汽車電控技術(shù)課程設(shè)計(jì)---汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p><b>  課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書</b></p><p>  課 程 名 稱: 汽車電控技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>  課 程 代 碼: </p><p>  題 目: 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器 <

2、/p><p>  學(xué)院(直屬系) : 交通與汽車工程學(xué)院 </p><p>  年級(jí)/專業(yè)/班: 車輛工程汽電班 </p><p>  學(xué) 生 姓 名: </p><p>  學(xué) 號(hào):

3、 </p><p>  指 導(dǎo) 教 師: </p><p>  開(kāi) 題 時(shí) 間: 20年 12 月 3 日</p><p>  完 成 時(shí) 間: 20 年 12 月 14日</p><p><b>  目 錄</b></p><p>

4、  摘要 ………………………………………………………………………………………… 2 </p><p>  1引言………………………………………………………………………………………… 3 </p><p>  1.1汽車懸架系統(tǒng)的功能作用………………………………………………………… 3</p><p>  1.2汽車懸架系統(tǒng)的組

5、成……………………………………………………………… 3</p><p>  1.3 汽車懸架系統(tǒng)的分類……………………………………………………………… 3</p><p>  1.4本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容…………………………………………………………… 3</p><p>  2 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器總體方案設(shè)計(jì)………………………………………………… 5</p&

6、gt;<p>  2.1汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的基本工作原理……………………………………… 5</p><p>  2.2汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的結(jié)構(gòu)………………………………………………… 5</p><p>  2.3汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器設(shè)計(jì)方案論證………………………………………… 5</p><p>  2.4 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器設(shè)計(jì)總

7、流程圖………………………………………… 6</p><p>  3 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程……………………………………………… 7</p><p>  3.1控制器主要芯片的選擇………………………………………………………………7</p><p>  3.2懸架控制系統(tǒng)整體硬件電路設(shè)計(jì)………………………………………………… 8</p>

8、<p>  4 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程………………………………………… 10</p><p>  4.1 ADC0809芯片起始地址的確定…………………………………………………… 11</p><p>  4.2采樣周期T的確定……………………………………………………………………11</p><p>  4.3車身垂直加速度與振幅位移的

9、變換思想………………………………………… 11</p><p>  4.4數(shù)字PID控制算法……………………………………………………………………12</p><p>  4.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法及編碼………………………………………………………… 12</p><p>  4.6繪制系統(tǒng)程序流程圖……………………………………………………………… 13</p>

10、<p>  4.7軟件程序調(diào)試……………………………………………………………………… 16</p><p>  結(jié)論…………………………………………………………………………………………… 17</p><p>  致謝…………………………………………………………………………………………… 18</p><p>  參考文獻(xiàn)………………………………………

11、……………………………………………… 19</p><p>  附錄: ………………………………………………………………………………………… 20</p><p><b>  摘 要</b></p><p>  隨著社會(huì)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步,人們對(duì)汽車的需求量越來(lái)越大,并且對(duì)汽車各方面的性能要求越來(lái)越高,不僅要滿足其基本的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,更重要的

12、是汽車的舒適性變得愈來(lái)愈重要。本次設(shè)計(jì)通過(guò)控制汽車懸架系統(tǒng)的振幅大小來(lái)改善汽車的乘坐舒適性。這次設(shè)計(jì)的核心采用AT89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理芯片,以壓電式加速度傳感器及ADC數(shù)據(jù)采集為測(cè)試手段,通過(guò)運(yùn)用數(shù)字PID控制算法,采用三相步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu),用以調(diào)節(jié)汽車減振器的阻尼大小,從而改善汽車的振動(dòng)情況以滿足舒適性要求。</p><p>  關(guān)鍵詞:?jiǎn)纹瑱C(jī)、ADC0809,壓電式傳感器、步進(jìn)電機(jī)</

13、p><p><b>  1 引 言</b></p><p>  1.1汽車懸架系統(tǒng)的功能作用. </p><p>  現(xiàn)代汽車除了保證其基本性能,即行駛性、轉(zhuǎn)向性和制動(dòng)性等之外,目前正致力于提高安全性與舒適性,對(duì)此,尤其作為提高操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性的轎車懸架必須進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。舒適性是汽車最重要的使用性能之一,是汽車上的重要總成之一,懸架的主要

14、作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩,并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動(dòng)、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動(dòng)載荷。懸架與汽車的多種使用性能有關(guān),為滿足這些性能,懸架系統(tǒng)必須能滿足這些性能的要求:</p><p>  首先,懸架系統(tǒng)要保證汽車有良好的行駛平順性。</p><p>  其次,懸架要保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅小,振動(dòng)衰減快。</p>

15、;<p>  再次,要能保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性。</p><p>  1.2汽車懸架系統(tǒng)的組成</p><p>  汽車懸架包括彈性元件,減振器和傳力裝置等三部分,這三部分分別起緩沖,減振和力的傳遞作用。彈性元件用力傳遞垂向力,并緩和由路面不平度引起的沖擊和振動(dòng),它只承受垂直載荷,緩和及抑制不平路面對(duì)車體的沖擊,具有占用空間小,質(zhì)量小,無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn),但由于本身沒(méi)有摩擦而

16、沒(méi)有減振作用。減振器指液力減振器,是為了加速衰減車身的振動(dòng),它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。傳力裝置是指車架的上下擺臂等*形剛架、轉(zhuǎn)向節(jié)等元件,用來(lái)傳遞縱向力,側(cè)向力及力矩,并保證車輪相對(duì)于車架(或車身)有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。</p><p>  1.3 汽車懸架系統(tǒng)的分類</p><p>  因?yàn)槔硐氲膽壹軕?yīng)在不同的使用條件下具有不同的彈簧風(fēng)度和減振器阻尼,這樣既能滿足行駛平順性要求

17、又能滿足操縱穩(wěn)定性要求。汽車電控半主動(dòng)懸架根據(jù)可控阻尼減振器可以分為兩種:</p><p> ?。?)機(jī)械式可變阻尼減振器:傳統(tǒng)的可變阻尼減振器懸架系統(tǒng)是用機(jī)械式的可控閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的,它是通過(guò)電子控制器控制減振器中的電磁閥來(lái)調(diào)節(jié)阻尼</p><p> ?。?)磁流體可控阻尼減振器:這種可控阻尼減振器是通過(guò)控制阻尼介質(zhì)中的磁場(chǎng)達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼介質(zhì)的流體特性,從而達(dá)到控制阻尼的目的。</p>

18、;<p>  1.4本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>  電子控制懸架系統(tǒng)能根據(jù)不同的路面狀況、載重量、車速等控制懸架系統(tǒng)的剛度和減振器的阻尼,也可以調(diào)節(jié)車身高度以提高車輛的通過(guò)性。本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是利用單片機(jī)控制汽車懸架系統(tǒng)振幅在一定的范圍之內(nèi),此懸架系統(tǒng)振幅控制器應(yīng)該具備以下功能:</p><p>  (1)能根據(jù)汽車的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)汽車的振幅。</p>

19、<p>  (2)要求該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便。</p><p>  (3)當(dāng)檢測(cè)到振幅超過(guò)15mm時(shí),在控制器面板上給予報(bào)警顯示。</p><p>  本次課程設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)為半主動(dòng)懸架,以AT89C51單片機(jī)為微處理器,壓電式加速度傳感器用以檢測(cè)車身的振幅大小,并將其轉(zhuǎn)化為電壓值,由于此信號(hào)比較微弱,故在其后端增加一運(yùn)放處理電路,然后通過(guò)ADC0809采集運(yùn)放所輸出的信號(hào)

20、數(shù)據(jù),運(yùn)用精確控制的數(shù)字PID算法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)減振器的阻尼器以控制汽車的車身剛度大小,以滿足乘坐舒適性要求。</p><p>  2 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器總體方案設(shè)計(jì)

21、 </p><p>  2.1 汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的基本工作原理</p><p>  電子控制半主動(dòng)懸架系統(tǒng)由傳感器與開(kāi)關(guān)、控制單元、執(zhí)行元件等電子器件組成。傳感器和開(kāi)關(guān)將路面輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給控制單元ECU,控制單元ECU將傳感器輸入的電信號(hào)進(jìn)行分析處理后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行元件,執(zhí)行元件的機(jī)械動(dòng)作改變減振器的阻尼。工作原理如圖1。&l

22、t;/p><p>  主動(dòng)懸架系統(tǒng)的基本工作原理是:傳感器將采集的反映懸架振動(dòng)幅度的信號(hào)傳給控制器,控制器控制主動(dòng)懸架的力發(fā)生器,產(chǎn)生控制力控制車身的振動(dòng),從而大大提高了車輛的平順性等性能。</p><p>  半主動(dòng)懸架系統(tǒng)基本工作原理是:用可調(diào)彈簧或可調(diào)阻尼元件組成懸架,并根據(jù)懸架的振動(dòng)響應(yīng)等反饋信號(hào),按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)車輛懸架系統(tǒng)的剛度或阻尼狀態(tài),提高車輛的行駛平順性和安全性。<

23、;/p><p>  2.2汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的結(jié)構(gòu)</p><p>  在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)分析和考慮控制器的性能和要求,因此,在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)的時(shí)候,為了達(dá)到控制懸架系統(tǒng)振幅的目的,采取如圖2的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖: </p><p>  汽車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于受到路面的沖擊,即給車身一個(gè)輸入信號(hào),通過(guò)車身壓電式垂直加速度傳感器獲取車身振動(dòng)信號(hào),通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)采集

24、和處理,使其離散化,此離散信號(hào)最終被送至ECU微處理器,經(jīng)過(guò)數(shù)字PID的調(diào)節(jié)作用,使其輸出控制信號(hào)以控制步進(jìn)電機(jī),由此控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小,從而控制阻尼孔開(kāi)口的大小,最終控制車身振幅使其在一定的范圍之內(nèi)。</p><p>  在比例環(huán)節(jié)中其輸出隨著偏差的增大而增大,并且比系數(shù)Kp越大,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng),極易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。并且比例環(huán)節(jié)存在靜差,無(wú)法消除;在積分環(huán)節(jié)中,積分調(diào)節(jié)的作用在于偏差存在的情況下

25、,當(dāng)偏差消失后,積分調(diào)節(jié)不起作用,從而使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定,即積分環(huán)節(jié)可以消除靜差。另外,積分調(diào)節(jié)作用的快慢與積分時(shí)間常數(shù)Ti有關(guān),積分時(shí)間常數(shù)越大,其調(diào)節(jié)作用起慢,積分時(shí)間常數(shù)越小,其調(diào)節(jié)作用越明顯;在微分環(huán)節(jié)中,其調(diào)節(jié)作用僅在于偏差出現(xiàn)的那一時(shí)刻,其后無(wú)論偏差有多大,微分調(diào)節(jié)便不起任何作用。其最大的特點(diǎn)就是調(diào)節(jié)速度快,能夠快速調(diào)節(jié)系統(tǒng),減少系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間。</p><p>  因此當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí),只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定好比

26、例調(diào)節(jié)系統(tǒng)Kp,積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td后,當(dāng)系統(tǒng)由于慣性作用或一些干擾信號(hào)的作用使系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí),開(kāi)始通過(guò)比例和微分調(diào)節(jié),系統(tǒng)便能夠迅速的作出響應(yīng),即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,最后通過(guò)積分的作用消除靜差,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。 </p><p>  圖2懸架控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>  2.3汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器設(shè)計(jì)方案論證</p><p> ?。?)方案

27、一:本方案采用單片機(jī)8031為微處理器,壓電式加速度傳感器,A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用12位的逐次逼近型AD574,執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電壓型輸出控制的直流電機(jī),單片機(jī)輸出的控制信號(hào)的處理采用DAC0809處理芯片。</p><p> ?。?)方案二:本方案采用ATMEL公司的51系列單片AT89C51,壓電式加速度傳感器,采用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換采用8位的逐次逼近型的ADC0809,執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用脈沖控制的三相步進(jìn)電機(jī)。</

28、p><p>  通過(guò)比較分析,本設(shè)計(jì)采取方案二,從處理器角度看,AT89C51功能更加完善,亦不需要存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,使用方便;從控制系統(tǒng)的要求來(lái)看,本次設(shè)計(jì)采用8位的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器即可符合要求,如采用12位的A/D,價(jià)格會(huì)比較昂貴,會(huì)增加控制器的開(kāi)發(fā)成本;從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度來(lái)看,步進(jìn)電機(jī)控制方便,精確度高,單片機(jī)輸出的控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路便可驅(qū)動(dòng)電機(jī),若采用直流電機(jī)還需要增設(shè)D/A芯片及其接口電路,減少了不必要的麻煩。

29、</p><p>  2.4汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器設(shè)計(jì)總流程圖 </p><p>  此系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖3所示,在充分明確設(shè)計(jì)的功能和要求下,細(xì)化設(shè)計(jì)的工作任務(wù),其包含硬件部分和軟件部分。</p><p> ?。?)在系統(tǒng)硬件部分中,通過(guò)分析,確定控制器所要求的各類芯片,包括單片機(jī)的型號(hào),A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī))的選取等,細(xì)化各

30、部件的設(shè)計(jì)過(guò)程,然后繪制電路草圖,確認(rèn)無(wú)誤后便可用計(jì)算機(jī)軟件protel繪制電路原理圖,最后通過(guò)電氣規(guī)則檢查來(lái)判斷電路設(shè)計(jì)的正確情況。</p><p>  (2)在系統(tǒng)軟件部分中,根據(jù)硬件電路部分明確軟件的主體設(shè)計(jì)思想,以程序流程圖的形式表達(dá)。以流程圖為設(shè)計(jì)思路,用相關(guān)編程軟件進(jìn)行 圖3懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖</p><p>  程序的設(shè)計(jì)(如Keil),通過(guò)反復(fù)的調(diào)

31、試程序直至其正確。</p><p>  3汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程</p><p>  3.1控制器主要芯片的選擇</p><p>  3.1.1單片機(jī)控制芯片的選擇:</p><p>  8031:此單片機(jī)為MCS-51系列的基本典型產(chǎn)品,其內(nèi)部包括一個(gè)8位CPU、128個(gè)字節(jié)RAM,21個(gè)SFR,4個(gè)8位I/O口,2個(gè)16位定

32、時(shí)/計(jì)數(shù)器。</p><p>  AT89C51:此單片機(jī)為ATMEL公司的51系列單片機(jī),除具有MCS-51系列的基本功能外,增加了4K的flash閃存,并且具有6個(gè)中斷源和一個(gè)UART串口。</p><p>  從8031和AT89C51的對(duì)比中可以看出,AT89C51具有更高的性能,且不需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器,使用方便,且具有flash閃存,可以方便的擦除和改寫程序,故本次設(shè)計(jì)采用AT8

33、9C51為控制芯片。</p><p>  3.1.2電機(jī)的選擇:</p><p>  現(xiàn)在市場(chǎng)上的電機(jī)型號(hào)多種多樣,但是總的來(lái)說(shuō)可以分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種,</p><p>  電機(jī)作為一種微機(jī)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件,無(wú)論是哪一種在特定的場(chǎng)合,特定的工作環(huán)境下,要求不盡相同,各有其特點(diǎn):</p><p>  直流電機(jī)可以分為電壓驅(qū)動(dòng)的和

34、電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī),只要控制輸出的電流或電壓的大小便可以方便地控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,亦很容易實(shí)現(xiàn)其正反控制。</p><p>  步進(jìn)電機(jī)的慣性相對(duì)比較小,因而能夠做到快速的啟動(dòng)和停止,定位精度非常高,不會(huì)由于是旋轉(zhuǎn)量的變量而產(chǎn)生誤差積累,此外,它的輸入信號(hào)為一個(gè)周期的脈沖電流,即微處理器輸出的控制信號(hào)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使其按照特定的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。不需要增加D/A信號(hào)的轉(zhuǎn)換,使用比較方便。因此為提高控

35、制系統(tǒng)的精確及其穩(wěn)定性,在這次設(shè)計(jì)中選用的是三相步進(jìn)電機(jī)。</p><p>  3.1.3 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇:</p><p>  A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇主要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)以及控制系統(tǒng)的要求,性能指標(biāo)越高,A/D所采集的數(shù)據(jù)越精度,但是價(jià)格也越高,所以應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。</p><p>  ADC0809芯片是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多

36、路開(kāi)關(guān)以及微處理器兼容不得的控制邏輯CMOS組件,它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和微機(jī)直接接口。由于對(duì)汽車懸架振幅控制系統(tǒng)的要求來(lái)看,8位的ADC0809精度、分辨率及轉(zhuǎn)換時(shí)間已經(jīng)符合要求,故本次設(shè)計(jì)就選擇最常用的ADC0809控制芯片。</p><p>  3.2懸架系統(tǒng)控制器整體硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>  3.2.1簡(jiǎn)單介紹各主要元器件結(jié)構(gòu)及其功能</p><

37、;p> ?。?)AT89C51單片機(jī):</p><p>  在此單片機(jī)上集成了微處理器(CPU),內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),以及輸入輸出端口。采用40只引腳的雙列直插封裝方式(見(jiàn)圖4),本次設(shè)計(jì)用到的各引腳的功能如下:</p><p>  ①I/O口引腳:共4個(gè),分別是P0、P1、P2、P3,均為8位口。這4個(gè)I/O口可分別作為基本的Input、Output端口。其中P0口可作為數(shù)據(jù)

38、總線 </p><p>  和地址總線(低8位)分時(shí)復(fù)用的端口,P2口可 圖4 AT89C51引腳圖</p><p>  作為地址總線的高8位,即P0口和P2口地起構(gòu)函數(shù)成16位地址總線,可供尋址的地址范圍是:64KB。P3口具有第二功能,即可以產(chǎn)生中斷,定時(shí)計(jì)數(shù)等功能。</p><p> ?、跁r(shí)鐘引腳X1及 X2:用于接晶體振蕩器,此次設(shè)計(jì)用的晶

39、振頻率為12MHZ。</p><p>  ③RESET腳:是復(fù)位信號(hào)輸入端,高電平有效。 </p><p> ?、蹵LE腳:地址鎖存允許信號(hào),用于鎖存單片機(jī)輸出的低,高電平有效</p><p> ?、軪A腳:其功能

40、為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng)EA為高電平時(shí),單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,當(dāng)EA為低電平時(shí),單片機(jī)直接訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器。 </p><p> ?。?)地址鎖存器74LS373:如下圖5所示。</p><p>  D0~~D7:8位數(shù)據(jù)輸入線</p><p>  Q0~~Q7:8位數(shù)據(jù)輸出線</p><p>  C:

41、數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號(hào),高電平有效。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí),外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器,負(fù)跳變時(shí),數(shù)據(jù)鎖存。 </p><p>  OC:數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào),低電平有效。 (3)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809:如下圖6所示。 圖5 74LS373引腳圖</p><p>  IN7~I(xiàn)N0:為8條模擬量輸

42、入通道 </p><p> ?、诘刂份斎牒涂刂凭€:4條。ALE為地址鎖存允許輸入線,高電平有效。當(dāng)ALE=1時(shí),地址鎖存與譯碼器將A、B、C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存,通過(guò)A、B、C的組合以選中IN7~I(xiàn)N0上的一路模擬量輸入。</p><p> ?、蹟?shù)字量輸出及控制線:11條</p><p>  當(dāng)START=1時(shí)

43、,開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)換期間START=0。 </p><p>  EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),當(dāng)EOC=1時(shí),表時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE=1時(shí) 圖6 ADC0809引腳圖</p><p>  可以輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。D7~D0為數(shù)字量輸出線。

44、 </p><p> ?、茈娫葱盘?hào)及其它:5條 </p><p>  (4)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003,如下圖7所示:</p><p>  IN1~I(xiàn)N7為信號(hào)輸入端,內(nèi)部為開(kāi)路開(kāi)路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器,最高可驅(qū)動(dòng)電壓

45、50V,GND為接地端,COM可以接電源或懸空。</p><p>  3.2.2各部分硬件電路設(shè)計(jì):</p><p> ?。?)時(shí)鐘電路圖:本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式,如圖8所示: 圖7 ULN2003引腳圖 </p><p> ?。?)復(fù)位電路圖:

46、 </p><p>  本復(fù)位電路如圖9所示,采用的是手動(dòng)按鍵電平觸發(fā)方式經(jīng)電阻與電源+5V接通而實(shí)現(xiàn)的。</p><p>  圖8 時(shí)鐘電路 圖9 復(fù)位電路</p><p> ?。?)報(bào)警電路圖:</p><p>  本報(bào)警電路采用PNP三極管作為驅(qū)動(dòng)器件, 電阻R2輸

47、出端接到單片機(jī)P1.0上,當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到車身振幅超過(guò)15MM時(shí),P1.0輸出高電平,三極管導(dǎo)通,便可驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲響。</p><p>  (4)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖:</p><p>  此電路驅(qū)動(dòng)采用集成電路芯片,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003,ULN2003具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,最大可驅(qū)動(dòng)輸出電壓達(dá)50V。其電路圖連接如圖10所示:</p><p>  圖1

48、0 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p> ?。?)電路原理圖(見(jiàn)附錄)</p><p>  (6)硬件電路的仿真:開(kāi)啟PC機(jī),在桌面上雙擊“DXP.EXE”進(jìn)入Protel界面,打開(kāi)電路原理圖,然后選中菜單“Project”→“Compile Document”進(jìn)行電氣檢查編譯,然后點(diǎn)擊軟件右下角的“system”菜單→“Messages”即可觀察仿真的結(jié)果,如果電氣連接正確則“Messa

49、ges”里面的內(nèi)容為空(仿真結(jié)果見(jiàn)附錄)</p><p>  4汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程</p><p>  任何一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng),它們都有著自己的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng), 少了任何一個(gè)部分都不可能稱之為一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng),它們之間是相互依存的一個(gè)整體,硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)和前提,為軟件系統(tǒng)提供了一個(gè)操作平臺(tái);而軟件系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)的靈魂 ,它對(duì)硬件系統(tǒng)起到擴(kuò)充和完善的作用。

50、可想而知軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)同等重要,下面為汽車懸架系統(tǒng)振幅控制器的軟件方面的具體設(shè)計(jì)過(guò)程:</p><p>  4.1 ADC0809芯片起始地址的確定:</p><p>  AD芯片的通道1地址為:0xf9 (AD地址為:0xf8)</p><p>  ADC0809的A、B、C端分別接至單片機(jī)引腳的P0.0、P0.1、P0.2,各通道的選擇可以通過(guò)A、B、C的組

51、合而確定(即由P0.2~P0.0確定),而通道0即為ADC0809芯片的起始地址,所以ADC0809芯片的起始地址為:0xf8,由于本設(shè)計(jì)將傳感器的信號(hào)接至通道1,故通道1的芯片地址為:0xf9.</p><p>  4.2采樣周期T的確定:</p><p>  設(shè)地面對(duì)汽車車身的輸入頻率為f=5HZ,則角頻率ω=2*3.14*5=31.4。根據(jù)采樣定理可得fs>=2f,在此次設(shè)計(jì)中

52、取fs=4f=20HZ,即可得采樣周期為T=0.05S,本設(shè)計(jì)采用晶振為12HZ,采用定時(shí)器0、模式1,則計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)為:(50*1000)*12/foc=50000個(gè),故有:</p><p>  TH0=(65536-50000)/256</p><p>  TL0=(65536-50000)%256</p><p>  4.3車身垂直加速度與振幅位移的變換思想

53、:</p><p>  由于壓電式加速度傳感器檢測(cè)的是車身的垂直振動(dòng)加速度值,在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須將其轉(zhuǎn)化為車身振動(dòng)的大小,即振幅的位移,其轉(zhuǎn)化過(guò)程如下:</p><p>  假設(shè)路面對(duì)車身的輸入為x=Asinωt</p><p>  V=dx/dt=Aωcosωt</p><p>  a= dV/dt=-A(ω^2)*sinωt</

54、p><p>  x/a=-1/(ω^ 2);</p><p>  h=x=-a/(ω^2)</p><p>  首先先設(shè)定汽車車身振幅范圍為0-10mm即,h=10mm為最大值,當(dāng)汽車振動(dòng)幅度超過(guò)10mm時(shí)即(h>10mm),必須執(zhí)行PID調(diào)節(jié),如果h<10mm,則繼續(xù)采樣加速度值,繼續(xù)比較。但是當(dāng)h>15mm時(shí),峰鳴器必須響,發(fā)出報(bào)警聲,以提示使用者

55、。</p><p>  4.4數(shù)字PID控制算法:</p><p>  直次PID控制算法采用的增量式PID控制算法,因?yàn)樵隽渴絇ID算法只需要保持當(dāng)前時(shí)刻以前三個(gè)時(shí)刻的誤差即可。它與位置式PID相比,有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>  首先:位置式PID算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān),計(jì)算式中要用到過(guò)去誤差的累加值,因此容易產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差,而增量式PID只需要計(jì)

56、算增量,計(jì)算誤差當(dāng)精度不足時(shí)對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。</p><p>  其次:采用增量算法,由于其與原始狀態(tài)無(wú)關(guān),易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。</p><p>  另外,由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制變量的絕對(duì)值而不是其增量,這時(shí)仍可采用增量式計(jì)算,但是輸出則采用位置式的輸出形式,算法公式如下:</p><p>  y(n)=y(n-1)+ δy(n)=y(n-1)

57、+Kp*(δe(n)+I*e(n)+D*δe(n)^2),</p><p>  把δe(n)=e(n)-e(n-1), δe(n)^2=δe(n)-2*δe(n-1)+e(n-2)代入上式,則:</p><p>  y(n)=y(n-1)+Kp*[(e(n)-e(n-1))+I*e(n)+D*(e(n)-2*e(n-1)+e(n-2))]</p><p>  式中:

58、e(n)=w-u(n);</p><p>  W----給定值振幅位移量</p><p><b>  Kp---比例系數(shù)</b></p><p>  I=T/Ti---積分系數(shù)</p><p>  D=Td/T---微分系數(shù)</p><p><b>  T---采樣周期</b>

59、;</p><p>  由于本次的課程設(shè)計(jì)時(shí)間有限,關(guān)于PID控制中的各參數(shù),如比例系數(shù)Kp、積分環(huán)節(jié)Ki、微分環(huán)節(jié)Kd的確定事先已經(jīng)假定得出,沒(méi)有經(jīng)過(guò)Matlab軟件的仿真得出。本次設(shè)計(jì)中各參數(shù)的取值如下:</p><p>  Kp=15;Td=5;Ti=0.005;T=0.05</p><p>  因此,Ki=Kp*T/Ti=150;Td=Kp*Td/T=150

60、0</p><p>  4.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法及編碼</p><p>  要利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,必須注意以下問(wèn)題:</p><p>  5.1電機(jī)控制需要的脈沖序形的形成:</p><p>  要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,首先微機(jī)能輸出具有一定周期的控制脈沖,在微機(jī)控制系統(tǒng)中,脈沖序列的產(chǎn)生是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的,或者通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)器定時(shí)而

61、產(chǎn)生一定周期的脈沖,本次設(shè)計(jì)采用的是第二種方法。實(shí)現(xiàn)的方法是:先輸出一個(gè)高電平,延時(shí)段時(shí)間后,再輸出一個(gè)低電平,然后再延時(shí),改變延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短,就可以改變脈沖的周期。</p><p>  4.5.2控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向:</p><p>  對(duì)于電機(jī)選擇:選用三相步進(jìn)電機(jī),其通電方式采用六拍工作方式,通電順序?yàn)椋?lt;/p><p>  正向旋轉(zhuǎn):A→AB→B→BC→

62、C→CA→A;</p><p>  反向旋轉(zhuǎn):A→CA→C→BC→B→AB→A。</p><p>  本設(shè)計(jì)僅需要使用正向旋轉(zhuǎn)控制,并且A、B、C組線圈分別接至微處理器的P1.1、P1.2、P1.3,其正轉(zhuǎn)方式的控制模型如下:</p><p>  將此控制編碼以數(shù)組的形式存入單片機(jī)連續(xù)內(nèi)存單元RAM中,根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)按一定的順序?qū)﹄姍C(jī)的線圈進(jìn)行通電。<

63、;/p><p>  4.6繪制系統(tǒng)程序流程圖</p><p>  4.6.1主程序流程圖:如圖11所示</p><p>  4.6.2采樣子程序的流程圖:如圖12所示</p><p>  4.6.3數(shù)字平均濾波子程序流程圖,如圖13所示</p><p>  4.6.4數(shù)字PID調(diào)節(jié)子程序流程圖:如圖14所示</p&g

64、t;<p>  4.6.5步進(jìn)電機(jī)程序流程圖:如圖15所示:</p><p>  圖15步進(jìn)電機(jī)程序流程圖</p><p><b>  4.7軟件程序調(diào)試</b></p><p>  在PC機(jī)上運(yùn)行Keil編程軟件,根據(jù)上面繪制的程序流程圖編寫程序,本設(shè)計(jì)采用的編程語(yǔ)言為C51,將程序的編寫過(guò)程實(shí)行模塊化,如分別編寫數(shù)據(jù)采集模塊子

65、程序、數(shù)字平均濾波模塊子程序、數(shù)字PID控制模塊子程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊子程序等。在編寫過(guò)程中分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試和編譯,編寫完成后,再通過(guò)主函數(shù)的調(diào)用即可。</p><p>  最后,編寫好的完整程序亦需要調(diào)試和編譯,本設(shè)計(jì)程序的調(diào)試編譯結(jié)果見(jiàn)(附錄)。</p><p><b>  結(jié) 論</b></p><p>  通過(guò)此這次課程設(shè)計(jì)的

66、學(xué)習(xí),不僅再次熟悉了單片機(jī)的工作原理及自動(dòng)控制理論的相關(guān)基本知識(shí),并且對(duì)各種芯片的使用方法亦有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),從整體上把握了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí),收獲很大,而且對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的控制方法和算法有了更深入的了解和認(rèn)識(shí),汽車懸架系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高,現(xiàn)代的汽車不僅僅是一種交通工作,更是一種生活享受,通過(guò)數(shù)字PID的控制算法更能夠精確的控制汽車的振動(dòng)幅度,使其達(dá)到預(yù)期的效果。</p><p><b> 

67、 致 謝</b></p><p>  本設(shè)計(jì)是在**教師的悉心指導(dǎo)下完成的。她們淵博的專業(yè)知識(shí),嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,精益求精的工作作風(fēng),誨人不倦的高尚師德,嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范,樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹(shù)立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了控制系統(tǒng)的基本研究方法,還使我明白了許多為人處世的道理。本設(shè)計(jì)從選題到完成,每一步都是在老師的指導(dǎo)下完成的,傾注了老師們大量的心血。另外,本設(shè)

68、計(jì)的完成也離不開(kāi)各位同學(xué)給我的建議和幫助,是他們讓我明白了團(tuán)隊(duì)合作的精神。在此,向各位幫助我的老師和同學(xué)們表示崇高的敬意和衷心的感謝!</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p> ?。?]《新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)》張毅剛、彭喜元等編著名,哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社</p><p>  [2]《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》劉守義主編

69、, 西安電子科技大學(xué)出版社 2002</p><p> ?。?]《汽車電器及電子技術(shù)》孫仁云、付百學(xué) ,機(jī)械工作出版社</p><p> ?。?]《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》臺(tái)方、張子萍 中國(guó)水力水電出版社 </p><p><b>  附錄(代碼) </b></p><p>  /****************頭

70、文件及函數(shù)聲明及調(diào)用**************************************/</p><p>  #include<stdio.h></p><p>  #include<reg51.h></p><p>  #include<math.h></p><p>  #include &l

71、t;intrins.h></p><p>  #define uchar unsigned char</p><p>  #define uint unsigned int</p><p>  void dingshi_0();</p><p>  void dingshi_1();</p><p>  floa

72、t lubo(void);</p><p>  float PID(void);</p><p>  void dianji();</p><p>  delay(uchar);</p><p>  /***********************************************************************

73、**************/</p><p>  /******************************各個(gè)變量的定義***************************************/</p><p>  uint Kp,Ki,Kd; /*定義PID各參數(shù),并為其分配內(nèi)存空間*/</p><p>  f

74、loat x,un,yn,yn_1,en,en_1,en_2,Td,Ti,T;</p><p>  sbit P32=P3^2;</p><p>  sbit P33=P3^3;</p><p>  sbit P27=P2^7;</p><p>  sbit P10=P1^0;</p><p><b>  b

75、it flag;</b></p><p>  sbit EOC=P2^1; /*Port P2.1 connect to EOC*/</p><p>  uchar channel=0xf9; /*通道INT1*/</p><p>  float getdata[10]; /*A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)*/</p><p

76、>  uchar i=0;</p><p>  uchar m=0;</p><p>  /***********************************************************************************/</p><p>  /***********************主函數(shù)*************

77、*****************************************/</p><p>  void main()</p><p><b>  {</b></p><p>  P27=0;/*使P27端口保持為低電平,與RD,WR同為低電平,以完成A/D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和讀取。*/</p><p><b&g

78、t;  EX1=1;</b></p><p><b>  while(1)</b></p><p><b>  {</b></p><p>  loop: dingshi_0(); </p><p>  un=lubo();</p><p><b>

79、;  yn=PID();</b></p><p>  if (flag==1)</p><p><b>  {</b></p><p><b>  flag=0;</b></p><p>  goto loop;/*flag=1說(shuō)明振幅控制在一定的范圍之內(nèi),不需調(diào)節(jié),返回定時(shí).否則執(zhí)行e

80、lse*/</p><p><b>  }</b></p><p><b>  else</b></p><p><b>  {</b></p><p>  delay(6); /*采用離線控制方式,沒(méi)有立即實(shí)時(shí)控制,延時(shí)控制輸出*/</p><p

81、><b>  dianji();</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p>  /*************************到此主函數(shù)結(jié)束*

82、*****************************************/</p><p>  /**************************從這各子函數(shù)開(kāi)始*******************************************/</p><p>  float lubo(void) /*數(shù)字平均濾波子程序*/</p><p>

83、;<b>  {</b></p><p>  uchar n=0;</p><p>  float sum,stmp;</p><p>  for (n=0;n<=9;n++)</p><p><b>  {</b></p><p>  sum=sum+getdata[

84、n];</p><p><b>  }</b></p><p>  stmp=sum/10;</p><p>  return stmp;</p><p><b>  }</b></p><p>  float PID(void )</p><p>

85、<b>  {</b></p><p>  float w0=31.4; /*選定f=5HZ,w0=2*3.14*5=31.4*/</p><p><b>  float cy;</b></p><p>  x=10;/*給定振動(dòng)幅度為10mm*/</p><p>  Kp=15;Td=5;Ti

86、=0.005;/*自定義比例,積分,微分常數(shù)*/</p><p>  T=0.02; /*采樣周期*/</p><p>  Kd=Kp*Td/T;</p><p>  Ki=Kp*T/Ti;</p><p>  cy=fabs(un/(w0*w0));/*將采樣所得的加速度值轉(zhuǎn)為振動(dòng)位移; 并取其絕對(duì)值*/</p

87、><p><b>  en=10-cy;</b></p><p>  if (en <0)</p><p><b>  {</b></p><p>  if (15-cy<0)</p><p><b>  {</b></p><

88、;p><b>  P10=1;</b></p><p>  delay(2); /*延遲1S*/</p><p><b>  P10=0;</b></p><p><b>  }</b></p><p>  yn=yn_1+Kp*(en-en_1)+Ki*en+Kd*

89、(en-2*en_1+en_2);</p><p><b>  yn_1=yn;</b></p><p>  en_2=en_1;</p><p><b>  en_1=en;</b></p><p>  return yn;</p><p><b>  }<

90、/b></p><p>  else/*如果檢測(cè)結(jié)果在10MM以內(nèi),則返回定時(shí)子程序繼續(xù)采樣檢測(cè)*/</p><p><b>  {</b></p><p><b>  yn_1=yn;</b></p><p>  en_2=en_1;</p><p><

91、b>  en_1=en;</b></p><p>  flag=1;/*設(shè)置標(biāo)志位,如果flag=1,則說(shuō)明振幅控制在一定的范圍之內(nèi),不需要輸出調(diào)節(jié)*/</p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p>  void dianji()&

92、lt;/p><p><b>  {</b></p><p>  dingshi_1();</p><p><b>  }</b></p><p>  void dingshi_1()</p><p><b>  {</b></p><p&

93、gt;  TMOD=0x00;</p><p>  TH1=(8192-20000)/32; /*延時(shí)周期為20MS, 初值高位送至TH1*/</p><p>  TL1=(8192-20000)%32; </p><p><b>  EX1=1;</b></p><p><b>  TR1=1;&l

94、t;/b></p><p><b>  while(1);</b></p><p><b>  }</b></p><p>  /***********************至此各子函數(shù)結(jié)束**********************************************/</p><

95、p>  /******************************從這各定時(shí)中斷程序開(kāi)始*********************************/</p><p>  void dingshi_0()</p><p><b>  {</b></p><p>  TMOD=0X01;</p><p> 

96、 TH0=(65536-50000)/256;</p><p>  TL0=(65536-50000)%256;</p><p><b>  ET0=1;</b></p><p><b>  EA=1;</b></p><p><b>  TR0=1;</b></p>

97、;<p><b>  while(1);</b></p><p><b>  }</b></p><p>  void tim_0() interrupt 1</p><p><b>  {</b></p><p><b>  TR0=0;</b&

98、gt;</p><p>  P33=1;/*使P33即int0端口產(chǎn)生一個(gè)下跳沿中斷*/</p><p><b>  _nop_();</b></p><p><b>  P33=0;</b></p><p><b>  _nop_();</b></p>

99、<p>  if(i!=10) /*如果定時(shí)采樣了10次,則退出,否則繼續(xù)采樣*/</p><p><b>  {</b></p><p>  TH0=(65536-50000)/256;</p><p>  TL0=(65536-50000)%256;</p>&

100、lt;p><b>  TR0=1;</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  else</b></p><p><b>  {</b></p><p><b>  ET0=0;</b></

101、p><p><b>  TR0=0;</b></p><p><b>  i=0;</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p>  void int_1() interrupt

102、 2 /*利用外部中斷1服務(wù)程序進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采樣*/</p><p><b>  {</b></p><p>  P0=channel;/*通道#1號(hào)地址*/</p><p>  WR=1;/*啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換*/</p><p><b>  WR=0;</b></p>&

103、lt;p><b>  WR=1;</b></p><p>  while(EOC==0);</p><p>  RD=0; /*轉(zhuǎn)換結(jié)束,使OE=0,數(shù)據(jù)輸出*/</p><p>  getdata[i]=P0;</p><p><b>  i++;</b></p>&

104、lt;p><b>  }</b></p><p>  void tim_1() interrupt 3 /*定時(shí)器1中斷服務(wù)程序*/</p><p><b>  {</b></p><p>  uchar tongdian[]={0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x0A};/*三相電機(jī)六拍工

105、作線圈通電順序編碼*/</p><p>  P1=tongdian[m]; /*輸出編碼驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)*/</p><p><b>  m++;</b></p><p>  if (m==6)/*轉(zhuǎn)動(dòng)一周*/</p><p><b>  {</b></p><

106、;p>  yn--;/*步數(shù)減一*/</p><p><b>  m=0;</b></p><p>  if (yn<=0)</p><p><b>  {</b></p><p><b>  ET1=0;</b></p><p>&

107、lt;b>  TR1=0;</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p><b>  }</b></p><p>  /************************至此各定時(shí)中斷程序結(jié)束******

108、*********************************/</p><p>  /****************************延時(shí)子程序開(kāi)始********************************************/</p><p>  delay(uchar a){</p><p><b>  uint b=0;<

109、;/b></p><p><b>  uchar c;</b></p><p>  for (b=0;b>50000;b++) /*延時(shí)時(shí)間=0.5XC,如0.5X2=1S*/</p><p>  for (c=a;c>0;c--);</p><p>  }

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