隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷 進(jìn)步，現(xiàn)代電機(jī)控制方式發(fā)生了較大改變，如以微控 制芯片為核心的數(shù)字控制正在逐步取代傳統(tǒng)模擬控 制，無線通信手段正在替代原有的有線通信?，F(xiàn)代直 流調(diào)速系統(tǒng)具有控制智能化、通信無線化、操作更加 便捷化等特點(diǎn)。其中，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)因其制動 效率高、控制系統(tǒng)良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)智能的直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

1智能調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本文從智能調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的框架結(jié)構(gòu)出發(fā)， 主要介紹了本地控制和PC 機(jī)控制系統(tǒng)以及ZigBee 無線控制系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)硬件電路主要包含單片機(jī)模塊、測速模塊、人機(jī)界面模塊、ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、LCD12864 液晶顯示模塊等。

1.1本地控制和PC 機(jī)控制系統(tǒng)

本地控制和PC 機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下7 個(gè)模塊組成，如圖1 所示。

（1）單片機(jī)模塊：微處理的核心芯片，主要產(chǎn)生各種占空比的PWM 波形。

（2）ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊：以CC2530 為核心， 進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，組建物聯(lián)網(wǎng)。

（3）測速模塊：利用霍爾傳感元件進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速測試。

（4）按鍵模塊：矩陣鍵盤，負(fù)責(zé)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，啟動、停止等命令輸入。

（5）人機(jī)界面模塊：串口通信，上位機(jī)操作、信號檢測。

（6）電機(jī)驅(qū)動模塊：直流電機(jī)的驅(qū)動器。

（7）LCD12864 液晶顯示模塊：顯示窗口。

圖1 本地控制和PC機(jī)控制系統(tǒng)

1.2 ZigBee 無線控制系統(tǒng)

ZigBee 是一種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，可以滿足短距離和低速度的無線通信傳輸。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，一般是一個(gè)層只負(fù)責(zé)一種功能，數(shù)據(jù)只在相鄰兩個(gè)層之間進(jìn)行流動。無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee 可以分為5 層：物理層（PHY）；媒體訪問控制層（MAC）；網(wǎng)絡(luò)層；應(yīng)用支持層（APS）；應(yīng)用層（APL）。采用分層結(jié)構(gòu)的思想有很多優(yōu)點(diǎn)，例如當(dāng)協(xié)議的一小部分發(fā)生變化時(shí)，可以只負(fù)責(zé)修改本層的內(nèi)容，而不需要更改其他層，有利于設(shè)備的分工與管理。ZigBee 技術(shù)具有高可靠性、低成本、高安全性、組網(wǎng)方便、實(shí)時(shí)性好、低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

ZigBee 無線控制系統(tǒng)框架，主要由單片機(jī)、Zig- Bee 數(shù)據(jù)傳輸模塊和按鍵模塊組成。

（1）單片機(jī)部分：處理和轉(zhuǎn)換模擬信號。

ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊：信號傳輸，組建局域網(wǎng)絡(luò)。

（3）按鍵模塊：負(fù)責(zé)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，啟動、停止等命令輸入。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主要采用分層設(shè)計(jì)法，由淺入深，由模塊程序到系統(tǒng)程序，由獨(dú)立程序要整體程序，層層遞進(jìn)、逐層深入，最終完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

2.1主程序的設(shè)計(jì)

主程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、模塊化思想的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)思想有利于維護(hù)和移植程序的可讀。系統(tǒng)的程序機(jī)構(gòu)主要包括主程序、系統(tǒng)宏定義、LCD 顯示函數(shù)、鍵盤處理函數(shù)、串口通信函數(shù)、電機(jī)控制函數(shù)。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電啟動后，首先，初始化人機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)和系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)。然后，本地系統(tǒng)準(zhǔn)備接收指令控制電機(jī)的運(yùn)作。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)電機(jī)的智能控制方式有3 種選擇方式：本地控制、無線按鈕遠(yuǎn)程控制、PC 上位機(jī)控制。通過3 種設(shè)計(jì)的控制方式可以完成電機(jī)運(yùn)行速度的設(shè)定、電機(jī)的啟動與停止。系統(tǒng)主機(jī)會監(jiān)測系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)各模塊的信號傳輸情況。

2.2按鍵掃描模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能，存在一個(gè)人機(jī)交互上位 機(jī)設(shè)計(jì)，需要給系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，根據(jù)指令來控 制整個(gè)系統(tǒng)的工作。該系統(tǒng)電機(jī)采用智能化控制方 式，有以下幾種方式：本地控制、無線按鈕遠(yuǎn)程控制、PC 上位機(jī)控制以及后期的安卓APP 控制等。本文介紹的本地控制方式、無線按鈕遠(yuǎn)程控制和PC 上位機(jī)控制都是通過命令解析，命令的執(zhí)行方式和本地控制 是一樣的。首先，檢測是否有按鍵按下，當(dāng)按鍵被按 下時(shí)，判斷按鍵的數(shù)值并且進(jìn)行譯碼。其次，譯碼過 后需要判斷按鍵所要求的功能，根據(jù)選擇相應(yīng)的功能 進(jìn)行工作。

2.3數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序設(shè)計(jì)

電機(jī)的控制方式有多種：本地控制、無線按鈕遠(yuǎn)程控制、PC 上位機(jī)控制等。無線按鈕遠(yuǎn)程控制和PC 上位機(jī)控制兩種控制方式需要給電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送電機(jī)運(yùn)行指令，根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的功能設(shè)計(jì)要求。

2.4電機(jī)測速程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度檢測方式，采用成熟的霍爾檢測法，在電機(jī)的轉(zhuǎn)盤上安裝有4 個(gè)霍爾傳感器。當(dāng)位于電機(jī)上的轉(zhuǎn)盤開始轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)盤上的霍爾傳感器會輸出一個(gè)脈沖信號，單片機(jī)就會檢測到這個(gè)脈沖信號并通過相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以計(jì)算出電機(jī)的運(yùn)行速度。

軟件系統(tǒng)主要從思路分析、功能流程入手，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)介紹了按鍵掃描模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊、電機(jī)測速模塊、顯示模塊等單元電路的核心程序，在設(shè)計(jì)模塊程序之前，先設(shè)計(jì)對應(yīng)的流程圖，邊設(shè)計(jì)、邊編程、邊調(diào)整，完善模塊電路的軟件設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的直流電機(jī)PWM 智能調(diào)速系統(tǒng)。

3人機(jī)界面平臺和進(jìn)程管理塊設(shè)計(jì)

對于人機(jī)界面而言，不僅要使用正常，還要盡可能美化。通過人機(jī)界面的信息交互、設(shè)置參數(shù)來改變直流電機(jī)的工作模式，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的上位機(jī)控制，從而成功實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制下位機(jī)。對于進(jìn)程管理塊（Process Control Block，PCB）設(shè)計(jì)而言，在保證電路功能的基礎(chǔ)上，元器件的布局盡可能的科學(xué)、合理，板子的尺寸應(yīng)控制在一定范圍，電路的走線應(yīng)規(guī)范、美觀。

3.1人機(jī)界面簡介

VB 是Visual Basic 的簡稱，編程語言為可視化編程Basic 語言，也是在 VB 開發(fā)環(huán)境下的編程語言。通過人機(jī)界面的信息交互，設(shè)置參數(shù)來改變直流電機(jī) 的工作模式，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的上位機(jī)控制，從而成功 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制下位機(jī)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人機(jī)界面包 括菜單、窗體和控制等設(shè)計(jì)元素。

（1）菜單：選擇程序的運(yùn)行功能。

（2）窗體：一個(gè)可以調(diào)整控件和菜單位置的容器。

（3）控制：可通過一個(gè)按鈕程序來發(fā)送信號，再通過文本框輸來入數(shù)據(jù)，是人機(jī)界面的主要對象。

3.2PCB 設(shè)計(jì)軟件簡介

Protel DXP 是由Altium 公司開發(fā)的軟件，在系統(tǒng)PCB 設(shè)計(jì)方面，主要利用 PROTEL DXP 軟件繪制原理圖，生成網(wǎng)絡(luò)報(bào)表，設(shè)計(jì)PCB 并制版。主要有以下特點(diǎn)：

（1）Protel 是Windows 操作系統(tǒng)中的優(yōu)秀軟件，有著友好的操作界面，方便設(shè)計(jì)師的使用和管理工 程文件，從而可以大大提高設(shè)計(jì)師工作的效率。

（2）Protel 是一個(gè)兼容多版本設(shè)計(jì)的文件與工程，可兼容新老版本。

（3）Protel 的電子元件的集成庫非常全面。在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)就可以使PCB 封裝確定。

PCB 設(shè)計(jì)軟件提高了電子線路的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，主要功能是PCB 設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)、CAM 文件的編輯和驗(yàn)證等功能。