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基于单片机的摆臂控制器设计【无图】

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基于 单片机 摆臂 控制器 设计
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基于单片机的摆臂控制器设计

39页 13000字数+说明书+开题报告+任务书+答辩PPT+外文翻译

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目录

第一章 绪 论1

1.1 选题的目的与意义1

1.2 国内外发展状况与趋势1

1.2.1 国内发展状况1

1.2.2 发展趋势1

1.3 本课题的主要设计内容2

1.4 本章小结2

第二章 控制器整体方案设计3

2.1 功能要求3

2.2 方案确定3

2.3 单片机硬件设计的基本原则3

2.4 单片机软件设计的基本原则4

2.5 本章小结4

第三章 硬件设计5

3.1 单片机最小系统模块5

3.1.1 主要芯片选型5

3.1.2 组成结构5

3.1.3 工作原理6

3.2 行程开关控制电路模块6

3.2.1 主要芯片选型7

3.2.2 组成结构7

3.2.3 工作原理7

3.3 串口电路模块8

3.3.1 主要芯片选型8

3.3.2 组成结构8

3.3.3 工作原理8

3.4 继电器控制模块9

3.4.1 主要芯片选型9

3.4.2 组成结构9

3.4.3 工作原理10

3.5 数码管显示模块10

3.5.1 主要芯片选型10

3.5.2 组成结构11

3.5.3 工作原理11

3.6 本章小结11

第四章 软件设计12

4.1 系统软件开发环境介绍12

4.1.1 KEIL C51开发系统的概述12

4.1.2 KEIL C51单片机软件开发系统的整体结构12

4.1.3 使用KEIL仿真器应注意事项12

4.1.4 KEIL特点13

4.2 控制系统的子程序13

4.2.1 键盘控制子程序13

4.2.2 数值显示子程序13

4.2.3 行程开关扫描子程序14

4.3 主程序设计15

4.4 本章小结15

第五章 摆臂控制器调试16

5.1 硬件调试16

5.2 软件调试17

5.3 本章小结17

结束语18

致谢19

参考文献20

附录21


基于单片机的摆臂控制器设计

  摘要:

  摆臂控制器应用于飞机强度实验的机翼操作,为了解决传统继电器的弊端,设计了一种基于单片机的新型摆臂控制器。

   该系统是以STC89C52RC微处理器作为控制器的核心,分别设计了行程开关控制电路、继电器驱动电路、串口通讯电路、数码管显示电路。并在Keil C51开发环境中根据系统硬件电路设计了行程开关控制程序、按键扫描程序和数值显示程序,同时根据系统操作全过程和控制关系设计了系统主程序,最终形成系统软件。

   本设计具有控制线路简单,机械摆臂动作功能完善,使用方便,设备运行故障率低,设备运行效率高,可实现使用过程的高效、节能和低成本等特点,具有良好的市场前景。


  关键词:单片机;摆臂;控制器1.3 本课题的主要设计内容

   本课题主要设计以STC89C52单片机为核心,设计摆臂控制器,使其能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。当行程开关接通后,给光电耦合器输入端输入24V电压,输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换给单片机送输出高低电平,单片机P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。单片机通过P2.1或P2.0向LN2003输出高低电平,ULN2003是一个7 路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003 输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003 输出端为高电平,继电器得电吸合,继电器吸合输出伺服输出24V电压,控制液压换向阀换向。具体内容如下所示:

   1、分析摆臂控制器的功能;

   2、设计出摆臂控制器电路原理图,主要包括单片机最小系统、串口电路模块、显示电路模块、按键输入模块、行程开关控制模块以及继电器控制模块。并用proteus进行仿真;

   3、在面包板上调试电路,确定硬件电路;

   4、编写相应软件程序,进行软件的调试;

   5、进行系统软、硬件结合进行整机调试,能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。

1.4 本章小结

  本章首先介绍了所选课题的目的和意义,然后概述了摆臂控制器在国内外的研究现状以及发展趋势,从而明确了论文的主要研究内容。



内容简介:
西安文理学院本科毕业设计(论文)中期检查表题 目基于单片机的摆臂控制器设计学生姓名符志忠学 号08102080201专业名称机械设计制造及其自动化指导教师韦炜检查时间班 级08机械2班毕 业 设 计(论文) 进 展 情 况过查阅学习相关资料,现完成以下工作:1. 熟悉摆臂控制系统。对本课题要实现的目标有了深刻的认识;查阅和学习相关资料,对摆臂控制系统的控制有了深刻了解;2. 学习了电路板设计软件的基础理论知识,控制系统的硬件设计,现已设计出原理图;3. 根据原理图,焊接各模块电路;4. 学习了51单片机的基础理论知识和C语言编程,根据电路方案和分析课题需实现的相关功能制定单片机程序流程图;下一步的进展安排如下:1. 学习各电路模块的程序编制方法,完成各模块程序的编制;2. 对各模块程序进行调试,确保程序能够和硬件部分配合起来,撰写毕业论文。指 导 教 师 意 见1.该生清楚自己的工作内容和技术路线;2.能够按自身的进度要求完成相关设计;3.能够与指导教师保持正常的师生指导关系。综上所述,同意按照设计进度进行后续工作。签字: 年 月 日教研室意见签字: 年 月 日西安文理学院本科毕业设计(论文)任务书题 目基于单片机的摆臂控制器设计学生姓名符志忠学 号08102080201专业班级机械设计制造及其自动化08级2班指导教师韦 炜职 称讲师教 研 室机械毕业设计(论文)任务与要求任务:以单片机为核心,设计一种摆臂控制器,使其能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。要求:1、掌握单片机的相关理论知识; 2、设计硬件电路,绘制原理图和PCB图; 3、编写控制程序; 4、进行联机综合调试; 5、撰写毕业论文。毕业设计(论文)工作进程起止时间工作内容寒假2周寒假2012.3.2第34周2012.3.52012.3.16第5周2012.3.192012.3.23第67周2012.3.262012.4.6第89周2012.4.92012.4.20第10周2012.4.232012.4.27第11周2012.4.302012.5.4第12周2012.5.72012.5.11搜集与课题相关的资料,了解单片机的硬件结构和所设计装置的控制系统,撰写开题报告学习51单片机的基础理论知识和C语言编程,以及学习电路板设计软件的基础理论知识;控制系统的硬件设计(电路设计及绘制原理图); 控制系统的软件设计(程序流程图及编程) 实验实施阶段 撰写毕业论文论文定稿整理资料。准备答辩。开始日期 2012-1-10 完成日期 2012-05-11 教研室主任(签字) 系主任(签字) 西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计(论文)题 目 基于单片机的摆臂控制器设计 专业班级 机械设计制造及其自动化0802 学 号 08102080201 学生姓名 符志忠 指导教师 韦 炜 设计所在单位 机械电子工程系 2012年2月西安文理学院本科毕业设计(论文)开题报告题 目基于单片机的摆臂控制器设计学生姓名符志忠学 号08102080201专业名称机械设计制造及其自动化指导教师韦 炜开题时间2012-03-09班 级08级2班一、 选题目的和意义对于传统继电器控制的摆臂控制器,它存在很多缺点,如继电器在系统装置设计中线路复杂、接线繁琐、易受干扰 可靠性差、故障多、维修困难等;针对这些缺点,本课题选用单片机作为核心设计摆臂控制器。单片机具有集成度高、功耗低,抗干扰能力强,质量轻,体积小、功能强大和电路设计灵活的特点,因此能够在很大程度上弥补传统继电控制器的缺点。 以单片机为核心的摆臂控制器简化了控制线路,使机械的摆臂动作功能更完善,使用方便,维护简单,降低了设备运行的故障率,提高了设备运行的效率,可实现使用过程的高效、节能和低成本。在设计的过程中通过查阅资料,丰富知识,在实验过程中,可以把所学的知识用到实际中。因此,其研究设计具有重要意义。二、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势在摆臂控制方面,嘉德锻造公司制造出的汽车铝摆臂,它只在原材料的基础上改用铝材料制造,对于控制方法还是原先的机械控制;DDSB-2摆动电磁铁,主要用继电器来控制,应用于投币机币道控制,分选机等;平开窗用摆臂自动控制装置,通过电机驱动牵引,绳轮在上滑道内运动,并使小轴承沿滑槽内运动,使窗扇脱开窗框,窗扇自动实现拉开或关闭;电子控制摆动气阀,线圈内通电后电磁铁受驱动力,经摆臂、阀轴带动阀片作往复旋转运动,从而堵住阀口或离开阀口;三一重工集团自主研发的SYMC控制器,该产品实现了单机I/O热备用、浮地PWM电流反馈、智能功率单元等多项技术,它的优先性能有输入/输出点数、驱动带载能力、通信能力,现已广泛应用于泵车、起重机、摊铺机、小挖、正面吊等三一主机产品。以上几种控制类型有:机械控制、分立元器件控制、集成电路控制、含有微控制器的集成电路控制。随着现代科学技术的进步,机械控制、分立元器件控制、集成电路控制已不能满足现代工业和社会发展的要求。含有微控制器的集成电路控制以其优点:1、绝大多数控制逻辑可采用软件来实现,使电路简化;2、具有大容量的存储器和较强的逻辑功能,运算速度快,精度高,可以实现较复杂的控制运算;3、改变控制规律只需修改相应的软件,具有较强的灵活性和适应性;4、不会出现零点漂移问题,控制器的字长可以保证足够的控制精度;5、可设计友好的人机界面,实现多机联网工作等将被推广。其发展趋势如下:1、功能更强大: 随着信息技术的发展,芯片的处理能力不断加强,价格不断下降,控制器中的CPU逐步由16位的单片机转向32/64位的嵌入式微控制器,并且双内核控制器也将成为一种趋势;2、智能化:在控制器中,随着单片机处理能力的提高,许多复杂算法可以得到充分应用,使得在控制方面自动化程度不断提高; 3、微型化:随着集成度的不断提高,控制器上的分立元件越来越少,体积越来越小。4、网络化:随着处理器中各种网络协议模块的植入,控制器网络化的能力将不断提升。三、 主要研究内容1. 学习51单片机的基础理论知识及编程知识,以及学习电路板设计软件的基础知识2. 控制系统的硬件设计 (1)各模块的设计 (2)绘制原理图和PCB图3. 控制系统的软件设计 (1)绘出程序流程图(2)各模块的程序编程4. 搭建平台(实验实施),并对各个模块进行调试5. 撰写毕业论文指导教师意见及建议: 签字: 年 月 日教研室审核意见: 签字: 年 月 日注:此表前三项由学生填写后,交指导教师签署意见,经教研室审批后,才能开题。指导教师 韦炜 基于单片机的摆臂控制器的设计 班级 08级机械 2 班姓名 符志忠学号 08102080201 目录 1 功能要求2 控制器的整体设计方案3 摆臂控制器视频4 总结 本设计是以STC89C52单片机为核心 设计一种摆臂控制器 其能够实现计数 计时和控制电磁阀进行换向 1 功能要求 2 控制器的整体设计方案 当行程开关接通后 给光电耦合器输入端输入24V电压 输入端加电信号时发光器发出光线 受光器接受光线之后就产生光电流 从输出端流出 从而实现了 电 光 电 转换给单片机送输出高低电平 单片机P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变 单片机通过P2 1或P2 0向LN2003输出高低电平 ULN2003是一个7路反向器电路 即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平 当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平 继电器得电吸合 继电器吸合输出伺服输出24V电压 控制电磁阀换向 实现摆臂功能 控制器硬件设计 单片机最小系统 行程开关控制电路 输入端加电信号时发光器发出光线 受光器接受光线之后就产生光电流 从输出端流出 从而实现了 电 光 电 转换给单片机送输出高低电平 继电器控制电路 向LN2003输出高低电平 ULN2003是一个7路反向器电路 即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平 当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平 继电器得电吸合 继电器吸合输出伺服输出24V电压 控制电磁阀换向 实现摆臂功能 控制器软件设计 主程序流程框图 摆臂控制器仿真图 3 摆臂控制器电路板视频 4 总结 以单片机为核心的摆臂控制器简化了控制线路 使机械的摆臂动作功能更完善 使用方便 维护简单 降低了设备运行的故障率 提高了设备运行的效率 可实现使用过程的高效 节能和低成本 谢谢各位老师 西安文理学院本科毕业设计(论文)指导教师评分表学生姓名符志忠学 号08102080201专 业机械设计制造及其自动化班 级08机械(2)班毕业设计(论文)题目基于单片机的摆臂控制器设计设计(论文)起止时间2012年 01 月 10日至 2012年 05月 11日指导教师评语:建议成绩:指导教师签名: 年 月 日西安文理学院本科毕业设计(论文)评阅教师评分表学生姓名符志忠学 号08102080201专 业机械设计制造及其自动化班 级08机械(2)班毕业设计(论文)题目基于单片机的摆臂控制器设计设计(论文)起止时间2012 年01月10日至 2012 年 05 月11日评阅教师评语:建议成绩:评阅教师签名: 年 月 日目录目录第一章 绪 论11.1 选题的目的与意义11.2 国内外发展状况与趋势11.2.1 国内发展状况11.2.2 发展趋势11.3 本课题的主要设计内容21.4 本章小结2第二章 控制器整体方案设计32.1 功能要求32.2 方案确定32.3 单片机硬件设计的基本原则32.4 单片机软件设计的基本原则42.5 本章小结4第三章 硬件设计53.1 单片机最小系统模块53.1.1 主要芯片选型53.1.2 组成结构53.1.3 工作原理63.2 行程开关控制电路模块63.2.1 主要芯片选型73.2.2 组成结构73.2.3 工作原理73.3 串口电路模块83.3.1 主要芯片选型83.3.2 组成结构83.3.3 工作原理83.4 继电器控制模块93.4.1 主要芯片选型93.4.2 组成结构93.4.3 工作原理103.5 数码管显示模块103.5.1 主要芯片选型103.5.2 组成结构113.5.3 工作原理113.6 本章小结11第四章 软件设计124.1 系统软件开发环境介绍124.1.1 KEIL C51开发系统的概述124.1.2 KEIL C51单片机软件开发系统的整体结构124.1.3 使用KEIL仿真器应注意事项124.1.4 KEIL特点134.2 控制系统的子程序134.2.1 键盘控制子程序134.2.2 数值显示子程序134.2.3 行程开关扫描子程序144.3 主程序设计154.4 本章小结15第五章 摆臂控制器调试165.1 硬件调试165.2 软件调试175.3 本章小结17结束语18致谢19参考文献20附录21基于单片机的摆臂控制器设计摘要: 摆臂控制器应用于飞机强度实验的机翼操作,为了解决传统继电器的弊端,设计了一种基于单片机的新型摆臂控制器。该系统是以STC89C52RC微处理器作为控制器的核心,分别设计了行程开关控制电路、继电器驱动电路、串口通讯电路、数码管显示电路。并在Keil C51开发环境中根据系统硬件电路设计了行程开关控制程序、按键扫描程序和数值显示程序,同时根据系统操作全过程和控制关系设计了系统主程序,最终形成系统软件。本设计具有控制线路简单,机械摆臂动作功能完善,使用方便,设备运行故障率低,设备运行效率高,可实现使用过程的高效、节能和低成本等特点,具有良好的市场前景。关键词:单片机;摆臂;控制器The Swing Arm Based on Single Chip Microcomputer Controller DesignAbstract:The swing arm controller is applied to the aircraftstrengthexperiment of wings operation, in order to solvethedrawbacksoftraditional relays. This new type of controller is based on the Single-chip Microcomputer.This system is the core of the Single-chip Microcomputer STC89C52RC, consisting of the distance switch control circuit, the relay driver circuit, the serial communicationcircuit and thedigital display circuit respectively. Besides, according to the hardware system, devices the program of distance switch control, keyscannerand numericaldisplay program in the Keil C51 environment. At the same time, the main system program is devised relies on thewholeprocessofsystem and controller connections, and finally formed the software system.This device has qualities of concise control circuit, qualified functions of mechanical arm action, simple operation, low failure rate operation, and high efficiency. It will have a good market prospect for its advantages of efficient process, savingenergy andlow cost.Key words: the single-chip microcomputer; swing arm; controller西安文理学院本科毕业设计(论文)第一章 绪 论1.1 选题的目的与意义对于传统继电器控制的摆臂控制器,它存在很多缺点,如继电器在系统装置设计中线路复杂、接线繁琐、易受干扰 可靠性差、故障多、维修困难等;针对这些缺点,本课题选用单片机作为核心设计摆臂控制器。单片机具有集成度高、功耗低,抗干扰能力强,质量轻,体积小、功能强大和电路设计灵活的特点,因此能够在很大程度上弥补传统继电控制器的缺点。 以单片机为核心的摆臂控制器简化了控制线路,使机械的摆臂动作功能更完善,使用方便,维护简单,降低了设备运行的故障率,提高了设备运行的效率,可实现使用过程的高效、节能和低成本。在设计的过程中通过查阅资料,丰富知识,在实验过程中,可以把所学的知识用到实际中。因此,其研究设计具有重要意义。1.2 国内外发展状况与趋势1.2.1 国内发展状况在摆臂控制方面,嘉德锻造公司制造出的汽车铝摆臂,它只在原材料的基础上改用铝材料制造,对于控制方法还是原先的机械控制;DDSB-2摆动电磁铁,主要用继电器来控制,应用于投币机币道控制,分选机等;平开窗用摆臂自动控制装置,通过电机驱动牵引,绳轮在上滑道内运动,并使小轴承沿滑槽内运动,使窗扇脱开窗框,窗扇自动实现拉开或关闭;电子控制摆动气阀,线圈内通电后电磁铁受驱动力,经摆臂、阀轴带动阀片作往复旋转运动,从而堵住阀口或离开阀口;三一重工集团自主研发的SYMC控制器,该产品实现了单机I/O热备用、浮地PWM电流反馈、智能功率单元等多项技术,它的优先性能有输入/输出点数、驱动带载能力、通信能力,现已广泛应用于泵车、起重机、摊铺机、小挖、正面吊等三一主机产品。以上几种控制类型有:机械控制、分立元器件控制、集成电路控制、含有微控制器的集成电路控制。1.2.2 发展趋势随着现代科学技术的进步,机械控制、分立元器件控制、集成电路控制已不能满足现代工业和社会发展的要求。含有微控制器的集成电路控制以其优点:1、绝大多数控制逻辑可采用软件来实现,使电路简化;2、具有大容量的存储器和较强的逻辑功能,运算速度快,精度高,可以实现较复杂的控制运算;3、改变控制规律只需修改相应的软件,具有较强的灵活性和适应性;4、不会出现零点漂移问题,控制器的字长可以保证足够的控制精度;5、可设计友好的人机界面,实现多机联网工作等将被推广。其发展趋势如下:1、功能更强大: 随着信息技术的发展,芯片的处理能力不断加强,价格不断下降,控制器中的CPU逐步由16位的单片机转向32/64位的嵌入式微控制器,并且双内核控制器也将成为一种趋势;2、智能化:在控制器中,随着单片机处理能力的提高,许多复杂算法可以得到充分应用,使得在控制方面自动化程度不断提高; 3、微型化:随着集成度的不断提高,控制器上的分立元件越来越少,体积越来越小。4、网络化:随着处理器中各种网络协议模块的植入,控制器网络化的能力将不断提升。 1.3 本课题的主要设计内容本课题主要设计以STC89C52单片机为核心,设计摆臂控制器,使其能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。当行程开关接通后,给光电耦合器输入端输入24V电压,输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换给单片机送输出高低电平,单片机P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。单片机通过P2.1或P2.0向LN2003输出高低电平,ULN2003是一个7 路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003 输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003 输出端为高电平,继电器得电吸合,继电器吸合输出伺服输出24V电压,控制液压换向阀换向。具体内容如下所示: 1、分析摆臂控制器的功能;2、设计出摆臂控制器电路原理图,主要包括单片机最小系统、串口电路模块、显示电路模块、按键输入模块、行程开关控制模块以及继电器控制模块。并用proteus进行仿真; 3、在面包板上调试电路,确定硬件电路; 4、编写相应软件程序,进行软件的调试; 5、进行系统软、硬件结合进行整机调试,能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。1.4 本章小结本章首先介绍了所选课题的目的和意义,然后概述了摆臂控制器在国内外的研究现状以及发展趋势,从而明确了论文的主要研究内容。第二章 控制器整体方案设计对于传统继电器控制的摆臂控制器,它存在很多缺点,如继电器在系统装置设计中线路复杂、接线繁琐、易受干扰 可靠性差、故障多、维修困难等;针对这些缺点,本设计选用单片机作为核心设计摆臂控制器。单片机具有集成度高、功耗低,抗干扰能力强,质量轻,体积小、功能强大和电路设计灵活的特点,因此能够在很大程度上弥补传统继电控制器的缺点。2.1 功能要求以单片机为核心,设计一种摆臂控制器,使其能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。2.2 方案确定本设计是以单片机STC89C52为核心设计摆臂控制器使其能够实现计数、计时。当行程开关接通后,给光电耦合器输入端输入24V电压,输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换给单片机送输出高低电平,单片机P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。单片机通过P2.1或P2.0向LN2003输出高低电平,ULN2003是一个7 路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003 输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003 输出端为高电平,继电器得电吸合,继电器吸合输出伺服输出24V电压,控制液压换向阀换向。整体方案框图如图2.1所示。图2.1 硬件结构框图2.3 单片机硬件设计的基本原则一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容:一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等,不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置应遵循以下原则: 1、尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。为硬件系统标准化、模块化打下良好的基础; 2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求。但要注意在满足性能指标的前提下,尽可能地降低价格,以便得到高的性能价格比,这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。因为系统在设计完成后,主要的成本便集中在硬件方面,当然也成为产品争取市场关键因素之一;3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实殃,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间;4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品;5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。完善的抗干扰措施,是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施,对电磁干扰的屏蔽,正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等;6、单片机外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载;7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。2.4 单片机软件设计的基本原则1、结构合理。程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充或完善,而且也有利于程序的后期修改和维护;2、操作性能好,使用方便,具备良好的人机界面;3、具有一定的保护措施和容错功能。系统应设计一定的检测程序,例如状态检测和诊断程序,以便系统发生故障时,便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储,以防止因掉电而丢失数据;4、提高程序的执行速度,尽量减小占用系统的内存;5、给出必要的程序说明,便于后期程序维护。2.5 本章小结本章对设计方案进行了选择跟论证,并确定最终方案。并介绍了单片机硬件系统设计时需要注意的七个原则,以及软件编程时影响较大的五大准则,然后分析了系统所要实现的功能,进而设计出系统的整体方案。第三章 硬件设计本章采用模块化设计的思想对系统硬件进行细化,详细介绍了系统硬件各个模块的工作原理、以及与单片机的接口电路。本次系统硬件部分主要包括单片机最小系统模块、行程开关控制电路模块、串口电路模块、继电器控制电路模块及数值显示电路模块。3.1 单片机最小系统模块本模块所涉及到的单片机的最小系统主要包括电源,时钟电路和复位电路。下面分别对这几部分的参数进行设计。电路图如图3.1所示。图3.1 单片机最小系统3.1.1 主要芯片选型1.单片机选取单片机选用STC89C52,STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。并具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,STC89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。3.1.2 组成结构单片机最小系统主要由单片机、电源、时钟电路、复位电路组成。1.单片机引脚功能简介本次设计采用STC89C52单片机为核心处理器,总线型DIP40引脚封装。40个引脚大致可分为4类:电源引脚、时钟引脚、控制引脚和I/O引脚。1) 电源引脚(1) VCC - 芯片电源,接+5V。(2) VSS - 接地端;2) 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端;3) 控制线:控制线共有4根;(1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲;ALE功能:用来锁存P0口送出的低8位地址; PROG功能:片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲;(2) PSEN:外部ROM读选通信号;(3) RST/VPD:复位/备用电源; RST(Reset)功能:复位信号输入端; VPD功能:在Vcc掉电情况下,接备用电源;(4)EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源; EA功能:内外ROM选择端; Vpp功能:片内EPROM编程期间,施加编程电源Vpp;4) I/O线。 2.晶振电路STC89C52单片机的时钟信号通常有两种产生方式:一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式,外接晶振提供时钟频率,用晶振作为时钟源,接在引脚XTAL1和XTAL2两端,配合单片机内部的振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,其发出的脉冲直接送入内部时钟电路。晶振两端的电容一般选择为30PF,这个电容起稳定频率和快速起振的作用,晶振的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。根据单片机常用最小系统典型电路,其时钟电路的参数:晶振选择为12MHz,滤波电容选择为30PF。3.复位电路STC89C52单片机复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平,单片机就执行复位操作,如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求,电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,按键操作也能使单片机复位。上电后,由于电容的充电的作用,使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时,按下复位键K后松开,也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态,复位后的状态如下: PC=0000H(程序从0000H地址单元开始执行)RAM:随机值(运行中复位操作不改变RAM内容)P0P3=FFHSP=07H(堆栈指针指向片内RAM的07H单元)IP、IE和PCON:有效位为0PSW=00H3.1.3 工作原理 是摆臂控制器的核心部分,控制各模块的正常工作。3.2 行程开关控制电路模块当行程开关按下时,给光电耦合器输入24V电压。输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换给单片机送输出高低电平。电路图如图3.2所示。图3.2 行程开关控制电路3.2.1 主要芯片选型1.光电耦合器的选取光电耦合器选用P521光电耦合器。光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换。普通光耦合器只能传输数字(开关)信号,不适合传输模拟信号。2.行程开关的选取行程开关,位置开关(又称限位开关)的一种,是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路,达到一定的控制目的。通常,这类开关被用来限制机械运动的位置或行程,使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等.在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。3.2.2 组成结构行程开关控制电路模块主要由直动式行程开关及光电耦合器组成。3.2.3 工作原理1.直动式行程开关工作原理行程开关又称限位开关,用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。所不同的是:一个是手动,另一个则由运动部件的撞块碰撞。当外界运动部件上的撞块碰压按钮使其触头动作,当运动部件离开后,在弹簧作用下,其触头自动复位。 2.光电耦合器的工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端引出,这样就可以实现电一光一电的转换。3.3 串口电路模块本系统中单片机的串口主要用于程序下载(ISP)。串口通讯电路如图3.3所示图3.3 串口电路3.3.1 主要芯片选型电路中的主要器件是MAX232,它是MAXIM公司生产的+5V电源供电多通道RS-232驱动器/接收器,可以实现符合EIA/TIA-232-E规范的电平与TTL/CMOS电平的转换。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-E电平。该器件符合TIA/EIA-232-E标准,每一个接收器将TIA/EIA-232-E电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。主要特点有:LinBiCMOSTM工艺技术、30V输入电平、低电源电流(典型值是8 )。MAX232中9脚、10脚、11脚和12脚是TTL电平端,可以用来连接单片机的TXD/RXD端。7脚、8脚、13脚和14脚是RS232电平端,可以用来连接PC机的串口。本系统只用了一组TTL电平/RS232电平转换端口,通过如图2.11所示的连接,PC机就可以和系统单片机进行通讯。MAX232的优点是:(1)一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能;(2)单一电源+5V供电;(3)它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。3.3.2 组成结构串口电路模块主要由MAX232芯片及九针串口组成。3.3.3 工作原理 MAX232 是电荷泵芯片,可以完成两路TTL/RS-232 电平的转换,它的的9、10、11、12 引脚是TTL电平端,用来连接单片机。MAX232 获得正负电源的另一种方法在单片机控制系统中,我们时常要用到数/模(D/A)或者模/数(A/D)变换以及其它的模拟接口电路,这里面要经常用到正负电源,例如:9V,-9V; 12V,-12V。 这些电源仅仅作为数字和模拟控制转换接口部件的小功率电源。在控制板上,我们有的只是5V 电源。 MAX232 是TTL-RS232 电平转换的典型芯片,按照芯片的推荐电路,取振荡电容为1uF 的时候,若输入为5V,输出可以达到-14 V 左右,输入为0V ,输出可以达到14V, 在扇出电流为20mA 的时候,处处电压可以稳定在12V 和-12V。因此,在功耗不是很大的情况下,可以将MAX232 的输出信号经稳压块后作电源使用。3.4 继电器控制模块3.4.1 主要芯片选型由于继电器功率大、高电平会对单片机产生较严重的干扰,不能将单片机产生的控制信号直接连在继电器上,必须要进行强弱电隔离,因此,在设计此模块时,就要考虑该如何驱动继电器。在实际运用中,对于强弱电隔离一般采用电子开关方法或光电隔离的方法。由于继电器工作需要较大的功率,驱动其工作可以选用专用的继电器驱动模块,如L298。除此之外,还可利用三极管自己搭建驱动电路,不过这样会很麻烦,可靠性也会降低。还有一种方法就是使用达林驱动器ULN2003A。它是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,使用于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003的引脚及封装如图3.4所示 图3.4 ULN2003引脚及封装图 功能介绍:17脚CPU脉冲输入端,端口对应一个信号输出端,8脚接地, 9脚接电源Vcc,1016脚脉冲信号输出3.4.2 组成结构继电器控制模块主要由芯片ULN2003A跟两个继电器组成。电路图如图3.5所示。 图3.5继电器控制电路3.4.3 工作原理LN2003 也是一个7 路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003 输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003 输出端为高电平,继电器得电吸合。3.5 数码管显示模块3.5.1 主要芯片选型1.数码管简介LED显示器由若干个发光二极管组成,当发光二极管导通时,相应的一个笔画或一个点就发光。控制相应的管导通,就能显示出对应字符。各段LED显示器需要由驱动电路驱动。在七段LED显示器中,通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端。将各段发光二极管连在一起的叫共阳极显示器,用低电平驱动;将阴极连在一起的叫共阴极显示器,用高电平驱动。静态显示就是每一个显示器各笔画段都要独占具有一个锁存功能的输出口线,CPU把要显示的字形代码送到输出口上,就可以使显示器上显示所需的数字或符号,此后,即使CPU不在去访问它,因为各笔画段借口具有锁存功能,显示的内容也不会消失。动态显示是指显示器显示某一字符时,相应段的发光二极管恒定地导通或截止。静态显示有并行输出和串行输出两种方式。在本系统中数码管使用共阴极接法而且是用动态显示。2.译码器74HC13874HC138译码器是通过3条线来达到控制8条线的状态,就是通过3条控制线A0、A1、A2不同的高低电平组合来控制Y0Y7的输出状态,其中4和5为使能地端,与8引脚共同接地,当接高电平时Y0到Y7输出高电平。6号脚为使能端,为高电平时有效。74LS138封装如图3.6。图3.6 74LS138封装图3.译码器74LS487段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器,工作电压:5V。引脚图如图3.7所示。 图3.7 74LS48 引脚功能图3.5.2 组成结构数码管显示模块主要由两个四位共阴极数码管、74LS48译码器及74LS138译码器组成。主要功能是显示摆臂控制器的摆臂次数跟摆臂的时间。模块仿真图如图3.8所示。图3.8 数码管显示模块电路图3.5.3 工作原理显示摆臂控制器的次数跟摆臂所用的时间,次数跟时间的显示可以通过按键来切换显示。3.6 本章小结 本章主要介绍了摆臂控制器各个模块的硬件设计及各模块的主要芯片选型、组成结构跟工作原理。第四章 软件设计软件的设计是设计控制系统的应用程序。其任务是在整体设计和硬件设计的基础上,确定程序结构,分配内RAM资源,划分功能模块,然后进行主程序和各模块程序的设计,最后连接起来成为一个完整应用程序,与硬件相结合完成相应功能。4.1 系统软件开发环境介绍随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展。Keil是目前最流行的51单片机开发软件。Keil提供了一个集成开发环境uVision,它包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器。这样在开发应用软件的过程中,编辑、编译、连接、调试等各阶段都集成在一个环境中,先用编辑器编写程序,接着调用编译器进行编译,连接后即可直接运行。这样避免了以往先用编辑器进行编辑,然后退出编辑状态进行编译,调试后又要调用编辑器的重复过程。因此,可以缩短开发周期。粉尘收集装置控制系统的软件部分是根据各电路模块的控制关系,利用51单片机软件开发工具Keil C51,对系统功能进行了开发。整体采用模块化结构,将系统功能模块化,依据硬件电路对各模块功能进行编程实现,经过对各模块进行单独测试后,整合各模块程序,对系统总程序进行测试,最终形成系统软件。4.1.1 KEIL C51开发系统的概述Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.1.2 KEIL C51单片机软件开发系统的整体结构C51工具包的整体结构,uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。本控制系统的软件部分是通过Keil C51的工具包uVision进行编辑、编译和仿真调试的,最终生成Hex文件,通过单片机串口下载进单片机。4.1.3 使用KEIL仿真器应注意事项 1) 仿真器标配11.0592MHz的晶振,但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振;2) 仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片,不复位目标系统;3) 仿真芯片的31脚(/EA)已接至高电平,所以仿真时只能使用片内ROM,不能使用片外ROM;但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连,故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM(其CPU的/EA引脚接至低电平)的目标系统中使用。4.1.4 KEIL特点Keil C51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。4.2 控制系统的子程序4.2.1 键盘控制子程序键盘控制子程序流程图如图4.1所示。程序说明:51单片机上电后,所有I/O口默认为高电平,故应先初始化。保证系统稳定后,再判断切换显示按键是否按下。如果按下,延时10ms,目的是防止按键抖动。随后二次检测按键是否按下,确定按下后,显示变量数值取反。随后再检测清零按键是否按下,如果按下,延时10ms消抖。随后二次检测按键是否按下,确定按下后,计数变量清零。如图4.1 键盘控制子程序流程图4.2.2 数值显示子程序数值显示子程序程序流程图如图4.2所示。程序说明:判断显示变量的数值为1或是0。为1时显示次数,为0时显示时间。如图4.2 数值显示子程序程序流程图时间显示函数如图4.3所示;次数显示函数如图4.4所示。 图4.3 时间显示函数 图4.4 次数显示函数4.2.3 行程开关扫描子程序行程开关扫描子程序流程图如图4.5所示。图4.5 行程开关扫描子程序流程图4.3 主程序设计系统软件主程序不仅体现了系统的操作全过程,而且反应出各模块之间的关系。它是各程序模块的总成。其主程序流程图如图4.6所示。程序说明:系统上电之后,单片机首先要进行初始化。其次调用按键控制、数值显示和行程开关扫描的子程序。图4.6 主程序流程图4.4 本章小结 本章从系统软件的开发环境到包含的各个模块,详细介绍了该控制装置的软件构成。对各主要模块程序的编写过程和模块程序之间的调用关系通过程序流程图和文字说明的方式做了全面论述。第五章 摆臂控制器调试基于单片机的摆臂控制器经过总体设计,完成了硬件和软件设计开发。通过软件和硬件相结合系统即可运行。但编制好的程序或焊接好的线路不能按预计的那样正常工作是常见的事,经常会出现一些硬件、软件上的错误,这是软件和硬件开发者经常遇见的,这就需要通过调试来发现错误并加以改正。调试可分为硬件调试和软件调试。本设计已经在Proteus上进行了仿真,最后进行实物图的硬件组装与调试,这样就给开发者在提供了方便。5.1 硬件调试焊接电路板如图5.1所示基于单片机的摆臂控制器的硬件调试和软件调试是分不开的,许多硬件故障在软件调试时才能发现,但通常要先排除系统中明显的硬件故障。调试工作可以分为四步:线路检查:根据硬件逻辑设计图,仔细检查样机线路是否连接正确,并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求,必要时可用万用表检测线路通断情况。电源调试:样机的第一次通电测试很重要,若样机中存在电源故障,则加电后将造成器件损坏。调试的方法有两种:一种是断开样机稳压电源的输出端,检查空载时电源工作情况;另一种是拔下样机上的主要集成芯片,检查电源的负载能力(用假负载)。确保电源无故障并性能符合设计要求。通电检查:在确保电源良好前提下,接通电源。最好在电源与其余电路之间串接一个电流表。若接通后电流很大,必须立即切断电源。电源大得超出正常范围,说明电路中有短路或故障。通电检查的主要目的是看系统是否存在短路或由元器件损坏、装配错误引起的电流异常。 如图5.1 焊接电路板检查芯片的逻辑关系是否出错:加电后检查各芯片插座上相关引脚的电位,仔细测量相应的输入输出电平是否正常。单片机系统大都是数字逻辑电路,使用电平检查法可首先查出逻辑设计是否正确,选用器件和连接关系是否符合要求等。5.2 软件调试在开发摆臂控制器软件的过程中,先在Keil软件中进行编辑、编译、连接、调试。调试没有错误之后在Proteus软件进行仿真,仿真图如图5.2所示。 目标程序纠错:该阶段工作通常在目标程序编辑时就完成。一般来说,仿真软件能为用户输入的程序指令纠错,包括书写格式、标号未定义或多重定义、转移地址溢出等错误。整体程序调试:即把各子程序整体连起来进入到综合电路调试,看是否能实现预计的功能显示。在这阶段若发生故障,可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场,数据缓冲单元是否发生冲突,标志位的建立和清除在设计上是否失误,堆栈是否溢出,输入输出状态是否正常等。仿真功能实现之后,焊出电路,进行实验,电路板实物图如图5.3所示。 图5.2 控制器仿真图图5.3 控制器实物图5.3 本章小结本章主要讲的是硬件调试跟软件调试,并讲述在调试中碰到的问题及解决问题的过程。结束语 在控制器的设计制作过程中,经过努力,虽然在设计与制作过程中出现了各种各样的问题和情况,但是我都能够冷静地进行硬件和软件检测,并针对性地进行纠正,在进行了全面检测及反复调试之后,该控制器已经完全实现了所有功能,并达到了预期的所有指标。本课题主要设计以AT89C52单片机为核心,设计摆臂控制器,使其能够实现计数、计时和控制液压换向阀工作的基本功能。当行程开关接通后,给光电耦合器输入端输入24V电压,输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换给单片机送输出高低电平,单片机P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。单片机通过P2.1或P2.0向LN2003输出高低电平,ULN2003是一个7 路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003 输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003 输出端为高电平,继电器得电吸合,继电器吸合输出伺服输出24V电压,控制液压换向阀换向,实现摆臂功能。并通过数码管显示摆臂的次数及摆臂所用的时间。摆臂的次数跟时间可以通过按键来进行切换跟清零。通过这次毕业设计,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,在此过程中,通过查找大量资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考、 动手制作的能力,在其它能力上也都有了提高。更重要的是,在毕业设计的过程中,我们学会了很多学习的方法。而这是以后最实用的,真的是受益匪浅。要面 对社会的挑战,只有不断的学习、实践,再学习、再实践。同时在与老师和同学的交流过程中,互动学习,将知识融会贯通,提高自己与人交流的能力,提高自己的团队意思。但由于本人理论水平有限本论文还存在着许多不足之处,因此在设计中可能存在一些问题,需要进一步的改进。致谢感谢学院给我们提供了一个展现自己的舞台,给我们一次难得煅炼的机会,使得我们的动手能力和专业技能都有了很大的提高,对本专业的东西有了更进一步的了解。本课题的设计思路以及论文撰写一直都是在韦炜老师的细心指导下进行的,在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中,韦老师倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的排版、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了韦老师悉心细致的教诲和无私的帮助,特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议,在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后,向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢! 参考文献1 严洁.单片机原理及其接口技术.机械工业出版社,2010,65-1052 范红刚.51单片机自学笔记.北京航空航天大学出版社,20093 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社,2009,46-48,104-1104 杨居义,杨晓琴,王益斌等.单片机课程设计指导.清华大学出版社,2009,135-1415 刘刚,秦永左,朱杰斌.单片机原理及应用.北京大学出版社,2006,76-98,134-1556 元增民,张文希.单片机原理与应用基础.国防科技大学出版社,2006,205-2667李全利单片机原理及接口技术高等教育出版社,2009.1:35.8陈海宴51单片机原理及应用M北京航空航天大学出版社,2010.9刘守义等单片机技术基础M西安电子科技大学出版社,2007.10藩新民/王燕芳微型计算机控制技术北京大学出版社,2005.3:52.11杨将新单片机程序设计及应用北京:电子工业出版社,2006.3.12彭为,黄科,雷道仲单片机典型系统设计实例精讲M北京:电子工业 出版社,2006.513李广弟等单片机基础M北京航空航天出版社,2001.14 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Design of High Performances Digital Tachometers and Tachometric Systems Based on the Method of the Depended Count, In
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