隨著電子技術、計算機技術、物聯網技術的不斷 進步，現代電機控制方式發生了較大改變，如以微控 制芯片為核心的數字控制正在逐步取代傳統模擬控 制，無線通信手段正在替代原有的有線通信。現代直 流調速系統具有控制智能化、通信無線化、操作更加 便捷化等特點。其中，直流電機調速系統因其制動 效率高、控制系統良好等優點，被廣泛應用于工業生產和生活的各個領域。因此，基于物聯網智能的直流電機脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）調速系統進入一個嶄新的階段。

1智能調速系統硬件電路的設計

本文從智能調速系統硬件電路的框架結構出發， 主要介紹了本地控制和PC 機控制系統以及ZigBee 無線控制系統。所設計硬件電路主要包含單片機模塊、測速模塊、人機界面模塊、ZigBee 數據傳輸模塊、電機驅動模塊、LCD12864 液晶顯示模塊等。

1.1本地控制和PC 機控制系統

本地控制和PC 機控制系統主要由以下7 個模塊組成，如圖1 所示。

（1）單片機模塊：微處理的核心芯片，主要產生各種占空比的PWM 波形。

（2）ZigBee 數據傳輸模塊：以CC2530 為核心， 進行無線數據傳輸，組建物聯網。

（3）測速模塊：利用霍爾傳感元件進行電機轉速測試。

（4）按鍵模塊：矩陣鍵盤，負責相關參數的設定，啟動、停止等命令輸入。

（5）人機界面模塊：串口通信，上位機操作、信號檢測。

（6）電機驅動模塊：直流電機的驅動器。

（7）LCD12864 液晶顯示模塊：顯示窗口。

圖1 本地控制和PC機控制系統

1.2 ZigBee 無線控制系統

ZigBee 是一種物聯網通信協議，可以滿足短距離和低速度的無線通信傳輸。在設計網絡結構時，一般是一個層只負責一種功能，數據只在相鄰兩個層之間進行流動。無線網絡ZigBee 可以分為5 層：物理層（PHY）；媒體訪問控制層（MAC）；網絡層；應用支持層（APS）；應用層（APL）。采用分層結構的思想有很多優點，例如當協議的一小部分發生變化時，可以只負責修改本層的內容，而不需要更改其他層，有利于設備的分工與管理。ZigBee 技術具有高可靠性、低成本、高安全性、組網方便、實時性好、低功耗、傳輸距離遠等特點。

ZigBee 無線控制系統框架，主要由單片機、Zig- Bee 數據傳輸模塊和按鍵模塊組成。

（1）單片機部分：處理和轉換模擬信號。

ZigBee 數據傳輸模塊：信號傳輸，組建局域網絡。

（3）按鍵模塊：負責相關參數的設定，啟動、停止等命令輸入。

2系統軟件設計與實現

主要采用分層設計法，由淺入深，由模塊程序到系統程序，由獨立程序要整體程序，層層遞進、逐層深入，最終完成系統軟件的設計。

2.1主程序的設計

主程序采用結構化設計、模塊化思想的設計，這種設計思想有利于維護和移植程序的可讀。系統的程序機構主要包括主程序、系統宏定義、LCD 顯示函數、鍵盤處理函數、串口通信函數、電機控制函數。

設計系統上電啟動后，首先，初始化人機界面顯示數據和系統所需要的數據。然后，本地系統準備接收指令控制電機的運作。本系統所設計電機的智能控制方式有3 種選擇方式：本地控制、無線按鈕遠程控制、PC 上位機控制。通過3 種設計的控制方式可以完成電機運行速度的設定、電機的啟動與停止。系統主機會監測系統電壓和系統各模塊的信號傳輸情況。

2.2按鍵掃描模塊設計

根據所設計的系統功能，存在一個人機交互上位 機設計，需要給系統發出相應的指令，根據指令來控 制整個系統的工作。該系統電機采用智能化控制方 式，有以下幾種方式：本地控制、無線按鈕遠程控制、PC 上位機控制以及后期的安卓APP 控制等。本文介紹的本地控制方式、無線按鈕遠程控制和PC 上位機控制都是通過命令解析，命令的執行方式和本地控制 是一樣的。首先，檢測是否有按鍵按下，當按鍵被按 下時，判斷按鍵的數值并且進行譯碼。其次，譯碼過 后需要判斷按鍵所要求的功能，根據選擇相應的功能 進行工作。

2.3數據發送與接收程序設計

電機的控制方式有多種：本地控制、無線按鈕遠程控制、PC 上位機控制等。無線按鈕遠程控制和PC 上位機控制兩種控制方式需要給電機控制系統發送電機運行指令，根據系統對數據發送和接受的功能設計要求。

2.4電機測速程序設計

本系統設計的速度檢測方式，采用成熟的霍爾檢測法，在電機的轉盤上安裝有4 個霍爾傳感器。當位于電機上的轉盤開始轉動時，轉盤上的霍爾傳感器會輸出一個脈沖信號，單片機就會檢測到這個脈沖信號并通過相應的函數進行計算，以計算出電機的運行速度。

軟件系統主要從思路分析、功能流程入手，采用模塊化設計思路，重點介紹了按鍵掃描模塊、數據發送與接收模塊、電機測速模塊、顯示模塊等單元電路的核心程序，在設計模塊程序之前，先設計對應的流程圖，邊設計、邊編程、邊調整，完善模塊電路的軟件設計，從而設計了一款基于物聯網的直流電機PWM 智能調速系統。

3人機界面平臺和進程管理塊設計

對于人機界面而言，不僅要使用正常，還要盡可能美化。通過人機界面的信息交互、設置參數來改變直流電機的工作模式，實現直流電機的上位機控制，從而成功實現上位機控制下位機。對于進程管理塊（Process Control Block，PCB）設計而言，在保證電路功能的基礎上，元器件的布局盡可能的科學、合理，板子的尺寸應控制在一定范圍，電路的走線應規范、美觀。

3.1人機界面簡介

VB 是Visual Basic 的簡稱，編程語言為可視化編程Basic 語言，也是在 VB 開發環境下的編程語言。通過人機界面的信息交互，設置參數來改變直流電機 的工作模式，實現直流電機的上位機控制，從而成功 實現上位機控制下位機。本系統設計的人機界面包 括菜單、窗體和控制等設計元素。

（1）菜單：選擇程序的運行功能。

（2）窗體：一個可以調整控件和菜單位置的容器。

（3）控制：可通過一個按鈕程序來發送信號，再通過文本框輸來入數據，是人機界面的主要對象。

3.2PCB 設計軟件簡介

Protel DXP 是由Altium 公司開發的軟件，在系統PCB 設計方面，主要利用 PROTEL DXP 軟件繪制原理圖，生成網絡報表，設計PCB 并制版。主要有以下特點：

（1）Protel 是Windows 操作系統中的優秀軟件，有著友好的操作界面，方便設計師的使用和管理工 程文件，從而可以大大提高設計師工作的效率。

（2）Protel 是一個兼容多版本設計的文件與工程，可兼容新老版本。

（3）Protel 的電子元件的集成庫非常全面。在設計原理圖時就可以使PCB 封裝確定。

PCB 設計軟件提高了電子線路的設計效率和質量，主要功能是PCB 設計、原理圖設計、CAM 文件的編輯和驗證等功能。