Arduino中PWM调制在电子技术实验中的应用研究.pdf

物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 0基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(2 0 2 2 1 0 3 5 7);中山大学本科教学质量工程项目(中山大学教务2 0 2 22 0号,7 4 1 3 0-1 2 2 2 0 0 1 1)。通讯作者:梁飞翔,男,实验师,研究方向为凝聚态物理、非常规超导、电子技术实验教学,l i a n g f x 6m a i l.s y s u.e d u.c n。引文格式:林炳权,石皓宇,车宇,等.A r d u i n o中PWM调制在电子技术实验中的应用研究J.物理与工程,2 0 2 3,3 3(3):8 0-8 7.C i t e t h i s a r t i c l e:L I N B Q,S H I H Y,C HE Y,e t a l.A p p l i c a t i o n r e s e a r c h o f PWM m o d u l a t i o n i n A r d u i n o i n e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y e x p e r i-m e n t sJ.P h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 3,3 3(3):8 0-8 7.(i n C h i n e s e)A r d u i n o中PWM调制在电子技术实验中的应用研究林炳权1 a 石皓宇2 车 宇1 a,1 b 李鹏1 a,1 b 梁飞翔1 a,1 b 唐 强1 a,1 b 蔡志岗1 a,1 b(1中山大学a物理学院;b物理学国家级实验教学示范中心,广东 广州 5 1 0 2 7 5;2天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 3 0 0 0 7 2)摘 要 基于开源控制平台A r d u i n o控制器的开放性与易用性,在原有的电子技术综合实验中新增了以A r d u i n o单片机为核心的实验教学模块。利用A r d u i n o单片机中的脉冲宽度调制技术(PWM技术),单片机根据接收到的红外信号对应调节两个直流电机的输入电压,从而控制其转速比,进而控制由电机上的两个偏心镜反射后的点状激光的运动轨迹,利用视觉残留效果形成图案,并通过MAT L A B设计了仿真实验验证了激光图案的正确性。新增教学模块扩展了传统的电子技术综合设计实验教学中焊接控制电路的内容,丰富了实验教学内容,加强对学生的编程能力和电子技术综合设计能力的培养,激发学生的学习兴趣。关键词 A r d u i n o;教学改革;脉冲宽度调制技术(PWM技术);计算机编程A P P L I C A T I O N R E S E A R C H O F PWM MO D U L A T I O N I N A R D U I N O I N E L E C T R O N I C T E C H N O L O G Y E X P E R I ME N T SL I N B i n g q u a n1 a S H I H a o y u2 C H E Y u1 a,1 b L I P e n g1 a,1 b L I A N G F e i x i a n g1 a,1 bT A N G Q i a n g1 a,1 b C A I Z h i g a n g1 a,1 b(a S c h o o l o f P h y s i c s;b N a t i o n a l L e v e l E x p e r i m e n t T e a c h i n g C e n t e r f o r P h y s i c s,1 S u n Y a t-s e n U n i v e r s i t y,G u a n g z h o u,G u a n g d o n g 5 1 0 2 7 5;2 S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,T i a n j i n U n i v e r s i t y,T i a n j i n 3 0 0 0 7 2)A b s t r a c t B a s e d o n t h e o p e n n e s s a n d e a s e o f u s e o f t h e A r d u i n o c o n t r o l l e r o f t h e o p e n s o u r c e c o n t r o l p l a t f o r m,a n e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g m o d u l e w i t h T h e A r d u i n o m i c r o c o n t r o l l e r a s t h e c o r e h a s b e e n a d d e d t o t h e o r i g i n a l e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t.U s i n g t h e p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y(r e f e r r e d t o a s PWM t e c h n o l o g y)i n t h e A r d u i n o m i c r o c o n t r o l l e r,t h e m i c r o c o n t r o l l e r a d j u s t s t h e i n p u t v o l t a g e o f t h e t w o D C m o t o r s a c c o r d i n g t o t h e r e c e i v e d i n f r a r e d s i g n a l,t h e r e b y c o n t r o l l i n g i t s s p e e d r a t i o,a n d t h e n c o n t r o l l i n g t h e m o t i o n t r a j e c t o r y o f t h e d o t l a s e r r e f l e c t e d b y t h e t w o e c c e n t r i c m i r r o r s o n t h e m o t o r,f o r m i n g a p a t t e r n b y u s i n g t h e v i s u a l r e s i d u a l e f f e c t,a n d v e r i f y i n g t h e c o r r e c t n e s s o f t h e l a s e r p a t t e r n t h r o u g h s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s d e s i g n e d b y MAT L A B.T h e n e w t e a c h i n g m o d u l e e x p a n d s t h e c o n t e n t o f w e l d i n g c o n t r o l c i r c u i t s i n t h e t r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g o f c o m p r e h e n-s i v e e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y d e s i g n,e n r i c h e s t h e e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g c o n t e n t,s t r e n g t h e n s t h e 08物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3c u l t i v a t i o n o f s t u d e n t s p r o g r a mm i n g a b i l i t y a n d e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y c o m p r e h e n s i v e d e s i g n a b i l i t y,a n d s t i m u l a t e s s t u d e n t s i n t e r e s t i n l e a r n i n g.K e y w o r d s A r d u i n o;t e a c h i n g r e f o r m;P u l s e w i d t h m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y(PWM t e c h n o l o-g y);c o m p u t e r p r o g r a mm i n g 电子技术综合设计实验作为光电信息专业、物理学专业的一门重要的综合课程,在本科生经过电子技术理论知识的学习后,通过硬件设计、通讯控制、软件编程可以锻炼学生的实验技巧从而全面地提升其电子技术综合设计能力。中山大学物理学院开设的电子技术综合设计实验课中,通过让学生焊接安装控制电路,控制两个直流电机的输入电压,将经过两个不同转速的偏心转轮平面镜的反射后的激光,形成特定形状的激光图案,通过改变两个直流电机的电压比,可以得到不同形貌的激光图案1。通过焊接控制电路,学生可实现的几个特定电压比值的输出电路,通过声音采集模块可以实现在几个不同电压比之间的切换。但上述方法会导致输出图案形式单一,并且焊接电路中由于单个坏掉的电子元器件导致的实验问题难以排查,给实验教学带来一些不便。A r-d u i n o作为一款便捷灵敏、易于上手的开源电子开发平台,具有操作简便、功能丰富等特点,已广泛应用于各种电路系统的开发2-4。将A r d u i n o单片机引入电子技术综合设计实验课程中,不仅可以拓展控制电路的开发设计方式,还可以通过引入其他的传感器模块让学生在C语言的基础上自行编程,丰富了实验教学内容。通过引入A r d u i n o单片机调控模式,将传统焊接电子电路的内容扩增为“原理设计 电路连接 软件编程”的连贯模式,提高了学生的学习主动性和学习兴趣,降低电子技术实验中电路焊接不当引起的故障率,促进教学质量的提高。1 实验原理本文以A r d u i n o单片机作为控制电路的核心部件,结合L 2 9 3 D芯片、红外信号接收模块、激光器、直流电机、偏心转轮反射镜等硬件,实现红外信号通讯、PWM信号输出调控直流电机的转速,从而改变激光图案的形状的目的。1.1 A r d u i n o简介A r d u i n o是2 0 0 5年意大利米兰交互设计学院的老师开发设计的一款开源开放的电子技术创意平台。A r d u i n o包含硬件(各种不同类型的A r-d u i n o开发板)和软件(用于代码编译的集成开发环境,A r d u i n o I D E,以及第三方提供的图形化编程环境如M i n d+、S c r a t c h 3.0等)。由于A r d u i n o的编程具有类似j a v a、C+等常用编程语言的P r o c e s s i n g/W i r i n g开发环境4,入门简单,功能多样,价格低廉,被广