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今年的全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽緊張地進(jìn)行著，我所在的團(tuán)隊(duì)在本次比賽中選擇了風(fēng)力擺的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，趁著與非網(wǎng)這次《電賽有約》征文大賽分享一下自己的參賽心得，希望會(huì)對(duì)后面參加此項(xiàng)目的朋友們帶來(lái)一些啟示。
項(xiàng)目的任務(wù)是設(shè)計(jì)一測(cè)控系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)各風(fēng)機(jī)使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，激光筆在地面畫出要求的軌跡。具體的示意圖如圖1，將一長(zhǎng)約60cm~70cm的細(xì)管上端用萬(wàn)向節(jié)固定在支架上，下方懸掛一組（2~4 只）直流風(fēng)機(jī)，構(gòu)成一風(fēng)力擺。風(fēng)力擺上安裝一向下的激光筆，靜止時(shí)，激光筆的下端距地面不超過(guò)20cm。
圖1 風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)示意圖
Step 1 搭出支架，初具雛形
選定題目后，首要任務(wù)是做出一個(gè)簡(jiǎn)易支架，為編程后的調(diào)試作硬件支持。我們團(tuán)隊(duì)在商議后選擇了木質(zhì)材料進(jìn)行第一次嘗試，木質(zhì)材料有著易切割，易拼接的特點(diǎn)，非常適合做一個(gè)初步的支架。實(shí)驗(yàn)室中備有鉆孔機(jī)和鋸條，把大塊木板切割成細(xì)長(zhǎng)條，再打孔，連接，一個(gè)簡(jiǎn)易支架就大致完成了。接來(lái)下的問(wèn)題是支架與風(fēng)力擺長(zhǎng)桿之間的連接，暫時(shí)缺少萬(wàn)向節(jié)這種連接件，于是只能通過(guò)其他方式代替。
大家積極思考，最終想到了兩種方案，第一是用兩節(jié)鏈條（如圖2）加上卡鎖固定進(jìn)行連接，但是，由于鏈條的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這種方案的缺點(diǎn)在于風(fēng)力擺長(zhǎng)桿的運(yùn)動(dòng)方向受到了限制，擺直線時(shí)容易扭動(dòng)，擺正圓時(shí)會(huì)變成橢圓。這一方案最終被否決。
圖2 鏈條
方案二是用一段兩端插入螺紋連接件的軟管進(jìn)行連接（如圖3），如此風(fēng)力擺長(zhǎng)桿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)都毫無(wú)阻礙，幾乎完美地暫時(shí)代替了萬(wàn)向節(jié)。
圖3 軟管
想萬(wàn)向節(jié)的替代方案的過(guò)程，提醒了我生活經(jīng)驗(yàn)的重要性，這些連接件，在生活中多多少少地出現(xiàn)過(guò)，平時(shí)卻留意得太少，覺(jué)得毫不稀奇。殊不知這些小細(xì)節(jié)是能工巧匠們一步步改造后的成果，方便組裝，小巧靈活，十分值得借鑒。
Step 2 拼接風(fēng)扇，動(dòng)力初成
鋪墊這么多，本次項(xiàng)目的重點(diǎn)：風(fēng)扇，終于登場(chǎng)啦！我們選用了0.48A的風(fēng)扇，功率較小。若用兩個(gè)風(fēng)扇作為動(dòng)力，則會(huì)因?yàn)轱L(fēng)力不足而無(wú)法滿足動(dòng)力要求，把用三個(gè)風(fēng)扇和用四個(gè)風(fēng)扇這兩種方案對(duì)比，前者在擺動(dòng)角度的控制上更加困難，于是最后采用四個(gè)風(fēng)扇拼接成為正方形的方式（如圖4），正方形所具有的對(duì)稱性減小了控制的難度。為了聚集風(fēng)力，我們團(tuán)隊(duì)在每個(gè)風(fēng)扇的四周貼上了一圈紙片。一開(kāi)始，為了更強(qiáng)的聚風(fēng)能力，我們將紙片伸出很長(zhǎng)，在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)達(dá)到同樣的要求的情況下，加紙片聚風(fēng)后的風(fēng)扇畫出的直線更直，但也帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，達(dá)到要求時(shí)所需的時(shí)間變長(zhǎng)，這說(shuō)明在風(fēng)吹出的過(guò)程中，紙片給空氣流動(dòng)帶來(lái)了阻力。最后我們決定將紙片剪短，在具備聚風(fēng)能力的同時(shí)有效地減小了阻力。
圖4 風(fēng)扇
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Step 3芯片選擇，電路焊接
使用dsPIC30F4011單片機(jī)作為核心控制模塊，由一塊LCD1602顯示角度數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)。
決定了基本的芯片，下一步就是設(shè)計(jì)并且畫出電路圖的原理圖（如圖5），為電路板的焊接做準(zhǔn)備了。電路原理圖分為8個(gè)部分，分別是主電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路、開(kāi)關(guān)電路、LCD顯示電路、程序燒入電路、蜂鳴器電路。
圖5 部分電路原理圖
根據(jù)完整的電路圖，就可以開(kāi)始焊接電路板了，我們對(duì)于焊接已經(jīng)不陌生，一手電烙鐵，一手焊錫絲，小心控制，避免虛焊。
在完成電路板電路時(shí)最需要耐心的是做接頭（如圖6），一根根將線撥開(kāi)，再將線頭處用剝線鉗剝至裸線狀態(tài)，然后用線座夾緊線頭，最后點(diǎn)錫，插入接頭。完成每一步時(shí)都要細(xì)致，否則很容易接觸不良。
圖6 接頭
耐心和細(xì)致，是焊電路板時(shí)的不二法則，我很享受這一過(guò)程，沉浸其中，將一個(gè)個(gè)零散的元器件組成一個(gè)完整的控制單元，十分有成就感。
Step 4軟件編程，測(cè)試修正
采用了MPLAB IDE v8.70軟件進(jìn)行程序的編寫，第一版本的程序用了定時(shí)器中斷的方法，先測(cè)出擺動(dòng)周期，根據(jù)擺動(dòng)周期設(shè)定定時(shí)器的值。若要直線擺動(dòng)，則兩個(gè)相向的風(fēng)扇交替開(kāi)關(guān)。若要斜線擺動(dòng)，則調(diào)節(jié)相鄰兩個(gè)風(fēng)扇的風(fēng)力大小以確定斜線位置，再將對(duì)角風(fēng)扇交替開(kāi)關(guān)。不斷調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，這樣的開(kāi)環(huán)控制得不到反饋，很容易偏離目標(biāo)，重復(fù)性差。于是加入了傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)距離，閉環(huán)反饋控制。
程序的編寫不會(huì)一蹴而就，需要不斷修正調(diào)試，甚至修改編程思路，找到最優(yōu)的方法。
結(jié)語(yǔ)：
在完成這個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)若不依靠慣性，一個(gè)風(fēng)扇硬吹的動(dòng)力無(wú)法達(dá)到我們想要的擺起角度，只有循序漸進(jìn)，風(fēng)扇交替，才能一次次晃動(dòng)出更大的幅度。同樣，我們只有循序漸進(jìn)，不斷思考，不斷完善，才能讓風(fēng)吹出我們想要的擺動(dòng)，完成這個(gè)挑戰(zhàn)與趣味并存的項(xiàng)目。
最后，展示一張我們最終的成品圖。
圖7 成品
小編寄語(yǔ)：完美收官，感謝趙瑩同學(xué)的詳細(xì)分享，不知參加同類題目比賽的同學(xué)是否已經(jīng)做出的完美作品？如果你也參加過(guò)今年或者往年的電子設(shè)計(jì)大賽，如果你也想分享自己的參賽心得，歡迎繼續(xù)投稿，投稿郵箱：yunyun#eefocus.com（請(qǐng)將#換為@）。
