PICDEM? Mechatronics演示板：開啟機電一體化設(shè)計學習之旅

在機電一體化設(shè)計領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的學習工具能讓工程師和愛好者們更高效地掌握相關(guān)知識和技能。PICDEM? Mechatronics演示板就是這樣一款產(chǎn)品，它為對機電一體化設(shè)計感興趣的人提供了一個絕佳的學習平臺。

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1. 認識PICDEM? Mechatronics演示板

1.1 簡介

PICDEM? Mechatronics旨在成為機電一體化設(shè)計的學習工具。機電一體化是將電子控制集成到機械系統(tǒng)中，或者用電子解決方案替代機械部件。PICmicro?微控制器因其體積小、效率高、速度快以及豐富的外設(shè)配置，非常適合用于機電一體化系統(tǒng)。從簡單的機電開關(guān)到超音速噴氣式飛機的復雜穩(wěn)定控制，機電一體化系統(tǒng)的應用范圍廣泛。在現(xiàn)代家電和汽車市場，機電一體化設(shè)計也越來越常見，例如現(xiàn)代洗衣機就采用了微控制器來管理循環(huán)時間、讀取用戶輸入并調(diào)節(jié)攪拌和旋轉(zhuǎn)周期的速度。

1.2 亮點

該演示板涵蓋了快速入門指南、開發(fā)套件內(nèi)容、布局、所需工具、設(shè)置以及通用信息等方面。

1.3 快速入門

演示板在工廠已預編程了演示程序。使用前需按以下步驟配置：

• 板卡設(shè)置：用螺絲刀將直流電機的引線連接到Drive 1和Drive 2；用跳線將POT1（J4）連接到C1 - （J13），P1（J1）連接到RD7（J10），N2（J1）連接到RD2（J10），并在JP8上連接右和中間引腳。
• 板卡上電：可通過多種方式供電，如使用9 - 12 VDC（最小0.75安培）電源連接J9、連接到P21和P20螺絲端子、連接9 VDC電池或連接5 VDC（最小1.2安培）電源到TP2或TP3。
• 演示程序：按下CLR FAULT（SW5），轉(zhuǎn)動POT1可調(diào)節(jié)電機速度，LCD會顯示POT1位置的8位十六進制解釋。還可嘗試移動跳線到不同傳感器，觀察電機和LCD顯示的變化。

1.4 開發(fā)套件內(nèi)容

套件包含PICDEM? Mechatronics印刷電路板（PCB）及電機、預編程的PIC16F917 PICmicro?設(shè)備、10根跳線、8個2針分流器、包含用戶指南和技術(shù)文檔的CD - ROM、樣品套件（含PIC16F690和PIC12F509設(shè)備）、Microchip螺絲刀和注冊卡。

1.5 布局

PICDEM? Mechatronics板上有40引腳和20引腳的插座，分別用于安裝PIC16F917和PIC16F690微控制器。部分引腳為專用連接，連接到開關(guān)、LCD、編程接口和串口等組件，其余引腳可通過跳線連接到其他組件。使用跳線連接組件有三個好處：讓用戶通過實際操作獲得知識和經(jīng)驗；板上外設(shè)多于微控制器引腳，可實現(xiàn)更多功能；便于用戶自行實驗。

1.6 所需工具

完成后續(xù)項目需要PICkit?2微控制器編程器（部件號DV164120）或MPLAB? ICD 2在線調(diào)試器/編程器（部件號DV164007，包含9 VDC電源和串口電纜）。

1.7 板卡設(shè)置

• 跳線設(shè)置：除JP8外，移除所有2針分流器，JP8上的分流器應連接在最右側(cè)位置，確保驅(qū)動級由+5 VDC供電。
• 板卡上電：按上述多種方式供電，上電后“PWR ON” LED應亮起，“FAULT” LED也會亮起，按下SW5清除故障后，板卡即可用于項目。

1.8 通用信息

• 電源供應最大額定值：電源電壓為12 VDC，輸出電流（驅(qū)動級）為1.2A（總）。
• 實驗：該板專為實驗設(shè)計，完成示例項目后可自由實驗，但需注意使用不當可能損壞板卡。
• 板上狀態(tài)LED：板上有8個狀態(tài)LED，可用于輔助開發(fā)和調(diào)試代碼，通過將寄存器值輸出到微控制器的端口，可在LED上顯示二進制讀數(shù)。
• 過流保護電路：當板卡持續(xù)驅(qū)動1.2安培100毫秒或更長時間時，過流保護電路會關(guān)閉驅(qū)動部分。上電時“FAULT” LED會亮起，需按CLEAR FAULT按鈕手動重置。
• 電機連接：需手動將電機連接到驅(qū)動螺絲端子，套件中提供螺絲刀方便操作。
• 串行通信：JP2跳線通常不安裝分流器，無分流器時板卡通過PICmicro? USART（或EUSART）進行串行通信，連接分流器可通過一根引腳進行通信。
• 可拆卸傳感器：溫度傳感器和光傳感器可拆下，方便在不同環(huán)境中使用，拆下后需在板卡和傳感器板之間焊接相同長度的電線。
• 反電動勢縮放電阻：若使用高于+5 VDC的電壓驅(qū)動直流電機，需要使用電阻R55和R56創(chuàng)建電壓分壓器電路，將反電動勢縮放到0 - 5 VDC范圍內(nèi)。
• 電流感應：板卡輸出級有簡單的電流感應電路，可在J15（CURRENT SENSE）處測量電壓，電壓值等于電流值的±10%。
• 跳線功能：不同的跳線和引腳有不同的功能，如J1用于輸出MOSFET驅(qū)動引腳，J2和J3用于創(chuàng)建全橋驅(qū)動電路等。

2. 示例項目

2.1 項目概述

以下項目涵蓋了基本的機電一體化原理，如讀取傳感器、連接LCD和驅(qū)動電機，同時展示了如何使用PICmicro?微控制器的各種外設(shè)。項目按順序排列，幫助用戶逐步積累知識。

2.2 在MPLAB? IDE中加載項目

項目固件位于PICDEM Mechatronics CD的安裝目錄中相應的項目文件夾內(nèi)。可通過以下步驟打開項目：啟動MPLAB IDE，選擇“File -> Open Workspace”，找到項目文件夾并打開*.mcw文件。

2.3 具體項目

• 項目1：Hello World（點亮LED）
  • 目標：使用PIC16F917讀取觸覺開關(guān)輸入，實現(xiàn)開關(guān)消抖，按下開關(guān)時切換LED狀態(tài)。
  • 跳線配置：RD7（J10）連接到D0（J14），RA0（J13）連接到SW2（J4）。
  • 說明：按下SW2可切換LED的開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)消抖可避免機械接觸抖動被誤認為多次按鍵。
• 項目2：使用電壓比較器的黃昏指示器
  • 目標：使用PIC16F917的內(nèi)部模擬比較器模塊，實現(xiàn)軟件遲滯以穩(wěn)定比較器輸出。
  • 跳線配置：C1 - （J13）連接到LIGHT（J4），C1 + （J13）連接到POT1（J4），RD7（J10）連接到D0（J14）。
  • 說明：為光傳感器提供光源，設(shè)置電位器到所需的觸發(fā)點，遮擋光源時LED應亮起。軟件遲滯可防止比較器輸出在觸發(fā)點附近抖動。
• 項目3：使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫度計
  • 目標：使用PIC16F917的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊讀取溫度傳感器的模擬電壓輸出，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為攝氏度并顯示在LCD上。
  • 跳線配置：AN0（J13）連接到TEMP（J4）。
  • 說明：LCD顯示溫度讀數(shù)，對著溫度傳感器吹氣或引入其他熱源，溫度顯示應上升。將跳線從溫度傳感器移到電位器，可查看溫度轉(zhuǎn)換的全范圍。該項目還介紹了LCD功能和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊的使用。
• 項目4：使用Timer1的數(shù)字時鐘
  • 目標：配置PIC16F917使用32.768 kHz晶體為Timer1提供時鐘，將Timer1轉(zhuǎn)換為秒、分鐘和小時。
  • 跳線配置：T1OSI（J13）連接到OSI（J4），T1OSO（J13）連接到OSO（J4），RA3（J13）連接到SW2（J4），RA4（J13）連接到SW3（J4），RA5（J13）連接到SW4（J4）。
  • 說明：使用開關(guān)2設(shè)置小時，開關(guān)3設(shè)置分鐘，按住開關(guān)可快速遞增。按下開關(guān)4可在顯示時間（小時和分鐘）和顯示秒之間切換。32.768 kHz晶體可準確創(chuàng)建時鐘顯示，避免RC振蕩器的誤差。
• 項目5：帶光學編碼器反饋的直流電機速度控制
  • 目標：配置CCP模塊生成PWM信號，使用PWM信號調(diào)節(jié)直流電機速度，配置Timer1使用光學中斷器作為時鐘源。
  • 跳線配置：RD7（J10）連接到P1（J1），CCP2（J10）連接到N2（J1），AN0（J13）連接到POT1（J4），RC5（J10）連接到光學中斷器（J7），將電機引線連接到DRIVE1（P9）和DRIVE2（P10），J2和J3不安裝分流器，連接JP8的右和中間引腳。
  • 說明：使用POT1調(diào)節(jié)電機速度，LCD顯示的數(shù)值乘以1000即為電機轉(zhuǎn)速（RPM）。CCP模塊以8位分辨率輸出PWM信號，頻率為31.2 kHz，可避免電機發(fā)出可聽噪聲。光學傳感器可用于獲取電機反饋，在許多機電一體化系統(tǒng)中很重要，但光學中斷器電路易受外界紅外光源干擾。
• 項目6：帶反電動勢反饋的直流電機速度控制
  • 目標：使用板上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效讀取反電動勢，將反電動勢轉(zhuǎn)換為電機速度。
  • 跳線配置：與項目5類似，增加AN1（J13）連接到BACK EMF（J16）。
  • 說明：POT1調(diào)節(jié)電機速度，設(shè)置POT1為100%可使電機全速運行，速度顯示應與項目5相似。反電動勢反饋的精度通常不如光學編碼器，但在許多應用中成本更低。
• 項目7：步進電機控制：單步、半步和微步
  • 目標：實現(xiàn)步進電機的單步、半步和微步控制。
  • 跳線配置：AN0（J13）連接到POT1（J4），RA4（J13）連接到SW2（J4），RD7（J10）連接到P1（J1），RD6（J10）連接到P2（J1），RD5（J10）連接到P3（J1），RD4（J10）連接到P4（J1），CCP1（J10）連接到PWM1（J1），CCP2（J10）連接到PWM3（J1），在J2和J3上垂直放置三個分流器，將步進電機的引線連接到相應的驅(qū)動端子，連接JP8的右和中間引腳。
  • 說明：調(diào)節(jié)POT1可改變電機速度，按下SW2可在單步、半步和微步模式之間切換。單步和半步模式下電機運動較抖動，微步模式可實現(xiàn)更平滑的旋轉(zhuǎn)，且具有更高的步分辨率，但驅(qū)動電路更復雜。
• 項目8：使用USART的PC接口
  • 目標：使用PIC16F917的USART與PC應用程序通信，理解自動波特率例程。
  • 跳線配置：確保JP2上無跳線或分流器，RD7（J10）連接到D0（J14），連接板卡和PC之間的串口電纜。
  • 說明：使用PIC? MCU Communicator GUI操作PIC16F917的I/O。由于PIC16F917使用內(nèi)部RC振蕩器，需要自動波特率例程來同步通信。該GUI可用于調(diào)試和設(shè)置微控制器的其他外設(shè)。
• 項目9：使用ECCP的直流電機控制
  • 目標：配置PIC16F690的ECCP模塊為全橋模式，改變電機方向。
  • 跳線配置：P1A（J6）連接到P1（J1），P1B（J6）連接到N1（J1），P1C（J6）連接到P2（J1），P1D（J5）連接到N2（J1），AN2（J5）連接到POT1（J4），RA5（J6）連接到SW2（J4），確保J2上無分流器，將直流電機引線連接到DRIVE1（P9）和DRIVE2（P10），連接JP8的右和中間引腳。
  • 說明：使用POT1調(diào)節(jié)電機速度，SW2可在電機關(guān)閉、正向、電機關(guān)閉和反向四種模式之間切換。ECCP模塊適用于驅(qū)動全橋電路，具有死區(qū)延遲控制和自動關(guān)機等功能。

3. 故障排除

3.1 常見問題及解決方法

• VDD低于5V：板卡需由9 - 12 VDC電源（通過螺絲端子或J9）、9 VDC電池或5 VDC電源（TP2和TP3）供電，低于9 VDC會導致穩(wěn)壓器無法正常工作。
• 驅(qū)動級無電壓：JP8上需有2針分流器連接中間引腳到+5 VDC或9 - 12 VDC，若FAULT LED亮起，按下CLR FAULT按鈕啟用驅(qū)動級。
• FAULT LED常亮或按下SW5后仍跳閘：檢查電機電流是否超過1.2安培，檢查CURRENT SENSE（J15）處的電壓。確保電機驅(qū)動正常，避免N通道和P通道MOSFET同時導通。
• MPLAB ICD 2編程后微控制器不運行：使用MPLAB ICD 2編程后，需斷開或釋放其復位狀態(tài)，微控制器才能運行。
• J16處反電動勢浮動：檢查FAULT LED是否熄滅，確保直流電機連接在DRIVE 1和DRIVE 2之間，測量反電動勢時DRIVE 1應浮動，DRIVE 2應接地。
• 同時安裝兩個微控制器時板卡無功能：同一時間只能安裝一個微控制器。
• 光學中斷器未提供預期反饋：光學中斷器電路易受外界紅外光源干擾，可能需要遮擋或關(guān)閉光源。
• 串行通信不工作：使用PIC16F690或PIC16F917的USART時，確保JP2上無分流器。

4. 附錄

4.1 硬件原理圖

附錄A包含PICDEM? Mechatronics板的原理圖，可幫助用戶深入了解板卡的電路結(jié)構(gòu)。

4.2 LCD段映射工作表

附錄B提供了LCD段映射工作表，方便用戶進行LCD顯示的相關(guān)操作。

PICDEM? Mechatronics演示板為機電一體化設(shè)計的學習和實踐提供了豐富的資源和機會。通過這些示例項目和詳細的故障排除指南，用戶可以逐步掌握機電一體化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，提升自己的設(shè)計能力。你在使用這款演示板的過程中遇到過哪些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。