【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為 10%，實(shí)際選用二極管時(shí)，應(yīng)至少有 10%的量。 最大整流電流： 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 9 最高反向工作電壓： ② 對(duì)濾波電路 電容濾波電路是利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。當(dāng)副邊電壓 u2 處于正半周期并且數(shù)值大于電容兩端電壓 uc 時(shí)，對(duì)電容 C 進(jìn)行充電；當(dāng) u2 達(dá)到峰值后開(kāi)始下降是，電容 C 通過(guò)負(fù)載 RL 放電；當(dāng) u2 的負(fù)半周幅值變化到恰好大于 uc 時(shí)，再次對(duì) C 進(jìn)行充電。（電流方向如圖 7 所示） 濾波電路的輸出電壓曲線如圖 8 所示 , 濾波電解電容 C 的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù) RLC 大于充電周期的 3～ 5 倍，其耐壓值必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來(lái)說(shuō)，脈動(dòng)電壓峰值為 2U2， C 的充電周期等于交流電源周期 T 的一半，即 C≥ (3~5) T2RL，式中 RL 為整流后的等效負(fù)載電阻。通過(guò)可以看出，經(jīng)濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值也得到提高。 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 設(shè)計(jì) 功能介紹 L298N 是 SGSTHOMSON Microelectro nics 所出產(chǎn)的全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 ,內(nèi)部包含四信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，接受標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)。該芯片具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路?？梢灾苯油ㄟ^(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可以直接用單片機(jī)的 I/O 口提供模擬時(shí)序信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，使用方便。 L298N的引腳如圖 31 所示，外形圖如 32 所示，輸入輸出端如圖 33 所示。 Pin1 和Pin15 可與電流偵測(cè)電阻連接來(lái)控制負(fù)載的電路； OUT OUT和 OUTOUT4 之間分別接兩個(gè)電機(jī)； input1input4 輸入控制電位來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn) ；Enable 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn) ??6 。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 10 圖 321 L298N 引腳圖 圖 322 外形圖 L298 的輸入輸出關(guān)系如下表所示： 表 31 L298N 輸入輸出關(guān)系 ENA IN1 IN2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài) H H L 正轉(zhuǎn) 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 11 H L H 反轉(zhuǎn) H H H 急停 L X X 停止 數(shù)據(jù)來(lái)源： 2020 年 《濰 坊學(xué)院學(xué) 報(bào) [ J ] . L298N 在直流電機(jī) PWM 調(diào) 速 系 統(tǒng) 中 的應(yīng)用 》 根據(jù) L298N 的輸入輸出關(guān)系 ,使能控制端 ENA 接 AT89C51 的 口 ,并連接示波器顯示占空比 ,單片機(jī) IO 口 和 分別接入 L298N 輸入端 IN1和 IN2， 可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn) (輸入端 IN1 為 PWM 信號(hào) ,輸入端 IN2 為低電平 ,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 。輸入端 IN2 為 PWM 信號(hào) ,輸入端 IN1 為低電平 ,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) )。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。 電路設(shè)計(jì) L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)如下圖： 圖 323 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 12 彩屏顯示模塊設(shè)計(jì) 功能介紹 TFT（ Thin Film Transistor）即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，屬于液晶 顯示器 中的一種 ，也就是“真彩” (TFT)。能顯示復(fù)雜的圖象，畫(huà)面的層次也更加豐富。 TFT的特點(diǎn)是亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷。 TFT 液晶技術(shù)加快手機(jī)彩屏的發(fā)展。彩屏手機(jī)中基本上 26 萬(wàn)到 130 萬(wàn)顯示，有的甚至支持 1600 萬(wàn)色，這時(shí) TFT 的高對(duì)比度，色彩豐富的優(yōu)勢(shì)就非常重要了。實(shí)物圖如下圖所示： 圖 331 TFT 正面 圖 332 TFT 反面 電路設(shè)計(jì) 圖 333 TFT 彩屏顯示電路 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 13 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇 ① 上拉電阻 51 單片機(jī)的 P0 口驅(qū)動(dòng)顯示模塊上拉電阻通常用 10k,電阻太小將使系統(tǒng)功耗增加，電阻太大將使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱。 1k 的上拉電阻，輸出電平 0時(shí)需要灌入約 5mA 的電流（電源 5V 的情況下）。當(dāng)系統(tǒng)的上拉電路用的比較多時(shí)，這是一個(gè)不可不重視的問(wèn)題。 ② 電位器 上圖 R9 為 TFT 彩屏對(duì)比度調(diào)節(jié)電位器，通常采用 5K~10K 即可。 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 功能介 紹 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由組成單片機(jī)系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機(jī)之外，還需要包括電源供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖下圖所示。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 14 電路設(shè)計(jì) 圖 341 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇 ① 上電復(fù)位： STC89 系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳 RST 上連接一個(gè)電容到 VCC，再連接一個(gè)電阻到 GND，由此形成一個(gè) RC 充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí) RST 腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典 型值為 10K 和 10uF。 ② 振蕩電路： STC89C51 使用 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 15 DS18B20 溫度傳感器模塊設(shè)計(jì) 功能介紹 DS18B20 是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。 測(cè)量溫度范圍為 55176。 C~+125176。 C，在 10~+85176。 C 范圍內(nèi) ,精度為177。 176。 C。 DS1822 的精度較差為177。 2176。 C 。 DS18B20 引腳定義： (1)DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； (2)GND 為電源地； (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 圖 351 引腳圖 圖 352 DS18B20 實(shí)物圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 16 電路設(shè)計(jì) DS18B20 的 DQ 引腳連接到刀片機(jī)的 I/O 端口。 紅外收發(fā)模塊設(shè)計(jì) 功能介紹 紅外接收是指使用紅外接收頭接收紅外線發(fā)射管所發(fā)出的紅外線，波長(zhǎng)在7501150NM。 紅外接收頭結(jié)構(gòu)： 紅 外接收頭內(nèi)部有兩個(gè)重要元件，分別是 IC 和 PD。 IC是接收頭的處理元件，主要由硅晶和電路組成，是一個(gè)高度集成的器件、主要功能有濾波、整形、解碼、放大等功能。 PD 是光敏二極管，主要功能是接收光信號(hào)。結(jié)構(gòu)如下圖： 圖 361 紅外接收頭內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 17 接收頭工作原理： 標(biāo)準(zhǔn)的接收頭應(yīng)用電路， 100 歐的電阻是限流電阻， 10 以上的上拉電阻，電容的作用是濾波。 載波頻率 ，脈沖寬度 600us 左右，根據(jù)芯片而定，一般 400600800. 接收波長(zhǎng)：接收頭接收紅外光曲線，接收的范圍是 7501150，在 940NM的左右的波長(zhǎng)段是接收效果最好的，因此遙控器的發(fā)射管波長(zhǎng)是 940nm。 電路設(shè)計(jì) 圖 362 紅外接收頭的 OUT 引腳連接到單片機(jī)的 I/O 口。 軟件設(shè)計(jì)是把許多事物和問(wèn)題抽象起來(lái)，并且抽象它們不同的層次和角度。建議用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)抽象事務(wù)和問(wèn)題，因?yàn)閿?shù)學(xué)是最好的抽象語(yǔ)言，并且它的本質(zhì)就是抽象。 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。 為了完成上述 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 18 任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。 模塊程序設(shè)計(jì)法將復(fù)雜的問(wèn)題分解成可以管理的片斷會(huì)更容易。將問(wèn)題或事物分解并模塊化這使得解決問(wèn) 題變得容易，分解的越細(xì)模塊數(shù)量也就越多，它的副作用就是使得設(shè)計(jì)者考慮更多的模塊之間耦合度的情況。 模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： ① 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫(xiě)及調(diào)試； ② 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用； ③ 模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。 總體軟件框圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 19 圖 411 主程序流程圖 主程序 用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序以達(dá)到各項(xiàng)功能，具體程序在附錄的程序清單。 5 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試 硬件測(cè)試 測(cè)試儀器與方法 ① 測(cè)試儀器 測(cè)試儀器包括數(shù) 字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器等。 ② 測(cè)試方法 數(shù)字萬(wàn)用表主要用來(lái)測(cè)試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止 /導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)；測(cè)量模塊板是否可行。 軟件 KEIL4 用于調(diào)試軟件； 直流穩(wěn)壓電源在測(cè)試期間為各待測(cè)系統(tǒng)供電； 示波器用來(lái)檢測(cè)顯示單片機(jī)發(fā)出的 PWM 波； 電機(jī)運(yùn)行調(diào)試； 掌握電機(jī)運(yùn)行速度與軟件設(shè)定值的關(guān)系，與軟件算法協(xié)調(diào)調(diào)試，使靜態(tài)誤差最小。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 20 軟件調(diào)試 本程序較大且復(fù)雜，因此采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò) keil 軟件的不斷修改，采用自下而上的調(diào)試方法，先調(diào)試功能電路，再調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。在調(diào) 試的過(guò)程中與硬件的調(diào)試相結(jié)合，提高了調(diào)試的效率。 軟硬件聯(lián)合調(diào)試 當(dāng)軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試及優(yōu)化。 軟件仿真 本次所用仿真軟件為題目推薦的 Proteus 軟件，仿真原理圖如下圖所示： 圖 541 仿真原理圖 本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的按鍵操作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速、減速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)功能。 本系統(tǒng)各按鍵的功能如下 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 21 ① 加速鍵用于電機(jī)加速，每按一次電機(jī)轉(zhuǎn)速增加轉(zhuǎn)速。 ② 減速鍵用于電機(jī)減速，每按一次電機(jī)轉(zhuǎn)速減小轉(zhuǎn)速。 ③ 制動(dòng) 鍵用于電機(jī)制動(dòng)，停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 ④ 反轉(zhuǎn)鍵用于電機(jī)反轉(zhuǎn)，每按一次電機(jī)反轉(zhuǎn)。 讓電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，達(dá)到 200r/min，所需時(shí)間大致在 左右，如圖所示。 圖 542 加速正轉(zhuǎn) 按一次減速鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小 10r/min，到達(dá) 190r/min，如圖所示。 圖 543 減速 按一次反轉(zhuǎn)按鍵，電機(jī)反轉(zhuǎn)，到達(dá) 190r/min，如圖所示。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 22 圖 544 反轉(zhuǎn) 按一次制動(dòng)鍵，電機(jī)制動(dòng)，轉(zhuǎn)速較大時(shí)，電機(jī)可以快速制動(dòng)到接近零，之后緩慢減速，如圖所示。 圖 545 制動(dòng) 經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系 統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基本的調(diào)速功能，并且可以較快速地啟動(dòng)，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，誤差范圍在可允許范圍。 6 系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 ① 系統(tǒng)具有獨(dú)立供電系統(tǒng)。 ② 通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定 PWM 波的占空比達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。 ③ 系統(tǒng)具有液晶顯示功能，可以顯示個(gè)人信息、溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)信息，并切字體顏色隨溫度的變化而變化。 ④ 在系統(tǒng)中加入溫度傳感器，電機(jī)可根據(jù)外界溫度的不同而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速功能。 ⑤ 在系統(tǒng)中加入紅外傳感器，電機(jī)可通過(guò)紅外遙控器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)速功能。 ⑥ 將可調(diào)速的電機(jī)模擬運(yùn)用到實(shí)際中去，模擬一個(gè)日常生活中的可