ddr('d'>0
wc51ddr(Ox3a>0
NN=num_display%100o
MM=num_display/100<)
wc5lddr(wword[MM]>o
MM=NN/10o
NN=NN%10o
wc5lddr(wword[MM]>o
wc5lddr(wword[NN]>0
)
/**********經(jīng)過按鍵實(shí)現(xiàn)對電機(jī)開關(guān)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的控制
51c51c51c51cI
voidmotor_control(>
if(open--1>
EA=1。
if(close==1>
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EA=O。
if(swap==1>
(
change=-changeo
while(swap!=0>
()
}
if(sub_speed==1>
(
high++o//改變high來改變占空比
if(high==30>
EA=0o
while(sub_speed!=0>
{)
)
if(add_speed==1>
{
high—o
if(high==5>
high=5o
while(add_speed!=0>
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()
)
)
|K|**|>K|>K1>K1>K1**|>K1*K|>主函數(shù)
*j*K|>*1>K1>K|>K|>K|>!
voidmain(>
P2=0x00。
ETO=1o//to中斷允許位
ET1=1。
TMOD=Oxllo
THO=Oxeco//定時器TO設(shè)置參數(shù)
TLO=0x78o
TH1=0x3c?!ǘ〞r器T1設(shè)置參數(shù)
TL1=OxbOo
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