PICDEM™ Mechatronics演示板：开启机电一体化设计学习之旅

在机电一体化设计领域，一款优秀的学习工具能让工程师和爱好者们更高效地掌握相关知识和技能。PICDEM™ Mechatronics演示板就是这样一款产品，它为对机电一体化设计感兴趣的人提供了一个绝佳的学习平台。

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1. 认识PICDEM™ Mechatronics演示板

1.1 简介

PICDEM™ Mechatronics旨在成为机电一体化设计的学习工具。机电一体化是将电子控制集成到机械系统中，或者用电子解决方案替代机械部件。PICmicro®微控制器因其体积小、效率高、速度快以及丰富的外设配置，非常适合用于机电一体化系统。从简单的机电开关到超音速喷气式飞机的复杂稳定控制，机电一体化系统的应用范围广泛。在现代家电和汽车市场，机电一体化设计也越来越常见，例如现代洗衣机就采用了微控制器来管理循环时间、读取用户输入并调节搅拌和旋转周期的速度。

1.2 亮点

该演示板涵盖了快速入门指南、开发套件内容、布局、所需工具、设置以及通用信息等方面。

1.3 快速入门

演示板在工厂已预编程了演示程序。使用前需按以下步骤配置：

• 板卡设置：用螺丝刀将直流电机的引线连接到Drive 1和Drive 2；用跳线将POT1（J4）连接到C1 - （J13），P1（J1）连接到RD7（J10），N2（J1）连接到RD2（J10），并在JP8上连接右和中间引脚。
• 板卡上电：可通过多种方式供电，如使用9 - 12 VDC（最小0.75安培）电源连接J9、连接到P21和P20螺丝端子、连接9 VDC电池或连接5 VDC（最小1.2安培）电源到TP2或TP3。
• 演示程序：按下CLR FAULT（SW5），转动POT1可调节电机速度，LCD会显示POT1位置的8位十六进制解释。还可尝试移动跳线到不同传感器，观察电机和LCD显示的变化。

1.4 开发套件内容

套件包含PICDEM™ Mechatronics印刷电路板（PCB）及电机、预编程的PIC16F917 PICmicro®设备、10根跳线、8个2针分流器、包含用户指南和技术文档的CD - ROM、样品套件（含PIC16F690和PIC12F509设备）、Microchip螺丝刀和注册卡。

1.5 布局

PICDEM™ Mechatronics板上有40引脚和20引脚的插座，分别用于安装PIC16F917和PIC16F690微控制器。部分引脚为专用连接，连接到开关、LCD、编程接口和串口等组件，其余引脚可通过跳线连接到其他组件。使用跳线连接组件有三个好处：让用户通过实际操作获得知识和经验；板上外设多于微控制器引脚，可实现更多功能；便于用户自行实验。

1.6 所需工具

完成后续项目需要PICkit™2微控制器编程器（部件号DV164120）或MPLAB® ICD 2在线调试器/编程器（部件号DV164007，包含9 VDC电源和串口电缆）。

1.7 板卡设置

• 跳线设置：除JP8外，移除所有2针分流器，JP8上的分流器应连接在最右侧位置，确保驱动级由+5 VDC供电。
• 板卡上电：按上述多种方式供电，上电后“PWR ON” LED应亮起，“FAULT” LED也会亮起，按下SW5清除故障后，板卡即可用于项目。

1.8 通用信息

• 电源供应最大额定值：电源电压为12 VDC，输出电流（驱动级）为1.2A（总）。
• 实验：该板专为实验设计，完成示例项目后可自由实验，但需注意使用不当可能损坏板卡。
• 板上状态LED：板上有8个状态LED，可用于辅助开发和调试代码，通过将寄存器值输出到微控制器的端口，可在LED上显示二进制读数。
• 过流保护电路：当板卡持续驱动1.2安培100毫秒或更长时间时，过流保护电路会关闭驱动部分。上电时“FAULT” LED会亮起，需按CLEAR FAULT按钮手动重置。
• 电机连接：需手动将电机连接到驱动螺丝端子，套件中提供螺丝刀方便操作。
• 串行通信：JP2跳线通常不安装分流器，无分流器时板卡通过PICmicro® USART（或EUSART）进行串行通信，连接分流器可通过一根引脚进行通信。
• 可拆卸传感器：温度传感器和光传感器可拆下，方便在不同环境中使用，拆下后需在板卡和传感器板之间焊接相同长度的电线。
• 反电动势缩放电阻：若使用高于+5 VDC的电压驱动直流电机，需要使用电阻R55和R56创建电压分压器电路，将反电动势缩放到0 - 5 VDC范围内。
• 电流感应：板卡输出级有简单的电流感应电路，可在J15（CURRENT SENSE）处测量电压，电压值等于电流值的±10%。
• 跳线功能：不同的跳线和引脚有不同的功能，如J1用于输出MOSFET驱动引脚，J2和J3用于创建全桥驱动电路等。

2. 示例项目

2.1 项目概述

以下项目涵盖了基本的机电一体化原理，如读取传感器、连接LCD和驱动电机，同时展示了如何使用PICmicro®微控制器的各种外设。项目按顺序排列，帮助用户逐步积累知识。

2.2 在MPLAB® IDE中加载项目

项目固件位于PICDEM Mechatronics CD的安装目录中相应的项目文件夹内。可通过以下步骤打开项目：启动MPLAB IDE，选择“File -> Open Workspace”，找到项目文件夹并打开*.mcw文件。

2.3 具体项目

• 项目1：Hello World（点亮LED）
  • 目标：使用PIC16F917读取触觉开关输入，实现开关消抖，按下开关时切换LED状态。
  • 跳线配置：RD7（J10）连接到D0（J14），RA0（J13）连接到SW2（J4）。
  • 说明：按下SW2可切换LED的开关状态，开关消抖可避免机械接触抖动被误认为多次按键。
• 项目2：使用电压比较器的黄昏指示器
  • 目标：使用PIC16F917的内部模拟比较器模块，实现软件迟滞以稳定比较器输出。
  • 跳线配置：C1 - （J13）连接到LIGHT（J4），C1 + （J13）连接到POT1（J4），RD7（J10）连接到D0（J14）。
  • 说明：为光传感器提供光源，设置电位器到所需的触发点，遮挡光源时LED应亮起。软件迟滞可防止比较器输出在触发点附近抖动。
• 项目3：使用模数转换器的温度计
  • 目标：使用PIC16F917的模数转换器模块读取温度传感器的模拟电压输出，将结果转换为摄氏度并显示在LCD上。
  • 跳线配置：AN0（J13）连接到TEMP（J4）。
  • 说明：LCD显示温度读数，对着温度传感器吹气或引入其他热源，温度显示应上升。将跳线从温度传感器移到电位器，可查看温度转换的全范围。该项目还介绍了LCD功能和模数转换器模块的使用。
• 项目4：使用Timer1的数字时钟
  • 目标：配置PIC16F917使用32.768 kHz晶体为Timer1提供时钟，将Timer1转换为秒、分钟和小时。
  • 跳线配置：T1OSI（J13）连接到OSI（J4），T1OSO（J13）连接到OSO（J4），RA3（J13）连接到SW2（J4），RA4（J13）连接到SW3（J4），RA5（J13）连接到SW4（J4）。
  • 说明：使用开关2设置小时，开关3设置分钟，按住开关可快速递增。按下开关4可在显示时间（小时和分钟）和显示秒之间切换。32.768 kHz晶体可准确创建时钟显示，避免RC振荡器的误差。
• 项目5：带光学编码器反馈的直流电机速度控制
  • 目标：配置CCP模块生成PWM信号，使用PWM信号调节直流电机速度，配置Timer1使用光学中断器作为时钟源。
  • 跳线配置：RD7（J10）连接到P1（J1），CCP2（J10）连接到N2（J1），AN0（J13）连接到POT1（J4），RC5（J10）连接到光学中断器（J7），将电机引线连接到DRIVE1（P9）和DRIVE2（P10），J2和J3不安装分流器，连接JP8的右和中间引脚。
  • 说明：使用POT1调节电机速度，LCD显示的数值乘以1000即为电机转速（RPM）。CCP模块以8位分辨率输出PWM信号，频率为31.2 kHz，可避免电机发出可听噪声。光学传感器可用于获取电机反馈，在许多机电一体化系统中很重要，但光学中断器电路易受外界红外光源干扰。
• 项目6：带反电动势反馈的直流电机速度控制
  • 目标：使用板上的模数转换器有效读取反电动势，将反电动势转换为电机速度。
  • 跳线配置：与项目5类似，增加AN1（J13）连接到BACK EMF（J16）。
  • 说明：POT1调节电机速度，设置POT1为100%可使电机全速运行，速度显示应与项目5相似。反电动势反馈的精度通常不如光学编码器，但在许多应用中成本更低。
• 项目7：步进电机控制：单步、半步和微步
  • 目标：实现步进电机的单步、半步和微步控制。
  • 跳线配置：AN0（J13）连接到POT1（J4），RA4（J13）连接到SW2（J4），RD7（J10）连接到P1（J1），RD6（J10）连接到P2（J1），RD5（J10）连接到P3（J1），RD4（J10）连接到P4（J1），CCP1（J10）连接到PWM1（J1），CCP2（J10）连接到PWM3（J1），在J2和J3上垂直放置三个分流器，将步进电机的引线连接到相应的驱动端子，连接JP8的右和中间引脚。
  • 说明：调节POT1可改变电机速度，按下SW2可在单步、半步和微步模式之间切换。单步和半步模式下电机运动较抖动，微步模式可实现更平滑的旋转，且具有更高的步分辨率，但驱动电路更复杂。
• 项目8：使用USART的PC接口
  • 目标：使用PIC16F917的USART与PC应用程序通信，理解自动波特率例程。
  • 跳线配置：确保JP2上无跳线或分流器，RD7（J10）连接到D0（J14），连接板卡和PC之间的串口电缆。
  • 说明：使用PIC® MCU Communicator GUI操作PIC16F917的I/O。由于PIC16F917使用内部RC振荡器，需要自动波特率例程来同步通信。该GUI可用于调试和设置微控制器的其他外设。
• 项目9：使用ECCP的直流电机控制
  • 目标：配置PIC16F690的ECCP模块为全桥模式，改变电机方向。
  • 跳线配置：P1A（J6）连接到P1（J1），P1B（J6）连接到N1（J1），P1C（J6）连接到P2（J1），P1D（J5）连接到N2（J1），AN2（J5）连接到POT1（J4），RA5（J6）连接到SW2（J4），确保J2上无分流器，将直流电机引线连接到DRIVE1（P9）和DRIVE2（P10），连接JP8的右和中间引脚。
  • 说明：使用POT1调节电机速度，SW2可在电机关闭、正向、电机关闭和反向四种模式之间切换。ECCP模块适用于驱动全桥电路，具有死区延迟控制和自动关机等功能。

3. 故障排除

3.1 常见问题及解决方法

• VDD低于5V：板卡需由9 - 12 VDC电源（通过螺丝端子或J9）、9 VDC电池或5 VDC电源（TP2和TP3）供电，低于9 VDC会导致稳压器无法正常工作。
• 驱动级无电压：JP8上需有2针分流器连接中间引脚到+5 VDC或9 - 12 VDC，若FAULT LED亮起，按下CLR FAULT按钮启用驱动级。
• FAULT LED常亮或按下SW5后仍跳闸：检查电机电流是否超过1.2安培，检查CURRENT SENSE（J15）处的电压。确保电机驱动正常，避免N通道和P通道MOSFET同时导通。
• MPLAB ICD 2编程后微控制器不运行：使用MPLAB ICD 2编程后，需断开或释放其复位状态，微控制器才能运行。
• J16处反电动势浮动：检查FAULT LED是否熄灭，确保直流电机连接在DRIVE 1和DRIVE 2之间，测量反电动势时DRIVE 1应浮动，DRIVE 2应接地。
• 同时安装两个微控制器时板卡无功能：同一时间只能安装一个微控制器。
• 光学中断器未提供预期反馈：光学中断器电路易受外界红外光源干扰，可能需要遮挡或关闭光源。
• 串行通信不工作：使用PIC16F690或PIC16F917的USART时，确保JP2上无分流器。

4. 附录

4.1 硬件原理图

附录A包含PICDEM™ Mechatronics板的原理图，可帮助用户深入了解板卡的电路结构。

4.2 LCD段映射工作表

附录B提供了LCD段映射工作表，方便用户进行LCD显示的相关操作。

PICDEM™ Mechatronics演示板为机电一体化设计的学习和实践提供了丰富的资源和机会。通过这些示例项目和详细的故障排除指南，用户可以逐步掌握机电一体化设计的关键技术，提升自己的设计能力。你在使用这款演示板的过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。