【正文】 ，氣度影響格局，態(tài)度決定高度，細節(jié)決定成敗?！懊妊坑媱潯笔且粔K“試金石”，更是一個“練金場”。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽給我們提供了一個培養(yǎng)創(chuàng)新、協(xié)作和鉆研精神的平 臺，是大學(xué)生展現(xiàn)自己、積累經(jīng)驗的舞臺。同時，本作品是根據(jù)以人為本的原則，將電機模擬為日常生活中的可以遙控調(diào)速的電風扇，彩色的顯示屏幕更加人性化，這也是本作品的一大創(chuàng)新。 ⑥ 將可調(diào)速的電機模擬運用到實際中去，模擬一個日常生活中的可以遙控調(diào)速 的電風扇。 ④ 在系統(tǒng)中加入溫度傳感器，電機可根據(jù)外界溫度的不同而實現(xiàn)自動調(diào)速功能。 ② 通過鍵盤設(shè)定 PWM 波的占空比達到電機調(diào)速的目的。 圖 545 制動 經(jīng)過仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系 統(tǒng)可以實現(xiàn)基本的調(diào)速功能，并且可以較快速地啟動，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，誤差范圍在可允許范圍。 圖 543 減速 按一次反轉(zhuǎn)按鍵，電機反轉(zhuǎn)，到達 190r/min，如圖所示。 讓電機啟動正轉(zhuǎn)，達到 200r/min，所需時間大致在 左右，如圖所示。 ③ 制動 鍵用于電機制動，停止電機旋轉(zhuǎn)。 本系統(tǒng)各按鍵的功能如下 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 21 ① 加速鍵用于電機加速，每按一次電機轉(zhuǎn)速增加轉(zhuǎn)速。 軟硬件聯(lián)合調(diào)試 當軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試后，進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試及優(yōu)化。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 20 軟件調(diào)試 本程序較大且復(fù)雜，因此采用 C 語言編寫，通過 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)試整個系統(tǒng)。 ② 測試方法 數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止 /導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)；測量模塊板是否可行。 總體軟件框圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 19 圖 411 主程序流程圖 主程序 用 C 語言編寫程序以達到各項功能，具體程序在附錄的程序清單。將問題或事物分解并模塊化這使得解決問 題變得容易，分解的越細模塊數(shù)量也就越多，它的副作用就是使得設(shè)計者考慮更多的模塊之間耦合度的情況。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。 在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。因此，軟件設(shè)計在微機控制系統(tǒng)設(shè)計中 占重要地位。建議用數(shù)學(xué)語言來抽象事務(wù)和問題，因為數(shù)學(xué)是最好的抽象語言，并且它的本質(zhì)就是抽象。 電路設(shè)計 圖 362 紅外接收頭的 OUT 引腳連接到單片機的 I/O 口。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“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 17 接收頭工作原理： 標準的接收頭應(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。 IC是接收頭的處理元件，主要由硅晶和電路組成，是一個高度集成的器件、主要功能有濾波、整形、解碼、放大等功能。 紅外收發(fā)模塊設(shè)計 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，波長在7501150NM。 DS18B20 引腳定義： (1)DQ 為數(shù)字信號輸入 /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接地）。 2176。 C。 C 范圍內(nèi) ,精度為177。 C~+125176。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 15 DS18B20 溫度傳感器模塊設(shè)計 功能介紹 DS18B20 是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 14 電路設(shè)計 圖 341 單片機最小系統(tǒng)原理圖 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 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 上連接一個電容到 VCC，再連接一個電阻到 GND，由此形成一個 RC 充放電回路保證單片機在上電時 RST 腳上有足夠時間的高電平進行復(fù)位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典 型值為 10K 和 10uF。 單片機最小系統(tǒng)模塊設(shè)計 功能介 紹 單片機的最小系統(tǒng)是由組成單片機系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路。當系統(tǒng)的上拉電路用的比較多時，這是一個不可不重視的問題。實物圖如下圖所示： 圖 331 TFT 正面 圖 332 TFT 反面 電路設(shè)計 圖 333 TFT 彩屏顯示電路 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 13 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 ① 上拉電阻 51 單片機的 P0 口驅(qū)動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。 TFT 液晶技術(shù)加快手機彩屏的發(fā)展。能顯示復(fù)雜的圖象，畫面的層次也更加豐富。電動機的轉(zhuǎn)速由單片機調(diào)節(jié) PWM 信號的占空比來實現(xiàn)。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 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 電動機運行狀態(tài) H H L 正轉(zhuǎn) 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 11 H L H 反轉(zhuǎn) H H H 急停 L X X 停止 數(shù)據(jù)來源： 2020 年 《濰 坊學(xué)院學(xué) 報 [ J ] . L298N 在直流電機 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 IO 口 和 分別接入 L298N 輸入端 IN1和 IN2， 可以控制電動機的正反轉(zhuǎn) (輸入端 IN1 為 PWM 信號 ,輸入端 IN2 為低電平 ,電動機正轉(zhuǎn) 。 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。該芯片具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。通過可以看出，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電壓峰值。 最大整流電流： 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 9 最高反向工作電壓： ② 對濾波電路 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。圖中 D D2 在電路中氣保護作用 ，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護電路，防止電路中的電容放電時的高壓把 集成穩(wěn)壓器 燒壞。 圖 231 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 7 3 單元 模塊設(shè)計 電源模塊 設(shè)計 功能介紹 圖 311 直流穩(wěn)壓電源的原理框圖和波形變換 由于電路中需要兩個電壓： 12V 和 5V，電源中用了 7812 和 7805 兩個 三端集成穩(wěn)壓 塊。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實 現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。本文所研究的直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。本 系統(tǒng)以 89C51 單片機為核心，通過單片機控制， C 語言編程實現(xiàn)對直流電機的平滑調(diào)速。通過改變直流電機電樞上電壓的 “占空比 ”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。由 C 語言程序驅(qū)動單片機運行，分別在按下加速、減速、停止、反轉(zhuǎn)鍵來實現(xiàn)電機的調(diào)速。由 L298 芯片組成的驅(qū)動模塊，因為 L298N 電機驅(qū)動芯片是一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可直接用單片機的 I/O 口提供信號；并且驅(qū)動電路簡單， input1input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)； Enable 控制電機停轉(zhuǎn)， OUT OUT2 之間分別接1 個電機；對于本設(shè)計直流電動機的驅(qū)動，完全滿足于需要。因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。定頻調(diào)寬法：保持周期 T(或頻率 )不變，同時改變 1t 和 t 。 而改變占空比 D 的值有三種方法：調(diào)寬 調(diào)頻法：保持 t 不變，只改變 1t ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。占空比 D 表示了在一個周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 5 值，變化范圍為 0≤D≤1。也正因為如此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。例如，一個 PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是 200us，那么低電平的時間肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說 PWM 的占空比就是 1： 5。 PWM 調(diào)速可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。這種方法稱為 脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)即 PWM控制 . 這里我采用了第一種改變電機兩端電壓的方法，采用脈沖控制 PWM，改變占空比，從而改變電機兩端電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ??4 。在降低電樞端電壓時，電動機的機 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 4 械特性硬度不變，轉(zhuǎn)速受負載波動的影響較小，速度的穩(wěn)定性好，而且不管拖動哪一類負載，只要電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速就可以連續(xù)變化，該方法可以實現(xiàn)無級調(diào)速，多用于對調(diào)速性能要求較高的設(shè)備上。調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法一般不超過額定電壓 aU 。該方法多用于對調(diào)速性能要求不高，而且不經(jīng)常調(diào)速的設(shè)備上；勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時，轉(zhuǎn)速越高，換向越困難。同時所串的調(diào)速電阻上通過很大的電樞電流，會產(chǎn)生很大的功率損耗，轉(zhuǎn)速越低。 在上述三種方法中，電樞回路串電阻后機械特性變軟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速受負載波動的影響較大，空載和輕載時能夠調(diào)速的范圍非常有限。 apNCE 60? （ 22） 其中 p為電磁對數(shù)， a 為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N為導(dǎo)體數(shù)。 2 總體方案設(shè)計 方案比較及論證 直流電機的調(diào)速方法 直流電機是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機，與交流電機相比，直流電機 因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、價格較貴等因素制約了他的發(fā)展，應(yīng)用不如交流電機廣泛，但是，因為直流電機具有優(yōu)良的起動、調(diào)速和制動性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中占有一席之地。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為 元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計劃報告 2 提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能 [2]。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 ， 到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展 水平的制約，在上世紀 80 年代以前一直未能實現(xiàn)。直流電機調(diào)速基本原理是比較簡單的（相對于交流電機），只要改變電機的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。采用的原理是 PWM 占空比調(diào)速， PWM 占空比調(diào)速 是一種常用的調(diào)速方法，它通過改變負載兩端的電樞電壓，調(diào)整高低電平的時間長短來控制占空比從而實現(xiàn)調(diào)速。我們生活中熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，也都不能