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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、 課程設(shè)計說明書設(shè)計課題:電機或機床主軸轉(zhuǎn)速的測量(一路或兩路),速度不高于己于1000轉(zhuǎn)/分。查資料,選擇合適的傳感器,參考:編碼器、圓光柵等。要求能夠辨別方向,設(shè)計信號辨向和不低于4細分的電路。設(shè)計信號計數(shù)電路,設(shè)計單片機的信號采集電路及顯示電路。計算顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速,進行測量誤差的簡單分析。編寫程序。設(shè)計電路圖對應(yīng)的PCB圖(選做)。二、 設(shè)計要求1、設(shè)計原理圖,用計算機protell繪圖。2、設(shè)計電路圖對應(yīng)的PCB圖(選做)。3、傳感器選擇合理,電路正確。4、編寫軟件程序。5、提交完整的電路圖6、提交PCB圖(選做)7、提交不少于3000字的設(shè)計報告。包括設(shè)計
2、思想,電路設(shè)計說明,程序。說明書中應(yīng)有選用元器件引腳的說明(單片機除外)。三、 設(shè)計步驟1、機床主軸轉(zhuǎn)速測量的總體設(shè)計對機床主軸轉(zhuǎn)速的測量通過設(shè)計濾波、細分辨相、信號計數(shù)電路,將增量式編碼器與805l單片機相連,單片機與led數(shù)碼管顯示電路相連作為系統(tǒng)的硬件部分,軟件編程實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量、數(shù)據(jù)采集、輸出及顯示。系統(tǒng)的框架圖如圖1:機床主 軸增量式光電編碼 器四細分辨向電路細分信號連接電 路8051單片機LED顯示器圖1機床主軸轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)圖2、增量式光電編碼器光電編碼器,是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器按其刻度方法及信號輸出形式可分為:增量式、絕對
3、式以及混合式三種。根據(jù)檢測原理,編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。本次課程設(shè)計在于測量機床主軸的轉(zhuǎn)速,因此選用了增量式光電編碼器,因為增量式編碼器具有原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn);機械平均壽命長,可達到幾萬小時以上;分辨率高;抗干擾能力較強,信號傳輸距離較長,可靠性較高,并且跟8051的接口很容易連接。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成,如圖2所示:圖2增量式光電編碼器的組成碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙,相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期;檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙,用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤
4、上的節(jié)距相等,并且兩組透光縫隙錯開1/4 節(jié)距,使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電度角。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,檢測光柵不動,光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號,電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理,可以得到被測軸的速度信息。增量式光電編碼器輸出信號波形如圖3所示。圖3增量式光電編碼器輸出信號波形信號轉(zhuǎn)換電路用來把近似正弦波的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǎD(zhuǎn)換電路圖如圖4:圖4增量式光電編碼器中的轉(zhuǎn)換電路通過轉(zhuǎn)換電路的A、B信號,連接到四細分辨向電路中去,作為四細分辨向電路的兩個輸入信號。3、四細分
5、辨向電路圖5、四細分辨相電路圖該電路(見圖5)是利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細分的。A、B是兩路相位差90°的方波信號,傳感器正相移動時,設(shè)A導(dǎo)前B(如圖6),當(dāng)A發(fā)生正跳變時,由非門DGl、電阻Rl、電容Cl和與門DG3組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號A,此時為高電平,由與門和或門組成的與或非門DG5有計數(shù)脈沖輸出;由于B為低電平。由與門和或門組成的與或門DGlO無計數(shù)脈沖輸出。當(dāng)B發(fā)生正跳變時,由非門DG6、電阻R3、電容R3和與門DG8組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號B,此時A為高電平,DG5有計數(shù)脈沖輸出,DGlO仍無計數(shù)脈沖輸出。當(dāng)A發(fā)生負跳變時,由非門DG2、電阻R2
6、、電容C2和與門DG4組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號,此時B為高電平,與或非門DG5有計數(shù)脈沖輸出,DGlO無計數(shù)脈沖輸出。當(dāng)B發(fā)生負跳變時,由非門D97、電阻R4、電容C4和與門DG9組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號,此時為高電平,與或非門DG5有計數(shù)脈沖輸出,DGlO無計數(shù)脈沖輸出。這樣,在正向運動時,DG5在一個信號周期內(nèi)依次輸出A,B、四個計數(shù)脈沖,實現(xiàn)了四細分。 在傳感器反相運動時,由于A、B的相位關(guān)系發(fā)生變化,B導(dǎo)前A,這時DG10在一個信號內(nèi)輸出、B、A、四個計數(shù)脈沖,這四個計數(shù)脈沖分別出現(xiàn)在、B、A為高電平的半周期內(nèi),同樣實現(xiàn)了四細分。DG5、DGlO隨運動方向的改變交替輸出脈沖
7、,輸出信號、經(jīng)后續(xù)電路處理與單片機相連接。四細分電路后、的波形圖如下,分為正向運動和反向運動,如圖7: a) 正向運動 b) 反向運動 圖6、正反轉(zhuǎn)時 、的輸出波形圖4、細分信號連接電路細分信號整形電路用來把、的信號經(jīng)過D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成8051單片機所能識別的信號,用來顯示機床是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),直接把、兩者中的有效信號直接輸入到8051單片機。細分信號整形電路電路圖如圖7:圖7細分信號連接電路該電路由一個D觸發(fā)器和一個與門構(gòu)成,當(dāng)機軸正向旋轉(zhuǎn)時,輸出矩形波, 輸出高電平,由電路圖容易得出P35輸出與相同的脈沖波,D觸發(fā)器在發(fā)出的矩形波脈沖下,由于時鐘脈沖CLK端為高電平,Q端輸出高電平,端輸出低電
8、平;當(dāng)主軸反向旋轉(zhuǎn)時,輸出高電平, 輸出矩形波,同理P35端輸出矩形波脈沖,由于D觸發(fā)器的D端輸入一直為0,因此無論時鐘脈沖CLK怎么變化,Q端輸出為低電平,端輸出為高電平。Q端與8051單片機P1.0接口相連,端與8051單片機P1.1接口相連,在通過8051單片機編程判斷出電機的正反轉(zhuǎn)。D觸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示:圖8、D觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)D觸發(fā)器的邏輯功能:D=0 當(dāng)時鐘脈沖來到之前,即CLK=0時,G3、G4、G6的輸出均為1,G5因輸入端全為1而輸出為0。這時,觸發(fā)器的狀態(tài)不變。 當(dāng)時鐘脈沖從0上跳為1,即CLK=1時,G6、G5、G3的輸出保持原狀態(tài)未變,而G4因輸入端全1其輸出由1
9、變?yōu)?。這個負脈沖一方面使基本觸發(fā)器置0,同時反饋到G6的輸入端,使在CLK=1期間不論D作何變化,觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變。D=1 當(dāng)CLK=0時,G3和G4的輸出為1,G6的輸出為0,G5的輸出為1。這時,觸發(fā)器的狀態(tài)不變。 當(dāng)CLK=1時,G3的輸出由1變?yōu)?。這個負脈沖一方面使基本觸發(fā)器置1,同時反饋到G4和G5的輸入端,使在CLK=1期間不論D作何變化,只能改變G6的輸出狀態(tài),而其他門均保持不變,即觸發(fā)器保持1狀態(tài)不變。此次細分整形電路使用了在時鐘脈沖CLK一直為1時,不論D作任何變化,觸發(fā)器保持1狀態(tài)不變, 在D一直為0時,無論時鐘脈沖CLK如何變化,觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變。注:在電動機
10、正轉(zhuǎn)前,應(yīng)在端加上開關(guān)使D觸發(fā)器置位1狀態(tài)。D觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表如表1所示D功能00100置010111置1表1、D觸發(fā)器邏輯狀態(tài)表5、8051單片機、單片機端口及控制電路8051單片機通過細分信號連接電路與四細分辨向后的信號相連接,8051單片機通過單片機內(nèi)部編程實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的顯示。8051單片機的端口圖形如圖9所示:圖9、8051單片機的端口8051單片機復(fù)位及時鐘脈沖信號電路如圖10所示: 圖10、8051單片機復(fù)位及時鐘脈沖信號電路、單片機控制字設(shè)置及工作方式:1工作模式寄存器TMOD 定時計數(shù)器的方式控制字TMOD,其地址為89H,復(fù)位值00H,不可位尋址。其8位控制內(nèi)容如表2所示:
11、表2、共作模式寄存器TMOD的位定義其中,低4位用于T0,高4位用于T1各位功能的介紹:M1和M0:操作模式控制位。兩位可形成4種編碼,對應(yīng)于4種操作模式(即4種電路結(jié)構(gòu)),其操作模式如表3所示:M1 MO工作模式功能描述 0 0模式013位計數(shù)器 0 1模式116位計數(shù)器 1 0模式2自動再裝入8位計數(shù)器 1 1模式3定時器0;分成2個8位計數(shù)器定時器1;停止計數(shù)表3、M1和M0控制的4種工作模式C/:定時器/計數(shù)器方式選擇位:C/=0,設(shè)置為定時方式。定時器計數(shù)89C51片內(nèi)脈沖,亦即對機器周期(振蕩周期的12倍)計數(shù)。C/=1,設(shè)置為計數(shù)方式,計數(shù)器的輸入時來自T0(P3.4)或T1(P
12、3.5)端的外部脈沖。GATE:門控位GATE=0時,只要用軟件使TR0或TR1置1,就可以啟動定時器,而不管(或)的電平是高還是低。GATE=1時,只有(或)引腳為高電平且由軟件使TR0或TR1置1時,才能啟動定時器工作。根據(jù)前面的描述,可以確定TMOD的控制字應(yīng)為51H。程序中用:MOV TMOD, #51H將控制字送入TMOD。2控制寄存器TCONTCON地址88H,復(fù)位值OOH,可進行位尋址還可以進行字節(jié)尋址。各位定義及格式如表4所示: 表4、控制寄存器TCON的位定義TCON各位的作用如下:TF1:T1溢出標志位。當(dāng)T1溢出時,由硬件自動使中斷觸發(fā)器TF1置1,并向CPU申請中斷。當(dāng)
13、CPU響應(yīng)中斷進入中斷服務(wù)程序后,TF1又被硬件自動清0。TF1也可以用軟件清0。TF0:T0溢出標志位。其功能和操作情況同TF1。TR1:T1運行控制位??赏ㄟ^軟件置1或清0來啟動后關(guān)閉T1。在程序中用指令“SETB TR1”使TR1位置1.,定時器T1便開始計數(shù)。TR0:T0運行控制位。其功能機操作情況同TR1。IE1、IT1 、IE0和IT0:外部中斷和請求及請求方式控制位。、定時器以及計數(shù)器的選擇本課程設(shè)計中,選定了以T0作為定時器,T1作為計數(shù)器,根據(jù)P3.5端口輸入脈沖的在由T0定時器規(guī)定的時間內(nèi)所產(chǎn)生的信號個數(shù)判定機床主軸的轉(zhuǎn)速,根據(jù)P1.0端口的信號判定機床主軸的轉(zhuǎn)向。此次選定
14、的固定時間為1s,因此在設(shè)定定時器時,考慮到了單片機直接定時為1s時,LED顯示器的效果不好,也不能及時的了解機床主軸的轉(zhuǎn)速。因此把T0定時器的時間設(shè)定為100ms,循環(huán)次數(shù)為10次,同時用考慮到LED顯示器的情況,因此在此程序中,又設(shè)定了T1定時器的時間定時為10ms,在LED顯示器中顯示出來。在編寫程序時,設(shè)定定時時間為100ms時,計數(shù)值X為:求得:X=15536=3CB0H因此:(TL0)=B0H,(TH0)=3CH同理可得到在定時為10ms時,(TL1)=F0H,(TH1)=D8H其中定時為100ms的編程程序為:MOV TL0, #B0HMOV TH0, #3CH6、LED顯示器本
15、課程設(shè)計要求機床主軸轉(zhuǎn)速的范圍在1000r/min一下,又要能夠顯示機床主軸的轉(zhuǎn)動方向,因此需要使用四個LED顯示器。前三個LED管分別顯示百位、十位、個位,第四個LED管指示機床主軸的轉(zhuǎn)動方向。當(dāng)機床主軸正向旋轉(zhuǎn)時,第四個LED管不顯示,當(dāng)機床主軸反向旋轉(zhuǎn)時,第四個LED管顯示符號“”(g段發(fā)光二極管被點亮),LED管的7段顯示器引腳配置以及選用的極性如圖11所示: a)顯示器引腳圖 b)共陰極圖11、LED顯示器引腳及共陰極圖形由于為動態(tài)顯示,只需要09這10個數(shù)字,因此共陰極7段LED顯示字形編碼表如表5:顯示字符0123456789共陰極3F065B4F666D7D077F6F表5、共
16、陰極字形編碼表8051單片機與LED顯示器的連接如圖12所示:四、 轉(zhuǎn)速測量及誤差分析1、轉(zhuǎn)速測量:機床主軸轉(zhuǎn)動速度的數(shù)字檢測基本方法是利用與機床主軸同軸連接的光電脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理 , 根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列 , 測量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動方向 。 根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有 :M 法 ( 測頻法 ) 、 T 法 ( 測周期法 ) 和 M P T 法 ( 頻率 P 周期法 ) 。 在圖13中列出了3種常用的基于光電編碼器的測速方法,假定時鐘頻率為f,光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P圖13、常用測速方法原理圖根據(jù)3種常用的基于光電編碼器的原理圖可知,又此次課程
17、設(shè)計的轉(zhuǎn)速范圍為1000r/min一下為低速,最好是采用T法,但考慮到單片機的編程以及方便于數(shù)字顯示,此次轉(zhuǎn)速測量選用了M法。M法的測量原理為:通過測量一段時間間隔的編碼器脈沖數(shù)來計算轉(zhuǎn)速,如圖13(a)所示,設(shè)在固定時間T內(nèi)測得的編碼器脈沖數(shù)位M,則轉(zhuǎn)速為:。課程設(shè)計中,增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為15,通過四細分電路后傳到8051單片機中去,選定固定時間為1s,因此通過公式可得,因此在1s內(nèi)經(jīng)過四細分電路后在單片機中的脈沖數(shù)目即為機床主軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速。2、誤差分析:機床主軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速測量裝置的誤差主要來源于3個方面,分別為傳動誤差、計算方法及傳感器誤差、單片機誤差。、傳動誤差機床主軸和傳感器連
18、接方式引進的誤差。不同的連接方面會帶來不同的誤差,這些誤差或多或少的都會影響,通過選擇合適的連接方式就可以盡可能的減小傳動誤差。、計算方法及傳感器誤差由轉(zhuǎn)速公式:給出因M的量化誤差是1個脈沖,故轉(zhuǎn)速變化:其相對誤差為: 相對誤差 加入一個脈沖后的轉(zhuǎn)速值 轉(zhuǎn)速誤差 隨轉(zhuǎn)速N增大而減小,因此這種方法適合于高速測量,當(dāng)轉(zhuǎn)速越低,產(chǎn)生的誤差越大。因此本次課程設(shè)計選用此算法會產(chǎn)生誤差。增量式光電編碼器誤差:對于轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng),其性能好壞主要取決于準確性和分辨率。而準確性直接受到光電編碼器性能的影響,由于編碼器在制造過程中所形成的分割誤差總是存在的。增量式光電編碼器由于無記憶能力,碼盤的線數(shù)高,故對抖動干擾
19、非常敏感,尤其在旋轉(zhuǎn)方向變換和低速運動時影響最大。當(dāng)機床主軸的轉(zhuǎn)動極不均勻時影響會很明顯。如果缺乏有效的抗抖動和消除誤碼能力,系統(tǒng)的檢測精度與實際值之間將會產(chǎn)生較大誤差。單片機計數(shù)誤差單片機定時采用把1秒分為10個100ms。每次采樣的脈沖數(shù)都累加到R6、R7中,直到1秒鐘,再把總計數(shù)送到顯示緩存器中。程序運用中斷來調(diào)用顯示,即每采樣100ms后顯示轉(zhuǎn)速。單片機在中斷時由于有時間的延時,因此真正的時間有所變化,因此會產(chǎn)生誤差。當(dāng)電機處于加速或是減速時,也會帶來誤差。五、軟件編程及程序流程圖1、軟件編程主程序:ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHMAIN: MOV SP,#60
20、HMOV B,#0AH ;寄存器B寫10MOV TMOD,#51H ;T0定時ls,模式1,每隔100ms中斷一次,十次為lsMOV TL0,#0B0H ;賦定時器初值100msMOV TH0,#3CHMOV TLl,#00H ;T1計數(shù),初值為零MOV TH1,#00HSETB TR1 ;開定時器SETB TR0SETB ET0 SETB EA ;開總中斷SJMP $中斷服務(wù)程序:ORG 000BHSERVE: CLR TR0 ;關(guān)閉兩定時器CLR TR1MOV A,TH1 ;計數(shù)器值高八位疊加到寄存器R6里ADD A, R6MOV R6,AMOV A,TL1 ;計數(shù)器值低八位疊加到寄存器R
21、7里ADD A, R7MOV R7,AMOV R1,#64H ;LED顯示次數(shù)100次DJNZ B,LOOP ;判斷是否中斷了10次MOV B,#0AH ;重新給B賦值10ACALL HB2 ;二、十進制轉(zhuǎn)換LOOP: MOV R1,#64H ;LED顯示次數(shù)100次MOV TMOD,#11H ;T0模式不變,T1模式1,定時l0ms LOOP1:MOV TH1,#0ECH ;定時器T1裝初值定時10msMOV TL1,#78HSETB TR1 ;開T1JNB TF1,$ ;等待T1溢出CLR TF1 ;清除T1溢出位ACALL DIS ;調(diào)用10ms一次數(shù)據(jù)動態(tài)顯示子程序DJNZ R1,LO
22、OP1 ;循環(huán)顯示100次CLR TR1 ;關(guān)定時器T1,兩個定時器回到初始模式MOV TMOD,#51HMOV TL1,#00HMOV TH1,#00HMOV TL0,#0B0HMOV TH0,#3CHSETB TRl ;開啟兩定時器SETB TR0RETI顯示子程序:DIS: MOV A,R5MOV 40H,A ;將個位放入40H單元MOV A,R4MOV 39H,A ;將十位放入39H單元MOV A,R3MOV 38H,A ;將百位放入38H單元MOV R0,#40H ;顯示數(shù)據(jù)首地址寫入寄存器R0DISl: MOV R2,#80H ;位選信號“”寫到R2MOV A,R2MOV DPTR
23、,#TAB ;字形表頭地址送DPTRJB P1.0,L1 ;判斷正反轉(zhuǎn)狀態(tài)MOV P2,A ;反轉(zhuǎn)第四個數(shù)碼管顯示MOV A,#40H ;符號“一”的段碼送到P0口MOV P0,A LCALL Dlms ;調(diào)用延時1ms子程序LI: MOV R2,#0lH ;正轉(zhuǎn)第四個數(shù)碼管不顯示MOV A,R2L2: MOV P2,A ;從倒數(shù)第二個數(shù)碼管開始顯示MOV A,R0MOVC A,A+DPTR ;取出字形碼MOV P0,A ;送到P0口LED顯示ACALL Dlms ;調(diào)用延時1ms子程序DEC R0 ;數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址向下移一位MOV A,R2JB ACC.2,LP1 ;第一個數(shù)碼管顯示了嗎?R
24、L A ;沒有,位選左移一位MOV R2,AAJMP L2 ;再次動態(tài)顯示一次LP1:RETTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH DB 7DH,07H,7FH,6FH ;共陰極LED顯示字形編碼表Dlms:MOV R7,#02H ;1ms延時子程序DL: MOV R6,#0FFHDL1: DJNZ R6,DL1DJNZ R7,DLRET HB2: CLR A ;二、十進制轉(zhuǎn)換子程序MOV R3,AMOV R4,AMOV R5,AMOV R2,#l0HHB3: CLR CMOV A,R7RLC AMOV R7,AMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R5
25、 ;R5中是個位數(shù)字ADDC A,R5DA A MOV R5,AMOV A,R4 ;R4中是十位數(shù)字ADDC A,R4DA A MOV R4,AMOV A,R3 ;R3中是百位數(shù)字ADDC A,R3DA AMOV R3,ADJNZ R2,HB3 ;判斷是否轉(zhuǎn)換完成RET2、程序流程圖:主程序流程圖開始中斷次數(shù)10寫入B設(shè)定時器、計數(shù)器工作方式定時器T0賦初值,定時為100ms計數(shù)器T1清零開定時器T0,計數(shù)器T1開中斷等待定時中斷中斷服務(wù)程序流程圖中斷程序入口關(guān)閉兩定時器T0、T1計數(shù)器T1高八位加入R6,低八位加入R7B=0?重新給B賦值10調(diào)用二、十進制轉(zhuǎn)換程序 HB2定時器T1設(shè)初值,定
26、時為10ms開定時器T1T1溢出?等待清除T0溢出位調(diào)用顯示子程序DISR1=0?關(guān)閉定時器T1中斷返回顯示循環(huán)次數(shù)100寫入R1重新設(shè)定工作模式T0不變,T1變?yōu)槎〞r模式1,定時10ms兩定時器T0、T1重新賦初值開啟兩定時器T0、T1顯示子程序流程圖:DIS顯示子程序個、十、百位數(shù)據(jù)寫入40H、39H、38H單元首地址40H寫入R0P1.0=1?判定正反轉(zhuǎn)點亮最右邊的LED顯示器送出“”號段碼顯示延時1ms送位控制信號取顯示數(shù)據(jù)查表取字型碼送出一位顯示延時1ms指向下一個緩沖單元(R0)1ACC.2=1?顯示完了嗎?結(jié)束控位信號左移一位六、設(shè)計小結(jié)為期兩周的課程設(shè)計,在忙碌中結(jié)束了,一邊需要考試,一邊還需要思考自己課程設(shè)計的題目。此次,我所獲得的課程設(shè)計的題目為電機或機床主軸轉(zhuǎn)速的測量。初次看到題目時,只能了解到我們需要做一個速度顯示的裝置,具體的細節(jié)則是十分的不清楚,拿到題
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