电子无级调速器设计.doc

目录一、 系统整体方案设计与比较2二、 原理图绘制及仿真软件训练3三、 系统的软件及硬件电路设计6四、 电路仿真级修改11五、 PCB图的绘制及制版13六、 系统的安装调试与故障排除15七、 心得体会18八、 参考文献19课程设计评分表20一、 系统整体方案设计与比较一、实验目的1、明确系统的整体设计方案2、培养系统分析能力二、实验内容针对本次实验内容，进行分析，提出几种设计方案，并综合考虑优缺点，选择合适的方案。三、实验原理与方法本次实验设计的是风扇电子调速系统，是为了能精确控制风扇的转速。四、实验步骤方案一：采用由PWM电路。用单片机控制使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。系统总体设计框图如图1.1所示。单片机控制达林顿管驱动芯片电机图 1.1 方案一系统原理框图方案二：以MCS51单片机为核心，通过温度传感器对环境温度进行数据采集，从而建立一个控制系统，使电风扇随温度的变化而自动变换档位，实现“温度高，风力大，温度低，风力弱”的性能。另外，通过键盘控制面板，用户可以在一定范围内设置电风扇的最低工作温度，当温度低于所设置温度时，电风扇将自动关闭，当高于此温度时电风扇又将重新启动。系统总体设计框图如图1.2所示。键盘输入温度显示单片机系统电机控制模块数字温度传感模块图1.2 方案二系统原理框图两种方案的比较：方案一中设计、操作简单，通过人工控制，改变风速的大小，但每次风力改变，必然有人参与操作，这样势必带来诸多不便。方案二中根据温度变化自控调节风速，带给人们更多的方便，但设计较为复杂，成本较高。根据自身的实际情况，我选择第一种设计方案。二、原理图绘制及仿真软件训练一、实验目的1、掌握Protel、protues、View软件的使用方法2、掌握电路图的绘制和仿真二、实验内容1、练习使用Protel软件，了解一般的绘制系统方法2、练习使用View软件，对该软件有个大概的认识3、练习使用Protues软件，用常用的方法进行仿真三、实验原理与方法本次实验主要用到三种软件：Protues软件，Wave软件，Protel软件。（一）Protel软件介绍Protel是个庞大的EDA软件，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。（二）Protues软件介绍ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合；支持主流单片机系统的仿真；提供软件调试功能；具有强大的原理图绘制功能。（三）SystemView软件介绍KEIL是众多单片机应用开发软件中最优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，甚至ARM，它集编辑，编译，仿真等于一体，它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发51应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。四、实验步骤（一）protel绘制原理图的步骤1、设置好原理图所用的图纸大小。虽然在设计过程中可以更改图纸的大小和属性，但养成良好的习惯会在将来的设计过程中受益。2、制作元件库中没有的原理图符号。因为很多元件在Protel99中并没有收录，这时就需要用户自己绘制这些元件的原理图符号，并最终将其应用于电路原理图的绘制过程之中。3、对电路图的元件进行构思。在放置元件之前，需要先大致地估计一下元件的位置和分布。 4、元件布局。这是绘制原理图最关键的一步。虽然在简单的电路图中，即使并没有太在意元件布局，最终也可以成功地进行自动或手动布线，但是在设计较为复杂的电路图时，元件布局的合理与否将直接影响原理图的绘制效率以及所绘制出的原理图外观。5、对原理图内的图件进行电气连接。这里提到的线路可以是导线、接点或者总线及其分支线。当然，在比较大型的系统设计中，原理图的走线并不多，更多的时候是应用网络标号来代替直接的线路连接。这样做既可以保证电路的电气连接，又可以避免使整个原理图看起来杂乱无章。6、放置注释。这样做可以使电路图更加一目了然，增强了可读性。（二）protues仿真步骤1、元件查找及添加点击Proteus左侧工具栏按钮，进入元件模式，再次点按钮，即可调出元件库，在搜索关键词部分，键入所需元件的关键字，如果库中有相应元件，会在元件区域列出所选元件，双击它，将元件添加到电路图的DEVICES，单击DEVICES区所选元件，在电路图合适的空白区域，单击，即可放置相应元件，然后连线。2、电源和地的放置点击按钮(终端模式下)中的POWER和GROUND，单击POWER或GROUND即可在电路图中放置电源和地。3、系统仿真导入程序文件，进行仿真。（三）view软件使用步骤1点击“project New uVision Project”新建一个工程弹出一个框，在CPU类型下我们找到并选中“Atmel”下的AT89S51或52，然后点击ok；2、建立一个源程序文本点击“Filenew”新建一个文本，在下面空白区别写入或复制一个完整的C程序，然后保存；右击“source group1add file to groupsource group1”创建的源程序文件加入到工程项目文件中；使编译器输出单片机需要的HEX文件。五、实验记录与结论使用protues设计的截图如图2.1所示图2.1 截图结果三、系统的软件及硬件电路设计一、实验目的根据方案一设计电路，设计风扇电子调速的各个单元电路，使其系统的个单元顺利运行。二、实验内容设计风扇电子调速系统硬件电路，该电路包括驱动电路模块，单片机控制模块及电源模块，用protues软件绘制电路图，及用wave软件，设计相应的程序。三、实验原理与方法（一）系统硬件电路模块设计1、驱动电路模块，如图3.1所示。 图3.1 驱动电路模块ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。经常在以下电路中使用，作为：显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 的封装采用DIP16 或SOP16 .ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。2、单片机控制模块，如图3.2所示。图3.2 单片机控制模块PWM控制信号由80C52单片机产生，80c52单片机由CPU和8个部件组成，通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。3、电源、复位部分电路，如图3.3所示。图3.3 电源、复位部分电路（二）系统软件部分的设计1、PWM信号的产生与控制原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。2、程序的思路用定时器T1来产生时钟信号，通过改变PWM信号输出引脚高电平时间来控制占空比。T1定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T1的中断当中改变IO口的电平，也是让IO口输出低电平，通过按键来控制改变定时初值，就可以控制占空比。从而控制电机的转速。四、实验记录与结论1、硬件原理图如图3.4所示。图3.4 硬件原理图2、程序源代码#include unsigned char timer1;int time; sbit PWM=P12;void system_Ini() TMOD = 0x10;TH1 = 0xfe; TL1 = 0x33;TR1 = 1; IE = 0x8A;/*Function: delay_us();Description:延时 单位：微秒/*/void delay_us(unsigned int x) unsigned int i=0; for(i=0;ix;i+) ; main() time=50; system_Ini(); while(1) P2|=0xff;if(P2=0xfe&time0) delay_us(1200); if(P2=0xfd) time-=1;if(timer1100) timer1=0; if(timer1options for project-debug tab。 4、 选中use proteus VSM monitor 51。5、 载入proteus 文件。6、proteus 里DEBUG-use remote debug monitor进入KEIL 的project 菜单option for target 工程名。在DEBUG 选项中右栏上部的下拉菜选中Proteus VSM Monitor-51 Driver。7、打开KEIL, 按F5 开始仿真。四、实验记录及结果仿真结果如图4.2所示图4.2 仿真结果图五、PCB图的绘制及制版一、实验目的1、掌握PCB绘制电路板的过程2、了解PCB制版过程中注意部分及各种工艺要求二、实验内容1、绘制PCB图，并指出制版的过程及工艺要求，关于对电路原理图编辑环境2、确定PCB板的层数、大小，焊盘大小和导线的宽度3、布线生成PCB板三、实验原理、方法与步骤1、绘制正确的原理图和网络表。2、确定元件封装。要完成从原理图到PCB的转换，只有各个元器件对象的连接关系是不够的，还必须知道每一个元件的封装形式（Footprint）。必须先加载PCB元件封装库，并且要确保所有用到的库都已载入。3、设置环境参数。根据自己的习惯设置环境参数，如栅格大小、光标捕捉大小、公制英制单位的转换以及工作层面的颜色等。另外，因为PCB板图由很多层构成，所以还需要对PCB板的图层进行设置。4、规划电路板。这一步主要是对电路板的各种物理参数进行设置，包括电路板是采用双层板还是多层板，电路板的形状、尺寸，电路板的安装方式，在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘，以及在禁止布线层上绘制PCB板的外形轮廓等等。5、导入网络表。网络表中包含了各个元器件的封装形式，以及元件之间的连接关系，因此导入网络表之后就得到了PCB的后续设计的基础。6、元件的布局。应当从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等各方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件，然后布置较大的、占用空间较多的器件和电路的核心元件，最后布置外围的小元件。7、制订详细的布线规则。布线规则包括走线间距、各种线宽、过孔的大小、布线的拓扑结构等，这些规则需要根据所设计的电路板的实际情况进行设置。另外，还要在不希望有走线的区域内放置填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在的布线层。8、PCB布线。这一步骤包括了手工布线、自动布线和手工调整三个小步。9、电路板的引出端的处理。在实际PCB设计中，电源、接地、信号的输入和输出等端必须与外界相连，引出方式根据工艺要求而定。常见的引出方式利用焊盘引出和利用接插件引出；也可以在原理图中添加引出端，而后更新PCB板。10、进行设计规则检查。为了确保电路板图符合设计规则，以及所有的网络均已经正确连接，布线完毕后一定要做设计规则检查。这一步与前面的制订详细的布线规则是相互呼应的，一方面，可以根据制定好的设计规则来检查布线错误；另一方面，如果布线过程中需要忽略某些错误，也可以对设计规则进行修改。11、调整其余层上的信息。全部调完并且通过设计规则检查之后，将所有丝印层的字符拖放到合适位置，注意尽量不要放在元件下面或过孔和焊盘的上面，对于过大的字符可适当缩小。12、保存和导出印制板文件。设计完成后，还要对印制板文件进行整理、存档和打印图纸等工作。此外还可以导出元件明细表，生成电子表格文档作为元件清单等。四、实验记录及结果绘制出的PCB电路板如下图所示图5.1 PCB板的背面图 5.2 PCB板的正面 六、系统的安装调试与故障排除一、实验目的 为了保证电扇电子调速器能够稳定，需对实验系统装置进行具体的元件安装过程，安装与调试方法。二、实验内容对本实验进行安装调试与故障排除，使各元件正常运行。三、实验原理、方法与步骤(一)PCB板元件的焊接过程：1、焊前准备首先要熟悉所焊印制电路板的装配图，并按图纸配料，检查元器件型号、规格及数量是否符合图纸要求，并做好装配前元器件引线成型等准备工作。2、焊接顺序元器件装焊顺序依次为：电阻器、电容器、二极管、三极管、集成电路、大功率管，其它元器件为先小后大。3、对元器件焊接要求：（1）电阻器焊接按图将电阻器准确装人规定位置。要求标记向上，字向一致。装完同一种规格后再装另一种规格，尽量使电阻器的高低一致。焊完后将露在印制电路板表面多余引脚齐根剪去。（2）电容器焊接将电容器按图装人规定位置，并注意有极性电容器其“”与“”极不能接错，电容器上的标记方向要易看可见。先装玻璃釉电容器、有机介质电容器、瓷介电容器，最后装电解电容器。（3）二极管的焊接二极管焊接要注意以下几点：第一，注意阳极阴极的极性，不能装错；第二，型号标记要易看可见；第三，焊接立式二极管时，对最短引线焊接时间不能超过 2S 。（4）三极管焊接注意 e 、b 、c 三引线位置插接正确；焊接时间尽可能短，焊接时用镊子夹住引线脚，以利散热。焊接大功率三极管时，若需加装散热片，应将接触面平整、打磨光滑后再紧固，若要求加垫绝缘薄膜时，切勿忘记加薄膜。管脚与电路板上需连接时，要用塑料导线。（5）集成电路焊接首先按图纸要求，检查型号、引脚位置是否符合要求。焊接时先焊边沿的二只引脚，以使其定位，然后再从左到右自上而下逐个焊接。对于电容器、二极管、三极管露在印制电路板面上多余引脚均需齐根剪去。（二）电路调试任何一个电子电路，甚至是已被他人实验证明是成功可行的电子电路，按照设计的电路原理图，并不能立即投入运行。因为在设计时，对各种客观的因素难以预测，加之元器件参数和不同程度的误差，所以必须通过安装后的调试，发现和纠正设计方案的不足之处，采用措施加以弥补，以使电路达到预期的技术指标。所以，电子电路的调试是保证电路正常工作和性能优良的关键之一。具体步骤如下：1、通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。2、静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。3、动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。（三） 注意事项在通电调试之前，一定要认真检查焊接的电路是否有错焊、漏焊、虚焊等。用万用表欧姆挡，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。用电压表