下推式磁悬浮系统软件设计 - 图文

河南科技大学毕业设计（论文）

软件设计基于 Arduino nano 开发板。Arduino 是一块基于开放原始代码 的 Simple i/o 平台，并且具有使用类似 java, C 语言的开发环境。

§4.1.1 Arduino nano 开发板介绍

Arduino nano 控制板基于 Atmega328，有 14 个数字输入输出脚，6 个模 拟输入口，16Mhz 内部晶振，USB 链接，电源插座和 ICSP 接头。它包含了 微处理器所必须的所有元件，只需用 USB 连接线插入电脑即可开始使用。

Arduino nano 特色:

1、开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依需求自 己修改。

2、使用低价格的微处理控制器(ATmega328)。可以采用 USB 接口供电， 不需外接电源。也可以使用外部 5VDC 输入。

3 、Arduino 支持 ISP 在线烧，可以将新的“bootloader ” 固件烧入 ATmega328 或 ATmega168 芯片。有了 bootloader 之后，可以通过串口或者 USB to RS232 线更新固件。

4、可依据官方提供的 Eagel 格式 PCB 和 SCH 电路图，简化 Arduino 模 组，完成独立运作的微处理控制。可简单地与传感器，各式各样的电子元件 连接(EX：红外线、超音波、热敏电阻、光敏电阻、伺服马达等)。

5、支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、PD、C、Processing 等。 6、应用方面，利用 DFRduino ，突破以往只能使用鼠标、键盘，CCD 等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。

Arduino nano 规格参数：

1.微控制器核心：AVRmega328-20PU（处理速度可达 20MIPS） 2.工作电压：+5V

3.外部输入电压：＋7V～＋12V（建议） 4.外部输入电压（极值）：+6V≤Vin≤＋20V

5.数字信号 I/O 接口：14（其中 6 个 PWM 输出接口） 6.模拟信号输入接口：6 7.DC I/O 接口电流：40 mA

8.Flash 容量：16 KB (其他 2K 用于 bootloader) 9.SRAM 静态存储容量：1KB

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10.EEPROM 存储容量：512 bytes

11.时钟频率：16MHz

图 4-1 Arduino nano 开发板

§4.1.2 Arduino 编程环境

Arduino 开发板使用其官网自带编程软件，开发编译环境十分简洁。本 设计使用版本：Arduino-1.5.5-r2。 界面集成性很好，显示按键功能简单明 了，在界面中直接用 C 语言编程，如图 4、5 所示。

Arduino-1.5.5-r2 开发编译环境很简洁，Arduino 语言是建立在 C/C++基 础上的，其实也就是基础的 C 语言。它只不过把 AVR 单片机相关的一些寄 存器参数设置等都函数化了，使我们不用去了解它的底层，轻松上手。Arduino 语言是以 setup()开头，loop()作为主体的一个程序构架。setup()函数：用来初 始化变量，管脚模式，调用库函数等等，此函数只运行一次。loop()函数是一 个循环函数，函数内的语句周而复始的循环执行，功能类似 C 语言中 的 “main()”。

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图 4-2 Arduino 开发板编程软件界面

图 4-3 Arduino 软件界面按键功能

使用 Arduino 开发板和其自带的集成开发环境使得开发过程变得简单， 在程序编辑框中编写程序，然后点工具栏中的编译按钮 击下载按钮 行串口调试。

即可完成程序的下载，点击按钮

，编译成功后点

可打开串口调试窗口进

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§4.2 软件设计思想与程序流程图

根据下推式磁悬浮的结构设计安排可知，软件设计思想有以下几点： 1.电磁线圈电流由 PWM 占空比控制，占空比越大，线圈电流越大； 2.悬浮体的位置信号通过传感器得到，传感器返回信号越强，表示需要 电磁线圈吸力越大，即 PWM 占空比越大。

3.所需的 PWM 占空比可通过 PID 算法对传感器返回值进行计算获得。 4.在主程序中，软件系统不仅要实时显示磁悬浮状态信息，还要与上位 机进行通讯。为了实现多任务同时进行，需要引入中断方式。

本课题设计的磁悬浮系统下位机软件，需要实现的功能有：串口数据发 送、按键进行相应动作、传感器返回值读取、PID 算法控制、PWM 输出。 程序流程图大致如图 6 所示：

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