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1、邵阳学院专业综合实验报告第一部分 整体方案设计与比较一、实验目的1.掌握系统整体方案设计和进行需求和可行性分析2.运用所学知识对系统设计方案的分析、确定要选用的设计系统。二、实验内容针对本次课题，进行需求和可行性分析，提出几种总体设计方案，画出系统框图，并综合考虑其优缺点，如系统的复杂程度、调速的精度误差、时间误差和系统的性价比，最终确定一套方案为本课题采纳的方案。三、实验原理与方法本次所设计的风扇电子调速系统，目的就是实时精确控制风扇的转速。风扇是电机拖动的产物，对于小功率直流风扇来说其实质就是直流电机。四、实验步骤1.方案设计目前，各种风扇动力部分都采用的是电动机，电机调速控制模块主要有以
2、下三种方案： （1）采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；电机电源模块数字电位器图1 方案一框图（2）全功能红外遥控电风扇系统由遥感控制转速，从而达到目的；方案二图如下：主令控制器微处理器红外发射电路主令控制器微处理器红外发射电路图2.1 红外线发射电路方框图红外接收电路微处理器风扇控制电路图2.2 红外线接收控制部分方框图（3）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。达林顿管驱动芯片单片机控制电机图3 方案三系统框图五、实验记录与结论通过对本次课题的调查和分析，总结出了三种方案。然后再对这三种方案的优缺点进行比较，最后确定采
3、用第三种作为本次设计的方案。在第一套方案中，主要采用了数字电位器，数字电位器是一种用数字信号控制其阻值改变，从而改变电机两端的电压值，数字电位器具有噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点，但是，数字电位器额定阻值误差大、电路复杂、温度系数大，这在很大程度上影响了速度控制的精度，所以不采纳这种方式。在第二套方案中采用的电风扇是采用全功能红外遥控的电风扇电路，有正常风、自然风、睡眠风三种功能，控制自动摇头，但利用红外线来发射的话，存在很多的不足，因为它是利用砷化钾发光二极管来控制的，它所发射出的光波在0.93微米左右。发射和接收红外线也由相应的集成电路来完成，同时在红外线的传播中，它存在灵敏度不高、
4、非得对准等缺陷。本次设计采用的第三套方案，利用单片机高分辨率计数器，产生精确的脉冲信号，并且对脉冲信号中的占空比进行精确控制，从而达到了精确控制电机转速的目的。同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强，从而控制的效率也非常高。所以综合比较这几种设计方案，方案三最符合此次设计要求。4第二部分 系统所用软件介绍与训练一、实验目的1.掌握绘制原理图的方法和Proteus软件的使用、了解仿真软件，SystemView仿真软件的使用方法和各软件的基本功能。2.掌握各种软件的基本操作，仿真系统。二、实验内容练习使用Proteus软件，以单片机
5、控制交通灯为例，用常用的仿真方法和步骤进行仿真。练习使用systemView软件，对该软件有一个感性的认识，了解SystemView设计窗口和SystemView图符库三、实验原理与方法本次实验主要用到了Proteus软件和SystemsView软件。 (一)Proteus软件介绍：Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Prot
6、eus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。(二)SystemView软件介绍：SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。使用它，用户可以用图符（Token）去描述自己的系统，无需与复杂的程序语言打交道，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，它可用于各种线性
7、或非线性控制系统的设计和仿真。SystemView的图符资源十分丰富，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。还可进行CDMA通信系统和数字电视业务的分析；用户还可以自己用C语言编写自己的用户自定义库。SystemView能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。在系统设计和仿真方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形，也可完成对仿真运行结果的各种运算、频谱分析、滤波。四、实验步骤 (一)使用Proteus仿真的步骤1. 添加元件；添加本次仿真所需要的元件到元件列表。2. 放置元件；将添加
8、进来的元件，放置到原理图编辑区中。3. 电路图布线；将所需的各个元件用线路连接起来。4. 系统仿真；导入程序文件，进行仿真，观察结果。(二)SystemView软件的使用：1.安装SystemView，对该软件有一个感性认识运行svu_32.exe启动安装程序，根据SystemView安装软件说明，在安装开始界面上选择“Install SystemView”选项，按照提示选择“NEXT”就可以完成安装。安装完后选择Professional项，输入注册码将其激活。至此SystemView软件在电脑上安装完毕。2.了解SystemView设计窗口启动SystemView后就会出现系统设计窗口。它包
9、括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。其中设计窗口工作区是用于设置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操作；提示栏用于显示系统仿真的状态信息、功能快捷键的功能信息提示和图符的参数显示；滚动条用于移动观察当前的工作区域。当鼠标器位于功能图符上时，则该图符的具体参数就会自动弹出显示。3.了解SystemView图符库、SystemView分析窗口SystemView图符库在系统设计窗口左侧，它提供了9个基本的图符库和6个扩展的图符库。使用这些图符时只需用鼠标器拖动放入设计工作区即可，也可直接在该图符图标上双击鼠标器。在设计工作区内双击图符，则可以定义该图符的具体功能和
10、参数。分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具。提示信息区显示分析窗口的状态信息、坐标信息和分析的进度指示；活动图形窗显示输出的各种图形，如波形图、功率谱、眼图等。五、实验记录与结论使用Proteus设计的交通灯显示实例截图：图1 proteus软件中单片机数码管显示仿真图SystemView系统设计截图：图2 SystemView系统设计窗口第三部分 系统程序设计及硬件设计一、实验目的掌握系统硬件电路部分设计的思路和单元模块设计的方法、理解模块化编程的概念、编出简单系统程序。二、实验内容设计该风扇电子调速系统硬件电路，分模块设计，电路模块包括驱动电路模块，单片机控制模块和电源
11、模块，使用proteus软件制作原理图中需要的元件，并画出原理图。用Keil软件，设计出系统软件的C语言程序代码。使用模块化编程的方法，程序模块分为定时模块，PWM信号产生模块，各个模块之间连接紧密。最后编译通过生成.HEX文件。再把编译的程序加载到设计的芯片中。三、实验原理与方法系统硬件电路模块设计：1.驱动电路模块，如下图：图1 电机驱动电路ULN2003A功能介绍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、直流电机、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7
12、K 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。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。由于输出电流大，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。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7k的
13、电阻，可直接与TTL或5V CMOS器件连接。ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。2.控制模块，如下图：图2 单片机控制部分PWM控制信号由80C52单片机产生，8052单片机由CPU和8个部件组成，它们都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。其基本组成如下图所示： 图3 单片机内部框图3.时钟、复位模块，如下图：图4 电源、复位部分电路单片机的时钟是由12MHZ的晶振提供，
14、复位电路用来实现上电自动复位的功能，电路如图所示。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。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示：图 5 PWM信号示意图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
15、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。严格来说，平均速度Vd 与占空比并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。程序的思路是：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、实验记录与结论硬件原理图如下：
