今年的全国电子设计大赛紧张地进行着,我所在的团队在本次比赛中选择了风力摆的设计项目,趁着与非网这次《电赛有约》征文大赛分享一下自己的参赛心得,希望会对后面参加此项目的朋友们带来一些启示。
项目的任务是设计一测控系统,控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动,激光笔在地面画出要求的轨迹。具体的示意图如图1,将一长约60cm~70cm的细管上端用万向节固定在支架上,下方悬挂一组(2~4 只)直流风机,构成一风力摆。风力摆上安装一向下的激光笔,静止时,激光笔的下端距地面不超过20cm。
图1 风力摆结构示意图
Step 1 搭出支架,初具雏形
选定题目后,首要任务是做出一个简易支架,为编程后的调试作硬件支持。我们团队在商议后选择了木质材料进行第一次尝试,木质材料有着易切割,易拼接的特点,非常适合做一个初步的支架。实验室中备有钻孔机和锯条,把大块木板切割成细长条,再打孔,连接,一个简易支架就大致完成了。接来下的问题是支架与风力摆长杆之间的连接,暂时缺少万向节这种连接件,于是只能通过其他方式代替。
大家积极思考,最终想到了两种方案,第一是用两节链条(如图2)加上卡锁固定进行连接,但是,由于链条的结构特点,这种方案的缺点在于风力摆长杆的运动方向受到了限制,摆直线时容易扭动,摆正圆时会变成椭圆。这一方案最终被否决。
图2 链条
方案二是用一段两端插入螺纹连接件的软管进行连接(如图3),如此风力摆长杆各个方向运动都毫无阻碍,几乎完美地暂时代替了万向节。
图3 软管
想万向节的替代方案的过程,提醒了我生活经验的重要性,这些连接件,在生活中多多少少地出现过,平时却留意得太少,觉得毫不稀奇。殊不知这些小细节是能工巧匠们一步步改造后的成果,方便组装,小巧灵活,十分值得借鉴。
Step 2 拼接风扇,动力初成
铺垫这么多,本次项目的重点:风扇,终于登场啦!我们选用了0.48A的风扇,功率较小。若用两个风扇作为动力,则会因为风力不足而无法满足动力要求,把用三个风扇和用四个风扇这两种方案对比,前者在摆动角度的控制上更加困难,于是最后采用四个风扇拼接成为正方形的方式(如图4),正方形所具有的对称性减小了控制的难度。为了聚集风力,我们团队在每个风扇的四周贴上了一圈纸片。一开始,为了更强的聚风能力,我们将纸片伸出很长,在调试时发现达到同样的要求的情况下,加纸片聚风后的风扇画出的直线更直,但也带来了一个新的问题,达到要求时所需的时间变长,这说明在风吹出的过程中,纸片给空气流动带来了阻力。最后我们决定将纸片剪短,在具备聚风能力的同时有效地减小了阻力。
图4 风扇
Step 3芯片选择,电路焊接
使用dsPIC30F4011单片机作为核心控制模块,由一块LCD1602显示角度数据和相关参数。
决定了基本的芯片,下一步就是设计并且画出电路图的原理图(如图5),为电路板的焊接做准备了。电路原理图分为8个部分,分别是主电路、电压转换电路、驱动电路、传感器电路、开关电路、LCD显示电路、程序烧入电路、蜂鸣器电路。
图5 部分电路原理图
根据完整的电路图,就可以开始焊接电路板了,我们对于焊接已经不陌生,一手电烙铁,一手焊锡丝,小心控制,避免虚焊。
在完成电路板电路时最需要耐心的是做接头(如图6),一根根将线拨开,再将线头处用剥线钳剥至裸线状态,然后用线座夹紧线头,最后点锡,插入接头。完成每一步时都要细致,否则很容易接触不良。
图6 接头
耐心和细致,是焊电路板时的不二法则,我很享受这一过程,沉浸其中,将一个个零散的元器件组成一个完整的控制单元,十分有成就感。
Step 4软件编程,测试修正
采用了MPLAB IDE v8.70软件进行程序的编写,第一版本的程序用了定时器中断的方法,先测出摆动周期,根据摆动周期设定定时器的值。若要直线摆动,则两个相向的风扇交替开关。若要斜线摆动,则调节相邻两个风扇的风力大小以确定斜线位置,再将对角风扇交替开关。不断调试后发现,这样的开环控制得不到反馈,很容易偏离目标,重复性差。于是加入了传感器,实时监测距离,闭环反馈控制。
程序的编写不会一蹴而就,需要不断修正调试,甚至修改编程思路,找到最优的方法。
结语:
在完成这个项目的过程中,我发现若不依靠惯性,一个风扇硬吹的动力无法达到我们想要的摆起角度,只有循序渐进,风扇交替,才能一次次晃动出更大的幅度。同样,我们只有循序渐进,不断思考,不断完善,才能让风吹出我们想要的摆动,完成这个挑战与趣味并存的项目。
最后,展示一张我们最终的成品图。
图7 成品
小编寄语:完美收官,感谢赵莹同学的详细分享,不知参加同类题目比赛的同学是否已经做出的完美作品?如果你也参加过今年或者往年的电子设计大赛,如果你也想分享自己的参赛心得,欢迎继续投稿,投稿邮箱:yunyun#eefocus.com(请将#换为@)。