具有渦扇發(fā)動機模型的八音盒系統(tǒng)設計

都朋超 尹瀚森 楊源源 馮沖 施展 焦曉彤 蔡玉卿

摘要：本文設計了一款具有渦扇發(fā)動機模型的八音盒電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過按鍵選擇不同的八音盒自動播放音樂，并控制渦扇發(fā)動機伴隨相應的運行狀態(tài)，構(gòu)造了既具有觀賞性又具有休閑娛樂性的家居用品。其中，渦扇發(fā)動機模型由3D打印完成，控制系統(tǒng)基于ST89C52單片機完成。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，可根據(jù)家庭需求進行調(diào)整進而實現(xiàn)定制型家居用品的舒適化。關鍵詞：發(fā)動機模型;STC89C52;八音盒音樂

0引言

當今社會發(fā)展迅速，工作繁忙、生活疲憊，在競爭緊張的大環(huán)境下人們?nèi)粘毫眲≡黾印Ｒ虼?，生活中加入一些輕松娛樂的項目或措施可在一定程度上減輕人們?nèi)粘Ｉ钪蟹e攢的壓力和負情緒。八音盒通過表面有小凸起的音筒勻速轉(zhuǎn)動。進而利用凸起撥動發(fā)音簧片播放出樂曲，由于其樂曲音質(zhì)干凈、透亮，給人以美妙的樂趣，是人們生活中常用于舒緩情緒的一種音樂器件。但是，通常八音盒的外觀以卡通為主，現(xiàn)代氣息不足。

本文將設計一種以可運行的渦扇發(fā)動機模型為外觀的八音盒系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多個八音盒，通過按鍵選擇特定的八音盒自動播放音樂，同時控制渦扇發(fā)動機模型以不同的速度運行。渦扇發(fā)動機模型利用3D打印各部件并組裝完成，可運行的渦扇發(fā)動機模型讓使用者在欣賞八音盒音樂的同時，增加了視覺的現(xiàn)代感和趣味性。

1 總體設計方案

系統(tǒng)的音樂播放選擇功能利用按鍵輸入完成：八音盒音樂自動播放功能利用電機驅(qū)動完成：渦扇以不同速度的轉(zhuǎn)動模式，利用PWM轉(zhuǎn)速控制技術完成。該系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心控制芯片，整體框架如圖1所示。

2硬件技術設計

2.1 單片機核心板設計

單片機STC89C52在本系統(tǒng)中完成按鍵信號采集、PWM信號輸出等功能。具體包括：電源電路、晶振電路、IO、復位電路等。其中，供電部分采用7805芯片完成7.4V電池電源到5v供電電源的轉(zhuǎn)換工作，復位電路采用高電平復位，3個按鍵連接單片機的P3.5、P3.6、P3.7接口，PWM輸出由單片機的P1.O、P1.1端口輸出，系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.2鍵盤控制設計

獨立式鍵盤的每個按鍵都是由一根IO口線分別連接，其各個按鍵相互獨立，各IO口連接的按鍵其工作狀態(tài)互不影響。本設計中按鍵采用低電平為有效電平，設計按鍵兩端分別連接單片機IO口和電源地，當有按鍵按下時，單片機接收到有效電平，如圖3所示。

2.3 電機驅(qū)動設計

2.3.1 L298N電機驅(qū)動模塊原理

L298N為15個管角的單塊集成電路，其特點為高電壓、高電流、四通道驅(qū)動，可以驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機、步進電機、電磁閥等。特別是其輸RU 端可以與單片機直接相聯(lián)，便于單片機控制。4路通道邏輯驅(qū)動電路存在其內(nèi)部，額定工作初始電流為1A，最高可達1.5A。Vss電壓范圍為4.5V至46V。L298N無須隔離電路，可直接控制電機，驅(qū)動雙電機。

L298N因內(nèi)部電路形狀酷似字母H而得名“H橋驅(qū)動電路”，如圖4所示。該電路包括一個電機和4個三極管。當對角線上的一對三極管被導通時，電機方可運轉(zhuǎn)。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流從不同方向流過電機，從而控制電機轉(zhuǎn)向。

當Q1管和Q4管導通時，電流從左至右由電源正極經(jīng)Q1穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿相反方向轉(zhuǎn)動。

驅(qū)動電機時，重要的是保證H橋上同側(cè)的2個三極管不會同時導通。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過2個三極管而不通過電機直接回到負極。該電路中電流僅受電源性能限制，因此，上述情況為電路中除了三極管外沒有其它任何負載，電路中電流就可能達到最大值，甚至燒壞三極管?；谝陨显?，在實際操作中，驅(qū)動電路中通常需要硬件電路便于控制三極管的開關。

2.3.2 L298N的邏輯控制功能

當使能端為高電平時，輸入端IN1為PWM信號，IN2為低電平信號時，電機正轉(zhuǎn);輸入端信號相反時，電機反轉(zhuǎn);輸入端信號相同時電機快速停止。當使能端為低電平時，電動機停止轉(zhuǎn)動。對直流電動機電壓的控制和驅(qū)動中，L298N可分為開關驅(qū)動和線性放大驅(qū)動兩種方式。一是通過脈沖調(diào)制即PWM來控制電動機的電壓。實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制：其二控制原理簡單，對鄰近電路干擾小，輸出波動小等，同時也隱含功率低和散熱問題嚴重的缺點。L298N邏輯功能見表1.

2.3.3 L298N模塊接口

L298N模塊的接口如圖5所示。該模塊包括兩部分接口：第一部分是模塊供電和電機驅(qū)動輸出接口;第二部分是模塊邏輯控制接口。

2.3.3.1 供電接口設計

（1）本設計使用的L298N驅(qū)動板需另接電源供電，不與單片機的電源共用，但需要單片機和驅(qū)動板的共地連接。如圖5所示，供地接口需與單片機GND接口共同連接，為單片機傳輸?shù)倪壿嬓盘栔圃靺⒖糘點，電機才能正常工作。

（2）該驅(qū)動板需外接12V電源為其供電，如圖5所示。+12V供電接口與外接12V電源連接。當驅(qū)動電壓為7-12V時，板載5V使能接口，可以進行邏輯供電。當使用板載5V供電之后，同一時間可以引出5V電壓供外部使用。由驅(qū)動板輸出的5V電壓接口（如圖5所示+5V供電接口）即返回與單片機連接，為其供電。

2.3.3.2 電機接口設計

將L298N輸出端口OUT1、OUT2（即圖5所示輸出A通道）分別與電機的正負極相連接。設計中所采用電機為直流減速電機，型號為XD-37GB520，其電壓規(guī)格為12V直流電壓，電機轉(zhuǎn)速為600r/min。

2.3.3.3 邏輯接口設計

L298N驅(qū)動板從單片機板上外接線進行連接，單片機引腳P1.0和P1.1即為實物連接中單片機板和驅(qū)動板的連接口，如圖2所示。

2.4 3D打印外觀

3D打印與普通打印機工作原理基本相同，是一種新型的快速成型技術。通過電腦控制，把與電腦連接的打印機內(nèi)所含打印材料逐層疊加。最終將設計圖變成實物。本項目就是利用3D打印技術打印的渦扇模型，利用合適的stl文件，用Z-Suite軟件將其打印下來。各部件設計如圖6（a）、圖6（b）所示。圖7所示為組裝完成后的完整模型。

3 程序設計及系統(tǒng)調(diào)試

3.1程序設計

通過軟件設計實現(xiàn)本系統(tǒng)功能。軟件采用嵌入式C語言設計。具體包括IO定義、IO初始化、電機驅(qū)動軟件設計、按鍵有效信號識別軟件設計等。本設計中實現(xiàn)三個按鍵控制電機左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的功能，為此設計了main函數(shù)、延時函數(shù)和motor函數(shù)。執(zhí)行主函數(shù)后，掃描按鍵判斷其是否按下，延時一段時間防抖動，若確認按下，判斷鍵值后則調(diào)用相應按鍵實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)，無其它鍵按下時，則電機一直處于該狀態(tài)。按下不同鍵，電機狀態(tài)發(fā)生改變。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)調(diào)試?？赏ㄟ^按鍵控制進行八音盒的不同音樂播放。同時在不干擾音樂選擇的情況下還可以看到渦扇發(fā)動機模型以不同方式的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本設計為利用單片機STC89C52為核心控制器，通過擴展IO接口接收按鍵輸入信號、輸出電機驅(qū)動信號，完成了八音盒自動播放系統(tǒng)，并通過3D打印技術制作了渦扇發(fā)動機模型。在電機驅(qū)動下渦扇發(fā)動機正常運行。該系統(tǒng)可應用于日常生活中，達到在欣賞八音盒音樂的同時還能了解渦扇發(fā)動機的運行原理及運行狀態(tài)，展現(xiàn)力與機械的精美融合，增加了系統(tǒng)設計的趣味性、科技感和現(xiàn)代感，具備一定的觀賞和娛樂放松的效果。