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文檔簡介
1、-*工業(yè)大學(xué)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)報(bào)告組號(hào)2 組 組 員 吳東航1110340108章一林1110340114郭伍昌1110340109學(xué) 院機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師 隋修武 2021 年 1 月 16 日目錄1 課程設(shè)計(jì)的目的和意義32 設(shè)計(jì)任務(wù)33 設(shè)計(jì)背景34 總體設(shè)計(jì)方案45 硬件電路設(shè)計(jì)45.1 采樣模塊45.2 濾波模塊65.3 運(yùn)算放大模塊65.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊75.5 顯示模塊86 軟件電路設(shè)計(jì)106.1流程圖106.2 PID控制算法126.3 PWM輸出126.4 A/D轉(zhuǎn)換137 調(diào)試與仿真結(jié)果分析138 心得體會(huì)149 參考文獻(xiàn)14附錄一電路圖15附錄二程序16
2、摘要:針對(duì)各種低壓電器校驗(yàn)及性能測(cè)試過程中需要高穩(wěn)定、高精度的恒流源要求, 在對(duì)現(xiàn)有主要恒流源產(chǎn)品設(shè)計(jì)仔細(xì)分析的根底上, 設(shè)計(jì)了一種以AT89C51為核心的高穩(wěn)定數(shù)控恒流源。整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制, 輸出PWM波控制恒流源的電流。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試, 該恒流源輸出電流可在10 mA 左右恒定, 當(dāng)電源電壓變化、負(fù)載電路變化時(shí),恒流源的精度在1mA以。1 課程設(shè)計(jì)的目的和意義測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成局部,是“測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)的有益補(bǔ)充,“測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門綜合性專業(yè)課,在理論教學(xué)的同時(shí),要求學(xué)生掌握傳感器的選型,測(cè)控電路的分析
3、、設(shè)計(jì)、調(diào)試,微處理器的電路與程序設(shè)計(jì)、控制算法設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)的綜合應(yīng)用等,以便對(duì)測(cè)控系統(tǒng)形成完整的認(rèn)識(shí)。通過本課程設(shè)計(jì),完成基于PID控制的數(shù)字恒流源的設(shè)計(jì),熟悉和掌握工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的測(cè)量和控制系統(tǒng)的組成原理及設(shè)計(jì)方法,學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)、測(cè)控電路、控制算法等方面的知識(shí),進(jìn)展綜合應(yīng)用,設(shè)計(jì)出完整的測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能,培養(yǎng)自學(xué)能力、動(dòng)手能力、分析問題能力和應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。2 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)基于PID控制的數(shù)字恒流源,設(shè)計(jì)要求如下1、 采用8051系列單片機(jī)輸出PWM波控制恒流源的電流。2、 采用PID控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的閉環(huán)控制。3、 恒流源的電壓為5V,恒流輸出1
4、0mA。4、 采用LCD液晶1602顯示電流值。5、 當(dāng)電源電壓變化、負(fù)載電路變化時(shí),恒流源的精度在1mA以。3 設(shè)計(jì)背景相對(duì)于電壓源, 電流源具有抗干擾能力強(qiáng), 信號(hào)傳輸不受距離影響等。電流源是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電路。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn), 又可以作為其有源負(fù)載以提高放大倍數(shù), 在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。一般的恒流電流源往往是固定的一種輸出電流值,或僅有幾擋電流值, 往往存在調(diào)節(jié)圍小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn), 不便于通用,且所設(shè)定的輸出電流值是否準(zhǔn)確不經(jīng)測(cè)試無法知道。低紋波、高精度穩(wěn)定直流電流源是一種非常重要的特種電源, 在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生
5、產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。4 總體設(shè)計(jì)方案以AT89C51為核心,采用閉環(huán)PID控制,輸出PWM波控制恒流源的電流,經(jīng)信號(hào)調(diào)理后,通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī),通過LCD顯示電流。由于單片機(jī)控制算法靈活, 程序相對(duì)簡單, 且本錢較低, 應(yīng)選用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。為實(shí)現(xiàn)電流模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,應(yīng)選用ADC0809實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。通過三極管C9014及相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的放大。為獲得穩(wěn)定的電流設(shè)計(jì)一個(gè)RC濾波電路去除干擾。具體來說, 該數(shù)字恒流源主要由以下模塊構(gòu)成:采樣模塊、濾波模塊、運(yùn)算放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換、顯示模塊等。圖1為系統(tǒng)構(gòu)造框圖。PWM波濾波采樣LCD顯示單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)
6、換運(yùn)算放大 圖1 系統(tǒng)構(gòu)造框圖5 硬件電路設(shè)計(jì)5.1 采樣模塊通過單片機(jī)輸出的PWM波,由于從PWM處輸出的方波通過三極管后,通過采樣電阻R6,以保證IN1處的電壓恒定,為了使得A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)度變換計(jì)算方便,減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量,因此R6電阻阻值采用100歐姆,當(dāng)電流輸出為10mA的時(shí)候,對(duì)應(yīng)電壓值為1V。為了使得輸出的電壓值趨于平緩,因此增加電容C4100uF,將交流轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。當(dāng)三極管工作在非線性區(qū)即三極管工作在飽和區(qū)或截止區(qū),此時(shí)三極管相當(dāng)于開關(guān)器件。PWM波為高電平時(shí),三極管b-e端導(dǎo)通,保證IN1處輸出恒定電壓;PWM波為低電平時(shí),b-e端截止,IN1出R6處無電流。三極管采樣模
7、塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。本設(shè)計(jì)中采用三極管C9014充當(dāng)放大器件,9014是非常常見的晶體三極管,在收音機(jī)以及各種放大電路中經(jīng)常看到它,應(yīng)用圍很廣,它是NPN型小功率三極管。圖3為三極管C9014的管腳圖。 圖2 采樣模塊電路設(shè)計(jì)圖3 C9014管腳圖5.3 運(yùn)算放大模塊 電阻R7和C5構(gòu)成簡單的濾波電路,由于標(biāo)度變換使得運(yùn)放為1,因此將反向輸入和輸出連在一起構(gòu)成電壓跟隨器。在這里我們選用了兩個(gè)方案,第一種用OP07構(gòu)成電壓跟隨器,OP07閉環(huán)帶寬約為400500kHz,并且當(dāng)VCC給5V時(shí),運(yùn)放線性區(qū)最大輸出電壓一般只有3V左右,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得由OP07構(gòu)成的電壓跟隨器輸出不穩(wěn)定。第二種方案選用L
8、M324構(gòu)成的電壓跟隨器,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得滿足要求。從運(yùn)放的輸出端輸出送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。運(yùn)算放大電路如圖5所示。本設(shè)計(jì)中采用LM324四運(yùn)放集成芯片,它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的部包含四組形式完全一樣的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖6所示的符號(hào)來表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+、“-為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“V+、“V-為正、負(fù)電源端,“Vo為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,Vi-為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反;Vi+為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位一樣。圖6為LM324的引腳圖。圖5 信號(hào)放大模塊電路設(shè)計(jì)圖6 LM324
9、引腳圖5.4A/D轉(zhuǎn)換模塊通過ADC0809將獲得的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,送入單片機(jī)。ADC0809是8位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,帶8個(gè)模擬輸入通道,芯片帶地址譯碼器輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。本例所使用的IN0通道地址為000,由于本例僅使用了IN0通道,因此電路中直接將這ADDC、ADDB、ADDA三只引腳全部接地。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。START引腳在一個(gè)高脈沖后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,當(dāng)EOC引腳出現(xiàn)一個(gè)低電平時(shí)轉(zhuǎn)換完畢,然后由OE引腳控制,從并行輸出端讀取一字節(jié)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換過程中芯片所需要的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)定時(shí)器中斷子程序提供。圖8為ADC0800的引腳圖。圖7A/D轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)圖8A
10、DC0809引腳圖5.6 A/D參考電壓模塊為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換,采用TL431構(gòu)成的可調(diào)穩(wěn)壓模塊作為A/D的參考電壓。將參考電壓調(diào)成2.55V,通過式1計(jì)算得到,電壓值和轉(zhuǎn)換值的對(duì)應(yīng)關(guān)系為100倍,這樣減少了CPU的計(jì)算量,減少了失誤。參考電壓模塊電路圖如圖9。 1 圖9 可調(diào)穩(wěn)壓模塊5.5 顯示模塊采用LCD1602顯示電流值。本設(shè)計(jì)中將單片機(jī)P0口通過排阻與1602相連,構(gòu)成電路的顯示模塊。如圖10所示。LCD1602是工業(yè)字符型液晶,能夠同時(shí)顯示16*02即32個(gè)字符。具有微功耗、體積小、顯示容豐富、超薄輕巧的特點(diǎn),常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。1602的各管腳功能如圖10所示, 1
11、腳VSS為電源地;2腳VCC接5V電源正極;3腳V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端,接正電源時(shí)比照度最弱,接地電源時(shí)比照度最高比照度過高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影,使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度;4腳RS為存放器選擇,高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平0時(shí)選擇指令存放器。5腳RW為讀寫信號(hào)線,高電平(1)時(shí)進(jìn)展讀操作,低電平(0)時(shí)進(jìn)展寫操作; 6腳E(或EN)端為使能(enable)端,高電平1時(shí)讀取信息,負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令;714腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端;1516腳空腳或背燈電源;15腳背光正極;16腳背光負(fù)極。圖10顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖11LCD1602引腳圖6 軟件電路設(shè)計(jì)6.1流程圖系統(tǒng)軟件
12、完成以下幾個(gè)功能:(1)系統(tǒng)初始化, 包括各外圍接口芯片的初始化;(2)用PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的閉環(huán)控制,由PID計(jì)算后得到的輸出值控制PWM波;(3)實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換;(4)LCD的送顯功能;(5)移動(dòng)濾波局部。主程序流程圖如圖12所示,LCD1602子程序流程圖如圖13所示,移動(dòng)濾波子程序流程圖如圖14所示,A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖15所示。開場(chǎng)開場(chǎng)系統(tǒng)初始化LCD初始化讀取A/D轉(zhuǎn)換的濾波值延時(shí)設(shè)置顯示位置計(jì)算偏差Error寫數(shù)據(jù)增量式PID運(yùn)算數(shù)據(jù)顯示計(jì)算得出PWM_ON改變占空比,輸出PWM波 圖12 系統(tǒng)主程序流程圖 圖13 LCD1602子程序流程圖開場(chǎng)初始化Ni9?AD采
13、集到的數(shù)據(jù)放入最高位所有數(shù)據(jù)左移,低位扔掉,求和Y求和,取平均值圖14 移動(dòng)濾波子程序流程圖開場(chǎng)A/D初始化啟動(dòng)A/DN轉(zhuǎn)換是否完成Y送P1至k返回k圖15A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖6.2 PID控制算法比例、積分、微分控制( PID控制) 是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差;在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系,為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng),積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于
14、零;在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分即誤差的變化率成正比關(guān)系,自動(dòng)控制系統(tǒng)在克制誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn),應(yīng)使抑制誤差的作用的變化“超前,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零,即參加微分環(huán)節(jié)。在本系統(tǒng)中, 采用增量式PID 控制對(duì)電流偏差值進(jìn)展處理, 其公式如下:如令,式中,為純比例作用下的臨界振蕩周期,則有這樣整個(gè)問題便簡化為只要一個(gè)參數(shù),故稱其為歸一參數(shù)整定法。改變,觀察控制效果,直到滿意為止,該法為實(shí)現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便。在本系統(tǒng)中,另,通過PID增量式得出PID=,再加上控制目標(biāo)來控制PWN波的占空比,即PWM_ON=Last_out+PID,從
15、而通過PID控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的閉環(huán)控制。6.3 PWM輸出PWM波是通過定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)的,定時(shí)時(shí)間為0.2ms,即每0.2ms中斷一次。PWM波的占空比經(jīng)過PID控制算法,從而到達(dá)跟蹤的目的。因此,經(jīng)過PID增量控制算法后得到的PWM_ON=Last_out+PID修訂了的值。將PWM波的周期設(shè)定為200個(gè)定時(shí)周期即0.2ms*200=40ms,每進(jìn)一次中斷效勞子程序就比擬一下高電平數(shù)是否到了PWM_ON,如果沒到,就讓輸出為一個(gè)定時(shí)周期的高電平,要是高電平數(shù)到了PWM_ON,就輸出FFH-PWM_ON個(gè)低電平,一直到200個(gè)定時(shí)周期完畢為一個(gè)PWM波周期。此時(shí)讓高電平數(shù)仍從0開場(chǎng)加起,再
16、看是否到了PWM_ON,從而決定輸出是高電平還是低電平,可以循環(huán)。這樣就可以根據(jù)PWM_ON來改變PWM的占空比。6.4 A/D轉(zhuǎn)換通過定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,定時(shí)時(shí)間為20ms,即每20ms中斷一次。每中斷十次,進(jìn)展一次A/D采樣,即采樣時(shí)間是20ms*10=200ms,而PWM波的周期為40ms,采樣時(shí)間遠(yuǎn)大于PWM周期的2倍,符合采樣定理。7 調(diào)試與仿真結(jié)果分析在調(diào)試過程中,并不是一帆風(fēng)順的,當(dāng)最初的焊接完成,燒錄程序之后LCD一直顯示一個(gè)錯(cuò)誤值,并且不受控制,經(jīng)過仔細(xì)的排查,發(fā)現(xiàn)是沒有接上拉電阻并且有一根導(dǎo)線虛焊,解決這個(gè)問題之后,又遇到了電壓跟隨器沒有輸入?yún)s有輸出的現(xiàn)象,經(jīng)過查閱資料
17、,在此電路中,用OP07搭建的電眼跟隨器不符合要求,因此選用LM324搭建的電壓跟隨器。這樣輸出結(jié)果接近了10mA左右,但是一直不穩(wěn)定,這樣我在電壓跟隨器的輸入端參加了一個(gè)濾波電路選擇適合的比例系數(shù)使得輸出電壓穩(wěn)定下來。 電路板上顯示的結(jié)果與要求的10mA存在著0.4mA的誤差和送,經(jīng)過分析,認(rèn)為可能是由于以下幾點(diǎn)原因造成的:1.標(biāo)準(zhǔn)器誤差,提供標(biāo)準(zhǔn)值的器件如標(biāo)準(zhǔn)電阻,標(biāo)準(zhǔn)電容等標(biāo)準(zhǔn)器件本身會(huì)帶有一定的誤差;2.焊接過程中產(chǎn)生的誤差,在焊接的過程中不可防止的會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差,這會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響;3.在對(duì)PID控制算法的過程中,的值為估算值,可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。8 心得體會(huì) 在為
18、期兩周的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)里,我們組的三位成員都收獲了很多。首先大家分工明確,各司其職,在最后的調(diào)試階段又同心協(xié)力,共同攻堅(jiān)克難,最終取得了勝利。第二,對(duì)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了生動(dòng)的理解,不再只是停留在書本上空洞的框架里,而是通過這次的課程設(shè)計(jì)有了準(zhǔn)確的理解和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。第三,對(duì)PID控制算法的實(shí)際運(yùn)用有了一定的了解,之前只是在理論上對(duì)PID有過接觸,這次能夠?qū)ID控制算法運(yùn)用在實(shí)際設(shè)計(jì)中,感覺到對(duì)PID又有了更深的認(rèn)識(shí),尤其是通過增量式PID對(duì)參數(shù)進(jìn)展整定。第四,在調(diào)試過程中會(huì)遇到各種問題,這時(shí),不僅需要扎實(shí)的專業(yè)功底,同時(shí)更需要細(xì)心,耐心,專心,在仿真結(jié)果正確,但調(diào)試并沒有到達(dá)預(yù)期的效果時(shí),要對(duì)電路
19、進(jìn)展徹底仔細(xì)的檢查,對(duì)每一局部的電壓電阻等逐一進(jìn)展測(cè)量,弄清每一局部的工作原理,找出問題并一一解決。 最后,感隋修武教師和輝、田松等兩位研究生給予的幫助和指導(dǎo)。經(jīng)過兩周的課程設(shè)計(jì),我們受益良多。 在這個(gè)過程中,我們經(jīng)歷了選定方案、仿真調(diào)試、實(shí)驗(yàn)調(diào)試、最終成品幾個(gè)階段。 在此期間,我們遇到了好多問題,在不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中不斷完善我們的設(shè)計(jì),在不斷完善中取得進(jìn)步!9 參考文獻(xiàn)1 涵.MCS-51 /96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用M.航空航天大學(xué), 1998.2 傳友,曉斌.測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)M.航空航天大學(xué).2021.3 童詩白, 華成英. 模擬電子技術(shù)根底M.高等教育.2001.4 紅, 黃韜,
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21、) _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/-1602端口定義-/sbit RS = P25;sbit RW = P26;sbit E = P27;/-ADC0808引腳定義-/sbit CLK=P24;sbit START=P20; sbit EOC=P21; sbit OE=P22; /-PWM輸出口定義-/sbit PWMout = P33;/-標(biāo)志位及變量定義-/bit flag1=0;bit flag2=0;uchar CYCLE; /周期 uchar PWM_ON=50;/低電平時(shí)間uint ten_minute=0;uint one_minute=0;u
22、char i=0;uchar Display_Buffer = 00.00mA;uchar code Line1 = Current Value:;uchar value_buf10;/-PID參數(shù)定義-/int d;uchar M=0;double SetPoint; /設(shè)定恒流值 double Error=0.0;/定義偏差double error1=0.0; /前一拍誤差 double error2=0.0; /前兩拍誤差int Last_out=0;int dd; double Kp;/-毫秒級(jí)延時(shí)子程序-/ void DelayMS(uint ms)/延時(shí)程序uchar *,j;fo
23、r(j=0;jms;j+)for(*=0;*=148;*+);/-LCD1602相關(guān)子程序-/-查忙-/bit LCD_Busy_Check() bit result;RS = 0;RW = 1;E = 1;delay4us();result = (bit)(P0&0*80);E = 0;return result;/-寫指令-/void LCD_Write_mand(uchar cmd) while(LCD_Busy_Check();RS = 0;RW = 0;E = 0;_nop_();_nop_();P0 = cmd;delay4us();E = 1;delay4us();E = 0;/
24、-設(shè)置顯示位置-/void Set_Disp_Pos(uchar pos) LCD_Write_mand(pos | 0*80);void LCD_Write_Data(uchar dat)/寫數(shù)據(jù) while(LCD_Busy_Check();RS = 1;RW = 0;E = 0;P0 = dat;delay4us();E = 1;delay4us();E = 0;/-LCD初始化-/void LCD_Initialise() /初始化LCD_Write_mand(0*38); DelayMS(5);LCD_Write_mand(0*0c); DelayMS(5);LCD_Write_ma
25、nd(0*06); DelayMS(5);LCD_Write_mand(0*01); DelayMS(5);void LCD_SHOW(uint b)Set_Disp_Pos(0*01);for(i=0;i14;i+) LCD_Write_Data(Line1i);Display_Buffer0=b/1000+0; /數(shù)據(jù)顯示Display_Buffer1=b%1000/100+0;Display_Buffer3=b%100/10+0;Display_Buffer4=b%10+0;Set_Disp_Pos(0*46);for(i=0;iCYCLE-1) PWM_ON=CYCLE; if(PWM_ON1) PWM_ON=1;Last_out=PWM_ON;uchar filter()/移動(dòng)平均濾波法 uchar i; double sum=0; int
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