單片機控制外設(shè)的本領(lǐng)

單片機控制外設(shè)的本領(lǐng)第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第15章單片機控制外設(shè)的本領(lǐng)2第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月外設(shè)3

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX月球車模型，各種外設(shè)如電機、溫度傳感器、攝像頭、無線網(wǎng)卡、繼電器等在單片機的控制下互相合作，實現(xiàn)了月球車對月亮表面的探測任務(wù)。第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.1■

元器件插曲之十六：繼電器15.1.1繼電器基礎(chǔ)知識4

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.1.2單片機與繼電器5

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX繼電器的低壓控制端與接觸端之間沒有任何電氣連接關(guān)系，只是利用電磁的吸引和機械的手段實現(xiàn)接觸控制，可實現(xiàn)低壓直流開關(guān)高壓直流/交流的功能。繼電器通常使用三極管開關(guān)實現(xiàn)與單片機I/O的接口。第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.1.2單片機與繼電器6

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX繼電器K1的控制端由三極管Q1來驅(qū)動，只要單片機的P0.7輸出高電平則三極管Q1導(dǎo)通，繼電器閉合接觸端1、3導(dǎo)通，電機開始工作?？梢娎^電器幫助單片機的I/O口實現(xiàn)了低壓（5VDC）控制高壓（220VAC）的目的。由于繼電器K1的電磁鐵有一定的電感，在斷電瞬間可能會產(chǎn)生較大的反向電壓而對三極管Q1不利，因此在繼電器K1控制端反接一個二極管D1用于放電。電機可以根據(jù)系統(tǒng)的需要更換成電燈、電磁閥等外設(shè)，只要保證繼電器的接觸端額定電壓、額定電流分別高于被控用電器的最大電壓和最大電流，單片機的I/O口就可以控制任何大功率外設(shè)了。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.2.1紅外發(fā)光二極管的應(yīng)用7

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX大多數(shù)遙控器外殼前方都發(fā)射器——紅外發(fā)光二極管。遙控器上的每一個按鍵都有一個特定的編碼，這些按鍵編碼都是通過紅外發(fā)光二極管以紅外線的形式發(fā)射出去的，被遙控的設(shè)備如電視、空調(diào)上的紅外接收管接收，并把紅外線編碼轉(zhuǎn)換成編碼脈沖信號。單片機可根據(jù)編碼脈沖信號還原出遙控器上是哪一個按鍵被按下，從而進(jìn)行相關(guān)的操作。第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.2.2紅外計數(shù)器8

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在商場、車站等場所，經(jīng)常在門口看到類似圖15-7的一些白色立板，一個立板頂端發(fā)射紅外線，另一個立板頂端有紅外接收管接收。當(dāng)有人穿過兩個立板時，紅外接收管被擋一下從而輸出一個脈沖，表示有一個人經(jīng)過。第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.2.2紅外計數(shù)器9

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX單片機可通過記錄接收管輸出的脈沖個數(shù)，獲得進(jìn)、出商場或車站的人數(shù)，在入口、出口分別設(shè)置紅外計數(shù)器，再通過一個簡單的減法運算，就能知道在商場或車站等場所內(nèi)的人數(shù)。當(dāng)人數(shù)超出最大容量時發(fā)出提示，以限制進(jìn)入的人數(shù)，保證場所內(nèi)不至于因人數(shù)過多而發(fā)生擁擠、踩踏事件。第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.2.2紅外計數(shù)器10

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX利用555芯片作為振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，并由三極管驅(qū)動紅外發(fā)光二極管。于是得到脈沖發(fā)生器及驅(qū)動電路如圖15-10所示。給電路供+5V的工作電源，555芯片起振，紅外發(fā)光二極管D1、D3就以某一頻率閃爍。閃爍的頻率可通過電位器R3或R7來調(diào)節(jié)。第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.2.2紅外計數(shù)器11

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX由于在紅外線傳輸過程中會被環(huán)境中一些噪聲等干擾導(dǎo)致紅外接收管接收到的信號不是很好，如果直接輸入單片機的I/O口，有可能會導(dǎo)致計數(shù)不準(zhǔn)確。所以需要在紅外接收管和單片機I/O口之間添加一個整形電路。加上用于顯示人數(shù)的3位七段數(shù)碼管。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.3■

元器件插曲之十八：直流電機15.3.1直流電機基礎(chǔ)知識12

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX直流電機是一種將直流電轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，直流電機可分成直流高速、直流低速和直流減速電機等幾種。電機底部一般會有兩個管腳（或引線）用于供電。第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.3.2直流電機的通斷控制13

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX需要根據(jù)電機的功率設(shè)計三極管開關(guān)電路。三極管TIP110最大可驅(qū)動額定電壓60V、額定電流2A的直流電機，并且在大電流工作狀態(tài)中三極管需要添加散熱器。第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.4■

什么是PWM（脈寬調(diào)制）？15.4.1平均電壓概念14

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX電池電壓為10V，如果閉合開關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為10V，接著斷開開關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為0V。顯然，在這100ms之內(nèi)，電燈的平均電壓為：第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.4.1平均電壓概念15

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX通過使開關(guān)閉合與斷開的時間各為50%，使電燈亮度降低，從平均上看，電燈的供電電壓變成了5V。如果使開關(guān)閉合與斷開的時間分配成60%和40%，在ta時間段內(nèi)，開關(guān)閉合的時間為ta×60%，而斷開的時間為ta×40%，所以平均電壓為6V。此時電燈比10V時暗，但是比5V時稍亮。第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.4.2PWM與平均電壓16

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX利用開關(guān)對通、斷時間的控制來改變平均電壓的方法稱為PWM。PWM信號是一個數(shù)字信號，這是因為在某一時刻，直流電平要么出現(xiàn)，要么不出現(xiàn)。電源以一系列脈沖的形式向負(fù)載供電。在帶寬足夠的情況下，任何模擬信號平均電壓都可由PWM信號產(chǎn)生。第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5■

直流電機的運行控制15.5.1PWM信號與直流電機17

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX把PWM信號應(yīng)用到直流電機的轉(zhuǎn)速控制中，如果PWM信號發(fā)生器輸出的矩形波信號為12V、且占空比為50%，于是得到PWM信號的平均電壓為6V，這與電池所提供的電壓相同。所以在PWM信號平均電壓為6V時電機無論使用電池供電還是PWM信號發(fā)生器其轉(zhuǎn)速是相同的。第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.2直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制18

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX轉(zhuǎn)向控制：電機的兩個管腳（+、-）和電源之間由4個開關(guān)A、B、C、D控制著。圖（a）中，開關(guān)A和D閉合，開關(guān)B和C斷開，這樣電流從直流電機的+極流向-極，于是電機正轉(zhuǎn)。圖（b）中，開關(guān)A和D斷開，而開關(guān)B和C閉合，則電流的方向與剛才正好相反，從電機的-極流向+極，于是電機反轉(zhuǎn)。至于說轉(zhuǎn)速的控制，可在圖（a）中，利用開關(guān)A、D的閉合與斷開給電機提供PWM信號，以此就可以控制正轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。同理，在圖（b）中利用開關(guān)B、C產(chǎn)生PWM信號來控制反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.2直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制19

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX這4個開關(guān)在實際當(dāng)中由場效應(yīng)管充當(dāng)。如圖（a）所示，場效應(yīng)管Q1與Q4共G極，被置高電平，同時場效應(yīng)管Q2與Q3共G極，被置0，于是Q1、Q4導(dǎo)通而Q2、Q3截止，于是電流從直流電機的+極流向-極，于是電機正轉(zhuǎn)。在圖（b）中場效應(yīng)管Q1與Q4截止而Q2與Q3導(dǎo)通，于是電流從電機的-極流向+極，電機反轉(zhuǎn)。給場效應(yīng)管的D極和S極之間并聯(lián)一個二極管，當(dāng)直流電機的電感產(chǎn)生高壓而形成電流時，可以通過二極管放電而不會進(jìn)入場效應(yīng)管，從而保護(hù)了場效應(yīng)管。第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.3單片機控制直流電機20

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX單片機的I/O口直接去操作場效應(yīng)管的G極有些“力不從心”，因為場效應(yīng)管的導(dǎo)通需要G極上有一個稍高的電壓。于是可以G極前添加一個驅(qū)動電路，三極管Q5和Q7驅(qū)動場效應(yīng)管Q2與Q3的共G極，而三極管Q6和Q8驅(qū)動場效應(yīng)管Q1與Q4的共G極。只要把單片機的I/O口分別接到三極管Q7和Q8就可以用程序控制直流電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向了。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.4直流電機的全面控制21

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXB0=B1=B2=B3=0時，4個場效應(yīng)管全部截止時，直流電機兩端就好像懸空一樣，可以自由地轉(zhuǎn)動，此時為空轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機會因為慣性自由轉(zhuǎn)動，不久由于摩擦等阻力的存在會，電機漸漸停止下來。如果B1=B3=1且B0=B2=0，場效應(yīng)管Q3和Q4導(dǎo)通。這樣，電機兩端好像短路一樣，如果電機因為慣性還在轉(zhuǎn)動，則在兩端所產(chǎn)生的電動勢在電機線圈中產(chǎn)生電流，該電流在磁場（電機中有磁體）作用下產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)動方向相反的力，從而阻止電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，起到了剎車的作用。第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.5.4直流電機的全面控制22

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在實際應(yīng)用中，可用直流電機控制芯片L298，電源端+Vs的供電與電機的額定電壓相同，最大不超過46V。L298已經(jīng)集成了場效應(yīng)管和相應(yīng)的驅(qū)動電路，只要操作其控制端就可實現(xiàn)直流電機的控制。在使能端ENB（11管腳）置1后，電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車、空轉(zhuǎn)運行狀態(tài)通過控制端IN3（10管腳）和IN4（12管腳）實現(xiàn)，如果用單片機控制時，只要只要把L298的以上控制端與單片機的I/O口連接，由程序選擇運行狀態(tài)即可。第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.6■

元器件插曲之十九：步進(jìn)電機15.6.1步進(jìn)電機基礎(chǔ)知識23

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX步進(jìn)電機的外觀或許與直流電機相似——都有轉(zhuǎn)動軸和管腳，但其控制方法與直流電機有本質(zhì)的區(qū)別。第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.6.1步進(jìn)電機基礎(chǔ)知識24

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在步進(jìn)電機內(nèi)部，中央有一個齒輪狀的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動軸就固定在轉(zhuǎn)子上。轉(zhuǎn)子周圍是4個多齒狀的電磁鐵作為定子（與轉(zhuǎn)子不接觸），電磁鐵由管腳供電，于是可以被外部電路驅(qū)動并控制。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動軸運動依靠定子（電磁鐵）吸引轉(zhuǎn)子實現(xiàn)。首先，給電磁鐵①通電，于是轉(zhuǎn)子被電磁鐵①吸引并轉(zhuǎn)動一個很小的角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵①的齒對齊后轉(zhuǎn)子停止，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動了1步。第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.6.1步進(jìn)電機基礎(chǔ)知識25

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵①的齒對齊后，轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵②之間偏離了一個很小的角度。這時給電磁鐵②通電而關(guān)閉電磁鐵①，于是轉(zhuǎn)子被電磁鐵②吸引轉(zhuǎn)動一個很小的角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵②的齒對齊后轉(zhuǎn)子停止，步進(jìn)電機又轉(zhuǎn)動了1步。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.6.1步進(jìn)電機基礎(chǔ)知識26

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX接下來接通電磁鐵③而關(guān)閉電磁鐵①和②，于是轉(zhuǎn)子又將轉(zhuǎn)動一個很小的角度，步進(jìn)電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動1步。然后電磁鐵④接通，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動一個很小的角度，步進(jìn)電機又轉(zhuǎn)動1步。就這樣，電磁鐵①、②、③、④快速依次逐一接通電源，轉(zhuǎn)子不斷地以很小的角度“跳動”，在轉(zhuǎn)動軸上就形成了步進(jìn)的表象。如果電磁鐵切換越快，則步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動也就越快。當(dāng)轉(zhuǎn)動軸步進(jìn)走過360°后，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)過了一圈。第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.6.2步進(jìn)電機的種類27

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX步進(jìn)電機一般分為單極步進(jìn)電機和雙極步進(jìn)電機兩種。單極步進(jìn)電機一般有5或6個管腳，在電機內(nèi)部有4個勵磁線圈。單極步進(jìn)電機每個相位上有兩個勵磁線圈，勵磁線圈1和勵磁線圈2是同一相位上的兩個勵磁線圈，勵磁線圈3和勵磁線圈4是另一個相位上的兩個勵磁線圈。通常，同一相位上的兩個勵磁線圈有一端連接在一起形成公共端，如管腳5和6，這樣在一個相位上就有3個管腳：管腳1、2、5構(gòu)成一個相位，管腳3、4、6構(gòu)成另一個相位。在大多數(shù)情況下，二相步進(jìn)電機只有5個管腳，這是因為在電機內(nèi)部，兩個相的公共端（管腳5和管腳6）相連形成了一個大公共端。第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.7■

步進(jìn)電機的運行控制15.7.1步進(jìn)電機的控制方法28

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXU1是驅(qū)動芯片ULN2003，輸入端IN1~IN7（1~7管腳）的信號經(jīng)過反相后由OUT1~OUT7輸出（10~16管腳），這個從ULN2003輸出的信號的驅(qū)動能力已經(jīng)有了很大的提升，足夠驅(qū)動一般步進(jìn)電機的勵磁線圈。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.7.1步進(jìn)電機的控制方法29

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX要想讓步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)起來，需要依次給勵磁線圈1、2、3、4通電。也就是依次在控制線A、B、C、D上出現(xiàn)高電平，如表示。如果反順序給勵磁線圈通電，則步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)。第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.7.2步進(jìn)電機與單片機30

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX由于步進(jìn)電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度越快負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小。但速度過快而超過極限后，步進(jìn)電機將不再轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動速度與勵磁線圈通電切換的頻率有關(guān)，所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.8■

應(yīng)用體驗——用PWM信號控制直流電機15.8.1L298驅(qū)動直流電機31

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXL298的IN1、IN2分別與單片機的P2.0、P2.1相連，使能端ENA與P2.2相連。單片機的P1.0~P1.4上有4個按鈕，分別用來控制直流電機工作于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車、空轉(zhuǎn)狀態(tài)。第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.8■

應(yīng)用體驗——用PWM信號控制直流電機32

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月15.9■

實例解讀——太陽跟隨系統(tǒng)15.9.1為了獲得最大的太陽光33

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX太陽跟隨系統(tǒng)幫助太陽能電池板跟隨太陽運動以獲得充足的陽光用來發(fā)電，跟隨系統(tǒng)主要是一個單片機控制的機械運動機構(gòu)。太陽能電池板固定在一個由兩個電機驅(qū)動的支架上，X軸電機控制太陽能電池板翻