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文檔簡介

1、四四川川省省 ti 杯杯大大學學生生電電子子設設計計競競賽賽 基基于于 agv 的的自自動動化化物物流流系系統統摘摘 要要本設計是一套基于自動導向車( automatic guided vehicle ,以下簡稱 agv)完成自動裝載、搬運、卸載貨物功能的物流系統。系統包括多功能 agv和監控中心。整個系統由監控中心實現監測與控制,agv 按照預先設定的路線行駛,完成定位停車和搬運貨物的功能并且能實現智能充電 。本系統穩定可靠,能夠廣泛應用于汽車、家電等自動化裝配線,以及機械、電子、紡織、卷煙、食品等行業。是構建 無人化車間、自動化立體倉厙,實現倉儲物流自動化管理的理想選擇。關鍵字:自動導向車

2、 自動裝載 智能充電 自動化目錄目錄摘摘 要要.1目目 錄錄.2緒緒 論論.41 設計任務設計任務.51.1 設計要求 .51.2 總體設計.62 方案比較與論證方案比較與論證.72.1 中央處理器的選型.72.2 動力及轉向系統 .82.3 agv 引導方式的設計方案與論證.82.4 裝卸貨物點的檢測 .82.5 障礙物的探測 .92.6 裝貨和卸貨系統對 agv 的監測 .93 系統硬件設計系統硬件設計.103.1 裝貨和卸貨模塊設計 .103.2 電路設計.113.2.1 agv 的中央處理單元.113.2.2 黑白線信息采集和停車標識識別模塊設計.123.2.3 自動循跡控制模塊設計.

3、133.2.4 智能充電模塊設計.143.2.5 障礙物檢測模塊設計.153.2.6 聲光報警模塊設計.164 系統軟件設計系統軟件設計.174.1agv 主程序控制流程圖.174.2裝卸貨模塊流程圖 .174.3自動充電模塊程序設計 .185 系統測試系統測試.195.1 系統的各項指標測試.195.2 系統的測試方案.195.3 測試結果.196 結論結論.207 參考文獻參考文獻.21附錄附錄.22緒論緒論自動化物流系統是一個新興的現代化高科技產業,是集光、機、電為一體的系統工程。相對于傳統的運輸機構,如傳送帶,滑板車等固定傳輸機構投資大,占空間,不易升級等缺點,自動化物流系統不僅能大大

4、提高工廠生產的自動化效率,更能降低投入成本,實現無人化工廠,提升公司形象,提高公司利潤。系統安全可靠,能夠廣泛應用于汽車、家電等自動化裝配線,以及機械、電子、紡織、卷煙、食品等行業。是建設無人化車間、自動化立體倉厙,實現倉儲物流自動化管理的最佳選擇。目前,國內生產線大多采用單軌小車或傳送帶等固定傳輸設備,此類設備投資大,占空間,工作不靈活,不易升級等缺點。為了克服這個缺點,我們設計了自動導向車(automatic guided vehicle)以代替目前的傳輸設備。同時,讓agv 小車同裝卸貨設備一起工作,共同構成一個有機整體整個系統采用自動化控制技術,可以在無人的情況下工作;采用傳感器技術,

5、利用紅外傳感器和超聲波傳感器,采集各種數據信息,實現智能導航和障礙檢測;運用模數轉換,采集電量信息,自動執行智能充電,保證系統全天候自動運行。運用將無線通信技術,實現 agv 與裝卸貨系統通訊,保證裝卸貨過程精確無誤。國內自動化物流技術剛剛起步,具有廣闊的市場前景。但是,自動化物流的關鍵技術仍為國外所掌控,國內需要自主研發并發展推廣自動化物流系統,大范圍普及自動化物流系統勢在必行?;?agv 的自動化物流系統1 設計任務設計任務本系統設計要求 agv 能夠精確平穩地自動沿著預定軌道行駛, 在無人操作的情況下準確無誤 地在指定地點同裝卸貨設備共同完成自動裝 載貨物和卸載貨物的功能。1.11.1

6、 設計要求設計要求設計要求如圖 1-1 所示:裝貨標記裝貨裝貨區域區域卸貨標記充電充電區域區域卸貨卸貨區域區域圖 1-1 設計要求圖例工廠工廠內部內部機組機組內部機內部機組組物控中心agv具體設計要求:1.小車能夠自動沿著黑色的軌道行駛。2.當小車到達在指定的裝貨區域時,小車能夠識別裝貨標記自動停車,裝貨平臺把貨物裝載到小車上;3.小車裝貨完畢后繼續沿預定軌道行駛,當到達指定的卸貨區域識別到卸貨標記時自動停車,卸貨平臺自動把小車上的貨物卸載下來。1.21.2 總體設計總體設計系統總體設計分析如圖 1-2:送貨請求停車卸貨請求小車完成一次裝卸貨后進入下次裝卸貨循環執行卸貨執行裝貨向送貨系統發出卸

7、貨命令向送貨系統發出送貨命令接受請求,向中央處理器報告卸貨后開走停車等待卸貨系統中央處理器中央處理器空車貨車送貨系統貨車空車空車空車接受卸貨請求,向央處理器報告從設計分析圖可以看出裝貨和卸貨系統可以組成一個控制系統,由于 agv 的自由靈活性,易用另外一個控制系統進行控制。這樣,兩個系統之間需要經過硬件或是軟件聯系起來成為一個整體。根據系統的總體設計分析,我們制定出如下的總體設計框圖:圖 1-2 系統總體設計分析液晶屏顯示裝貨停車程序無線發射智能充電ad轉化裝貨卸貨ad 轉化障礙信息檢測路況信息采集電量信息采集狀態指示燈卸貨停車程序無線接收小車信號采集液晶屏顯示狀態指示燈agvagv 中央處理

8、器中央處理器裝貨系統中央處理器裝貨系統中央處理器器器圖 1-3 系統總體設計框圖2 方案比較與論證方案比較與論證2.12.1 中央處理器的選型中央處理器的選型可行性方案:可行性方案:1、采用筆記本計算機控制,編程靈活,多種軟件均可實現。但成本較高。2、采用 fpga 作為處理器,可靠性強,運算速度快,各種接口可以使用。3、采用 ti 公司生產的 msp430 單片機控制,處理速度較快,并且成本低廉。決策方案:決策方案:采用方案 3。本次系統設要求使用 ti 公司生產的基本元器件,并且 msp430 單片機價格便宜功能齊全 ,具有其獨特的功耗低特點。采用 msp430單片機作為控制器 能夠滿足設

9、計要求。2.22.2 動力及轉向系統動力及轉向系統驅動電機的可選方案:驅動電機的可選方案:1、使用帶有減速器的直流電動機,采用pwm控制器調速。2、使用步進電機,能夠精確控制位移量,可實現精確定位。3、采用伺服電動機,轉速穩定可靠且調速方便。4、采用舵機控制,可以精確控制角度。決策方案:決策方案:agv 的動力系統采用常見的直流電動機:小車運行要求平穩,對于速度要求不高,不需要精確地控制停車與啟動,常見的直流電動機滿足設計要求。故選擇方案 1。2.32.3 agvagv 引導方式的設計方案與論證引導方式的設計方案與論證1. 電磁感應引導: agv 的自動控制系統根據 電磁信號的強度差 來控制車

10、輛的轉向,連續的動態閉環控制能夠保證 agv 對設定路徑的穩定自動跟蹤。2. 激光引導: agv 依靠激光掃描器發射激光束,然后接受由四周定位標志反射回的激光束來控制運動的方向。3. ccd 視覺引導:ccd 完成圖像采集,單片機儲存并處理來轉向, 4. 紅外傳感器引導:紅外傳感器引導方式類似于最早的電磁感應引導,同樣需要在地面鋪設預定軌道。 軌道可以在地面貼黑帶鋪設完成, 或者直接用白漆或者黑漆刷到地面即可完成軌道鋪設。 agv 機身左右的紅外對管即可監視小車對中心線的偏移量, 從而自動控制小車糾正行走路線。決策方案決策方案:采用方案 3 由于紅外傳感器使用方便、價格低廉、引導精確、響應速度

11、快等優點,能夠滿足本次設計的要求。2.42.4 裝卸貨物點的檢測裝卸貨物點的檢測 可行性方案:可行性方案:1)霍爾傳感器檢測:在預定裝卸貨物點安裝強磁硅鋼以制造磁場。該方法定位依賴于磁場的強弱。定位精確 ,易受電機影響,靈敏度較低。2)紅外傳感器檢測:在預定停車點做標識 ,紅外對管感應電壓變化 ,并反應。此方法成本低。靈敏度較高。但易受外界光線干擾。決策方案:決策方案:采用方案 2。再利用 msp430 內置 ad 轉換,將采集的電壓模擬信號轉化為數字信號 進行處理,可降低外界光線干擾,提高精確度。2.52.5 障礙物的探測障礙物的探測可行性方案:可行性方案:1、采用紅外線反射管 ,可靠性高,

12、但探測距離較近,在 5cm 以內。2、采用反射型紅外光電開關,投光器發出的光束,被物體阻斷或部分反射,受光器最終據此作出判斷反應。3、采用超聲波傳感器:超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發出,遇到障礙物便反射回來,被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。決策方案:決策方案:采用方案 3。由單片機產生 40khz 的方波信號來工作,反應靈敏迅速,利于 agv 及早做出判斷,發出警報 。2.62.6 裝貨和卸貨系統對裝貨和卸貨系統對 agvagv 的監測的監測裝卸系統不能以孤立時間軸做裝卸貨運動,必須與 agv 進行通信,實現實時檢測,確保 agv 車體已經到達停車點,裝卸系統才能執行裝卸過程

13、。 無線數據傳輸被廣泛應用在車輛監控、遙控、遙測、小型無線網絡、無線數據通信、機器人控制、數字音頻、數字圖像的傳輸等領域中??尚行苑桨福嚎尚行苑桨福?. 用 df 無線數據收發模塊。 df 超再生式接收模塊通訊方式為調頻 am,接收靈敏度高,用示波器觀察輸出波形干凈,抗干擾能力強。2. 用 df 無線數據收發模塊與紅外傳感輔助檢測 :采用 df 無線收發,使小車運行狀態時刻反饋給裝卸系統,讓裝卸系統起到監控小車的功能,同時當小車到達指定運貨地點時發出無線信號準備裝貨,裝卸系統 另外輔助采用紅外傳感器檢測小車是否停穩。決策方案:決策方案:df 無線收發模塊以其優良的特性和低廉的價格而被廣泛應用于

14、工業及日常商品中, 同時用紅外傳感輔助檢測 使性能更加完備, 即使通訊過程中出現錯誤也能自動進行糾正, 因此我們優先考慮使用方案 2。3 系統硬件設計系統硬件設計3.13.1 裝貨和卸貨模塊設計裝貨和卸貨模塊設計 裝貨模塊裝貨模塊裝貨系統有目前比較先進的機械手,傳送帶,和簡易推送裝置。因本系統重在演示功能,故我們自行設計了一個 用舵機控制的推貨裝置。俯視圖貨物貨物體體貨物貨物正視圖圖 3-1 裝貨曲柄滑塊機構設計車體車體當小車到達裝貨地點時,傳送帶傳送過來的貨物正好位于曲柄滑塊機構的擋推板前,通過控制舵機轉過的角度,就可以 控制推桿將貨物推上小車的貨廂上。卸貨模塊卸貨模塊 我們采用磁吊技術模擬

15、物流業中大部分集裝箱的運送。當貨物到達卸貨地點后,啟用電磁鐵將貨物吊起,控制步進電機運行將貨物移動到指定地點。圖 3-2 卸貨機構設計電磁鐵物貨物3.23.2 電路設計電路設計3.2.13.2.1 agvagv 的中央處理單元的中央處理單元 因系統的 agv 模塊和自動裝卸貨模塊對功能的實現有所不同,故分別針對其功能實現,分別選取 不同單片機。小車的功能強大,要求處理 系統處理速度快,具低功耗特點。最終設計中主要采用 ti 公司出品的 msp430f247 單片機,以 at89s51 作為輔助驅動 lcd液晶顯示。msp430f247 單片機是一個具有強大處理功能的 16 位單片機,采用了精簡

16、指令集(risc)結構,具有豐富的尋址方式( 7 種源操作數尋址、 4 種目的操作數尋址)、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算 。片上外圍模塊豐富, 12/14 位硬件 a/d 轉換器有較高的轉換速率,最高可達 200kbps ,能夠滿足大多數數據采集應用,實現兩路的 12 位 d/a 轉換;當系統處于省電的備用狀態時,用中斷請求將它喚醒只用6us。超低功耗 msp430 單片機之所以有超低的功耗,是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。系統采用的 msp430f247 的最小系統電路圖 :圖 3-3 msp

17、430f247 的最小系統電路3.2.23.2.2 黑白線信息采集和停車標識識別模塊黑白線信息采集和停車標識識別模塊設計設計本系統設計中 agv 自動循跡及停車標識識別 都是采用反射式紅外光電傳感器 st188 來實現其功能。其極限參數值和實物圖如下 :圖 3-4 st188 實物圖由于只要求判斷出簡單 黑白線,因此使用較簡單的 紅外反射式光電傳感器實現小車尋跡和停車是 可行的。為了簡單起見,系統中使用了七 個紅外反射式光電傳感器,其中五個用于尋跡, 以完成對路面信息的采集; 一個用于停車標識檢測;一個用來檢測外界光,排除其干擾 ,低功耗模式下用作充電 區域判斷。 圖 3-5 反射式紅外檢測電

18、路從 out 輸出的電壓信號連接到 msp430f247 單片機的 p6 端口,利用 msp430內部模數轉換模塊直接將模擬信號轉化為數字信號。極極限限參參數數3.2.33.2.3 自動循跡控制模塊設計自動循跡控制模塊設計動力驅動設計動力驅動設計 圖 3-6 驅動電機控制電路 3-7 控制驅動電機正反轉電路本設計中使用一個場效應管 irfz44n 通過從單片機系統 2.4 腳輸出 pwm控制直流電機轉速, p2.4 腳輸出高低電平控制繼電器正反轉,實現小車前進與后退。轉向驅動設計轉向驅動設計小車的轉向是用舵機來驅動的。我們通過編程用軟件輸出標準pwm 信號來驅動舵機,一般 pwm 控制信號的周

19、期為 20ms,其調制波如圖所示。當給舵機輸入脈寬為 0.5ms,即占空比為 0.5/20=2.5%的調制波時,舵機右轉 90 度;當給舵機輸入脈寬為 1.5ms,即占空比為 1.5/20=7.5%的調制波時,舵機靜止不動;當給舵機輸入脈寬為 2.5ms,即占空比為 2.5/20=12.5%的調制波時,舵機左轉90 度??梢酝茖С龆鏅C轉動角度與脈沖寬度的關系計算公式為:注:其中t為正脈沖寬度(ms);為轉動角度;當左轉時取加法計算,右轉時取減法計算結果。pwm 脈寬與舵機轉角的對照關系如下:因此,在軟件上是通過算法對 pwm 波占空比進行實時設置,對應舵機轉角發生變化,從而使小車實現預定的轉向

20、。 3.2.43.2.4 智能充電智能充電模塊設計模塊設計agv 車體電池并不能長久正常供電,工作一段時間后就會電壓下降,造成工作不穩定。為了實現無人化車間,小車的充電需要自主完成。agv 所采用的鎳鎘可充電電池是用 6 節相同型號的電池串連起來從而得到7.2v 的電池組,其標稱容量為 2000mah 可以在 2a 的供電電流下持續供電1 小時。放電曲線如圖所示(在 3a 的大電流放電條件下得到的結果)。圖 3-8 鎳鎘電池供電曲線小車能正常工作所需的電壓在 7v 到 8.5v 之間,我們采用 ad 轉換將電池電壓通過電位器分壓的電壓與 ad 轉換所需標準電壓 +ref 進行比較,就能設定小車

21、在電池電壓大于 6v 時,進行自動循跡搬運貨物;當電池電壓小于 6v 時自動進入低功耗模式,尋找充電區進行自動充電 .右邊是我們采用的電壓檢測電路,通過可調電位器可以自行設定 比較電壓值。agv 在低電壓的觸發下進入充電尋軌模式,進入充電軌道。小車駛入充電區后,外置的充電金屬觸點與固定充電電極接觸。當兩端完全穩定接觸后,充電端口向中央處理器發出高電平,控制小車停車充電。小車電池的理想充電時間是 6 小時。我們采用快速充電, 演示過程中程序設置小車在充電區停車 充電 20 分鐘。若中途停電或者其他外部因素致使小車充電未完成,小車自動計算與標準飽滿電源電壓 的差值,把差值轉化為對應時間后再次進入充

22、電區進行相應時間的充電 直至電池飽滿。之后,小車 自動退出充電區,駛入工作區域,恢復 正常的工作模式。3.2.53.2.5 障礙物檢測模塊設計障礙物檢測模塊設計超聲波檢障原理超聲波檢障原理超聲波發生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時,壓電晶片將會發生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當共振板接收到超聲波本時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉換為電信號,就成為超聲波接收器。在超聲探測電路中,發射端得到輸出脈沖為一系列方波,接收端受到反射回來的方波后從輸出腳輸出一個下降沿觸發單片機進行障礙物判斷。超聲波檢

23、障電路的設計超聲波檢障電路的設計我們采用單片機的 p1.0 口輸出超聲波換能器所需的 40k 方波信號,如圖所示:圖 3-9 超聲波發射電路圖 3-10 超聲波接收電路使用 cx20106a 集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波, 其總放大增益 80db。2 腳與地之間連接 rc 串聯網絡,它們是負反饋串聯網絡的一個組成部分,改變它們的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性。 本設計中選用參數為 r1=4.7,c1=1f,r=200k,out 為輸出端連接單片機 p0.1,沒有接收到返回信號時該端輸出為高電平,接收到 則產生下降沿。3.2.63.2.6 聲光報警模塊設計聲光報警模塊設計聲光

24、報警模塊設計采用圖所示電路:圖 3-11 聲光報警電路從系統 p2.3 輸出高低電平控制 npn 型三極管 s8050 通斷控制報警器和發光二極管進行聲光報警。4 系統軟件設計系統軟件設計4.1 agv 主程序控制流程圖主程序控制流程圖 否否否是是初始化數據采集監控中心檢驗是否到裝/卸貨區尋軌道檢測障礙物智能充電停車裝卸貨物報警電池是否充足是圖 4-1 agv 主程序設計思路4.2裝卸貨模塊流程圖裝卸貨模塊流程圖檢測與控制系統程序設計流程圖如圖 4-2。否否無信號卸貨請求信號裝貨請求信號是是初始化執行裝貨等待接收無線信號執行卸貨紅外確認小車是否在卸貨區紅外確認小車是否在卸貨區圖 4-2 監控系

25、統程序流程圖4.3自動充電模塊程序設計自動充電模塊程序設計小于大于充電 6 小時檢測電池電壓 u繼續充電t退出充電區,駛入工作區工作將電壓差值u 轉化為充電時間t電池電壓 u 與標準電壓 7.8v 比較圖 4-3 自動充電模塊程序設計5 系統測試系統測試5.15.1 系統的各項指標測試系統的各項指標測試1) 測試agv自動導航性能:測試msp430輸出pwm對舵機的控制,其周期和正電壓占空比反應小車轉彎角度。2) 測試信息采集靈敏度:主要測試從ad0809對紅外反射式傳感器對黑白線反饋回來不同電壓轉換的數據值。3) 測試agvd定位精度:主要測量小車同裝貨與卸貨裝置偏移距離。5.25.2 系統

26、的測試方案系統的測試方案測試方案框圖測試方案框圖實驗室實驗室測試信息采集靈敏度設定循跡參數agv 循跡性能測試小車檢測功能測試室外室外測試信息采集靈敏度設定循跡參數agv 循跡性能測試小車檢測功能測試圖 5-1 系統測試方案框圖5.35.3 測試結果測試結果不同環境下采集的模擬信號ad轉換值及對應電壓值:信息采集端電壓檢測黑色軌道(最小值)黑色軌道(最大值)底 板(平均值)實驗室環境2439522311對應電壓值(v)4.7651.8634.3730.216水泥地環境2438322243對應電壓值(v)4.7651.6274.3530.843基于 agv 的自動化物流系統技術指標測試結果(實驗

27、室):agv 控制方式全自動運行速度0-30m/min,無級變速agv 處理器msp430f247導航精度4通訊方式df 無線收發定位精度1.3cm導航方式紅外傳感器引導負載能力0-4.3kg驅動方式直流電機驅動/舵機驅動監視臺控制方式控制站集中監視、調度充電方式自動充電/更換電池裝貨精度2cm運動方向前進、后退、左轉、右轉卸貨精度2cm6 結論結論小車在電量充足狀態時,能沿著黑色的軌道自動平穩行駛,當到達在指定的裝貨區域時,小車自動識別裝貨標記停車發出裝貨請求,等待裝貨系統自動把貨物裝載到小車上;裝貨完畢后,小車繼續沿預定軌道行駛,當到達指定的卸貨區域識別到卸貨標記時自動停車,發出卸貨請求,

28、卸貨系統自動把小車上的貨物卸載下來。當小車在電量不足的情況下,小車自動進入低功耗模式下繼續沿軌跡行駛,當尋找到充電區域,自動進行充電。充電完畢后,小車自動倒車回到原工作軌道繼續裝運貨物。整個設計基本符合原先預定的要求,并且,我們在原有基礎上自行發揮,增加了以下功能:1、自動檢障系統實現障礙物的自動檢測,發現障礙物自動停車報警, 應對緊急和意外情況。2、充分利用 ti 單片機低功耗特點,電量不足時小車運行于低功耗模式,自動完成智能充電。3、增加液晶顯示模塊,使系統各模塊狀態明朗化,即使出現故障,能從液晶顯示數據很快找到引起故障的原因,使整個系統易于調試和維修。7 參考文獻參考文獻1 沈建華.楊艷

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31、216mc815pc715p132hstr?hstvccr71kk1relay-spdtr810kq1npndiode+5+7.2v123irfz44nirfz44n123s12vccp1.7p2.5p2.2p2.1p2.0s0805npnls1speakervccp2.4p2.3rrk2vccst188optoiso1r=10kr1r=100r2out1st188optoiso1r=10kr1r=100r2st188optoiso1r=10kr1r=100r2st188optoiso1r=10kr1r=100r2st188optoiso1r=10kr1r=100r2st188optoiso1

32、r=10kr1r=100r2out2out3out4out5out6ledst188optoiso1r=10kr1r=100r2out7vccgnd1vcc2ov3rs4rw5e6db07db18db29db310db411db512db613db714led+15led-16lcd1602u?lcd1602vccd2ledd1ledr?res2vccvcccs1259ufus_tic3103rs110cs210ufcs410uin 40khzp1.4in1c12c23gnd 4f05c36out7vcc8cx20106ac43.3uc31ur4res2r5200kc5330pr610kvcc

33、us_r1112233vss455vdd67788lm 386o utp1.6123654s?k2d1da-+motor2q?mosfet nvcc +7.2q2s8050p2.6a-+mg1motor1p2.7vccp1.0/taclk/caout12p1.1/tao13p1.2/ta114p1.3/ta215p1.4/smclk16p1.5/ta017p1.6/ta118p1.7/ta219p2.0/alck/ca220p2.1/tainlck/ca321p2.2/caout/ta0/ca422p2.3/ca0/ta123p2.4/ca1/ta224p2.5/rosc/ca525p2.6/adc12clk/ca626p3.0/ucb0ste/uca0clk28p3.1/ucb0stmo/ucb0sda29p3.2/ucb0somi/ucb0scl30p3.3/ucb0clk/uca0ste31p3.4/uca0txd/uca0simo32p3.5/uca0rxd/uca0somi33p3.6/uca1txd/uca1sim

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