标签: 三相电机接单相电

摘要 本设计是旋转LED点阵广告牌，采用Altera公司Cyclone II系列的FPGA芯片CycloneIIEP2C5T144C8N作为核心器件实现对各功能模块电路的控制、同步检测、数据处理等功能。基于FPGA-CycloneII的旋转LED点阵广告牌的工作原理，在单列LED进行360度旋转时,如果将所有的发光二极管熄灭，由于视觉暂留感觉圆盘上方并没有图像，此时并在CycloneIIEP2C5T144C8N的控制下，在不同的位置在不同的时间区域让单列LED以不同的形式发光或者熄灭，从而显示出字符或者图像，并且字符或者图像给人一种悬浮在空中的感觉，具有视觉冲击力。此设计可以用于很多的场合，比如广告牌、家庭装饰、记分牌、娱乐显示等场所。   关键词：旋转LED点阵广告牌；FPGA；CycloneIIEP2C5T144C8N 一  方案设计与论证 1.1  系统方案设计与结构框图 1.1.1  系统方案设计 屏是通过一个旋转的支架，支架上单列的LED受CycloneII控制在特定的位置特定的时间亮或灭，从而显示出特定的字符或图形。本作品主要是根据人的视觉暂留原理设计的。人眼的视觉暂留时间是0.05S~0.2S的范围内，本设计采用220V交流电机带动LED高速旋转时，转动一圈的诗句只要小宇0.2S，从视觉效果上就会产生一种柱状的LED显示屏的状态。显示的字符或图形看起来是漂浮在空中的，不仅美观，而且新颖。 1.1.2  结构框图 本显示屏应由机械旋转部分、显示电路等几部分构成。结构框图如图1.1，如图所示所有显示部分的负载的电源均来自同一个电源。     图1.1  结构框图   1.2  旋转支架的方案设计与论证 本显示屏的2个设计方案只在机械旋转部分不同，软件部分相同。机械旋转部分由旋转支架和电机底座组成。本设计对机械部分要求高，特别的速度，速度上不去直接影响显示效果。速度的大与小完全取决于电机。由于电机的种类不同，如果扭矩过大的电机对旋转支架的制作也要严格，如果旋转支架质量不均匀，在电机启动后底座就会来回晃动，导致噪声的产生。根据以上情况设计出以下几种方案。 1.2.1  旋转支架方案设计 方案一：     旋转支架是一块长方形木条，将单列LED固定一个空铝管上，再将单列LED固定在长木条的一端，长木条的另一端通过连轴器和交流电机的轴固定。木板上放置LED驱动和电源，旋转支架及单列LED如图1.2。交流电机底座部分，将交流电机固定于木板上（木板中心有半径与电机一致的圆孔）。为了保证其稳定性，将电机与木板放入凹性铁槽中，打好孔后，用螺丝螺母固定。保险起见先看电机启动后，整个支架的稳定性，所以实验期间并没有放置FPGA。 图1.2  转动支架（方案一）      方案二： 旋转支架是一块以轴为中心的园盘，将单列LED（单列LED用4个发光二极管作为一个点，一个64个发光二极管形成16个点）固定在某一条直径上的一端，在各种元器件的摆放位置上尽量做到平衡放置的要求，所以在圆盘的圆心处放置电源、LED驱动、FPGA开发板（依次由下层到上层）。所有的部分都分别用螺丝固定在圆心处如图1.3所示。底座部分如图1.4所示，在凹形铁槽下方固定一块长方形木板，此木板与铁槽垂直。   图1.3  转动支架（方案二）   1.2.2  旋转支架方案论证 经过实验发现整机的机械结构是决定作品成败的关键。结构强度对稳定性影响很大。方案一在电机启动转动稳定后，由于以轴为中心的左右两端重量不对称，在加上电机力矩不够，使得在转动期间底座不稳定，来回晃动振动，而且由于发光二极管制作工艺上存在差别，在相同电流电压的情况下发光二极管的亮度不一样，所以LED亮度不够。方案二则针对方案一进行了改进，以四个发光二极管作为一个点，即增加了LED的亮度又提高了可靠性，由于四个二极管直接是并联的，如果有一个灯亮度不够或者坏了，其它的灯会弥补漏洞。底座的长方形木板与铁槽垂直固定就防止了底座的左右晃动，增强了底座的稳定性。（如图1.4）同时对转盘进行平衡调节，基本解决了转动的稳定性问题。由于我们的框架是纯手工制作，所以它的精度并不是很高，在高速旋转的情况下难免会有一定的声音。   图1.4  底座   1.3  电机选择的方案设计与论证 1.3.1  电机选择的方案 方案一： 由于需要高速旋转所以首先想到采用220V交流电机，电源容易获得。由于速度不理想，增加启动电容可以提高电机的速度。此电机本身接有容量为1.5µF耐压值为500V的启动电容，所以该接为容量为2µF耐压值为500V的启动电容，改接后的启动电容的容量与原启动电容的差值不可超过0.5µF，而耐压值必须高于400V。 方案二： 采用三相异步电机，三相电机速度快，扭矩大。不过三相异步电机的电源改为单相 ，方法为将其中两相接220V，第三相接电容，电容另一端接零线。电容的耐压值为400V以上的电容，由于三相异步电机的功率为90W，额定电流为39A，所以采用容量为5µF，耐压值为500V的电容。如果耐压值不够，则在启动电机后，不到半分钟电容将会发热，而且很烫手。所以不管电容的容量够不够，耐压值必须够。 1.3.2  电机方案论证 采用方案一，让所有的发光二极管发光，在电机启动后，在没有显示字符的情况下，经其他同学的观察后感觉速度慢。就采用方案二，用单相接三相异步电机，启动电机后，明显感觉速度快很多，可是由于三相异步电机扭矩很大，整个底座来回晃动，而且噪声很大。所以只能采用方案一，完成后显示字符后在看看效果。经过实验后发现应用方案一可以显示字符，而且噪音很小，底座也很稳定。 二  理论分析与计算 2.1  FPGA控制LED显示原理分析 这个设计对转速要求很高。由于人眼的视觉暂留时间在0.05S~0.2S之间，此设计旋转半径为16cm，所以每转动一圈所需的时间最多为0.2S。由于条件有限，在硬件制作方面花费了大量时间，而且转盘并不均匀，不过经过测量，转盘转速基本在478r/min，即每转动一圈所用的时间约为0.13秒，且小于0.2秒，以具有了视觉上的效果。由于半径为16cm，所以就形成了16乘100的点阵。由于CycloneIIEP2C5T144C8N系统时钟为50MHZ，即周期为20ns，如果只亮点阵的一列时，只需让单列LED发光时间大约持续计65000个系统时钟，这样在于红外对管配合即可完成显示。 2.2  红外对管原理分析 圆盘上有圆孔，发射部分固定在底座上，接收部分固定在圆盘上并且与圆孔重合，当圆盘转动到发射部分、圆孔、接收部分成一条直线时，开始计算，当圆盘第二次转动到发射部分、圆孔、接收部分成一条直线时，此时即为转动了一圈。这就是红外对管的作用，否则由于圆盘质量并不均匀，仅仅凭借软件是无法判断是否转动一圈的。 三  系统硬件设计 3.1  LED显示电路设计 如图3.1所示，用16个9012三极管驱动64个二极管，每个三极管驱动4个发光二极管。当基极输入低电平时三极管导通，发光二极管发光。     图3.1 发光二极管驱动电路图   3.2  红外对管设计     当D1发出的光照射到D2是，D2导通，则此时基极为高电平，9013三极管导通，向FPGA的IO口送入高电平，从而达到检测位置的目的。   图3.2  红外对管电路图   3.3  电源 电源采用8V电池供电，用LM7805转换成5V。为FPGA与LED供电。   图3.3  电源 四  系统软件设计 4.1  动态显示程序流程图 由于旋转支架质量并不均匀，所以每一圈转速并不一致。必须加一个标志位，确定起始位置，这样就能准确的知道是否转动了一圈。如果检测到起始位置，则开始控制LED亮灭的方式以及亮灭的位置即时间，当回来又检测到起始位置信号，说明已经旋转了一圈，这时需复位，即再按前一圈的模式控制LED显示状态。这样在支架所转动后形成的圆柱侧面就显示出一行字，这行字在各自的位置上固定不懂，这就是静态显示（字符并不移动）。静态显示受显示屏本身大小的限制，显示的字数有限。相对的就有动态显示。   图4.1  静态显示程序流程图   4.2  动态显示程序流程图 检测过程与静态显示一样，动态显示只是显示部分由变化。如果检测到起始位置，则开始控制LED亮灭的方式以及亮灭的位置即时间，如图4.2动态显示程序流程图，第一次控制LED以显示模块1的形式显示，当回来又检测到起始位置信号，说明已经旋转了一圈，此时则控制LED以模块2（模块n）的形式显示，依次循环，直到所有显示完毕。这样在支架所转动后形成的圆柱侧面就显示出一行动态变化的语句，语句中的每个字慢慢的向前移动，直到这句话结束。这就是动态显示。动态显示不仅仅局限于语句的移动，也可以是图画等更具观赏性的显示。   图4.2  动态显示程序流程图 五  系统测试与数据分析 5.1  基本部分的测试 FPGA的开发采用Verilog语言(硬件描述语言)，完成Verilog设计文件后，经过前仿真(功能仿真)、综合、布局布线、后仿真(门级仿真)后，下到芯片里就形成实实在在的电路，所以严格意义上讲FPGA开发不是在“写程序”，而是在“描述电路”。在FPGA的开发流程中仿真是非常重要的，仿真过程大约占开发总流程80%的时间，各大EDA公司对仿真过程在人力投入上也占到80%左右。 5.2  数据分析 我们采用业界流行的仿真工具Modelsim SE 6.0,各个功能模块的前后仿真均已通过。仿真图如下图5.1，此仿真波形为对时钟的分频，分频后的波形周期约为转动一圈的时间。此周期大约持续计65000个系统时钟。这样就可以进行静态显示和动态显示了。   图5.1   六 结语 本设计实现了LED点阵的静态显示、动态显示，显示出的字符在视觉上产生一种悬浮的感觉。制作过程中发现整机的机械结构是决定作品成败的关键，由于我们的框架是纯手工制作，所以它的精度并不是很高，在高速旋转的情况下难免会有一定的声音，但由于时间有限，系统还存在一些误差，存在很多有待改进的地方。 在制作旋转支架时最为艰难，旋转支架想到过很多方案，在实验过程中想到的方案一定要去实践，只要实践过后才知道此方案是否可行，凭空想象是不行的，否则时间久一点一点的浪费了。其次就是底座和旋转支架组合后效果一直上不去，纯手工制作的旋转支架根本不可能做出质量均匀的支架来，所以只能从细节着手，尽量让所有负载位于以电机轴为中心的位置上。 在心态方面也得到了成长。由于硬件制作过程花费了很长时间，其中有一段时间想要放弃，电机转速问题、底座稳定问题等困扰着我们，由于条件和知识有限很多问题难以解决，不过我们还是坚持了下来。经历了这个过程让我明白只有坚持即使前一秒没有希望，但后一秒就说不好了，不到最后一秒钟绝不放弃。要本着有什么用什么的原则，不是用什么有什么，这样才能在困难中崛起。 参考文献 夏宇闻.《Verilog数字系统设计教程》（第二版） ．北京市海淀区学院路37号.北京航空航天大学出版社．2008.6。 华成英,童诗白．《模拟电子技术基础》（第四版） ．北京市西城区德外大街4号：高等教育出版社．2006.6。 王诚,蔡海宁,吴继华．《Altera FPGA/CPLD设计基础篇》(第2版)．北京市崇文区夕照寺街14号.人民邮电出版社，2011.2。 阎石．《数字电子技术基础》（第四版） ．北京市西城区德外大街4号：高等教育出版社．2006.6。 王冠.《面向CPLD/FPGA的Verilog设计》.机械工业出版社.2007.4. 林灶生.《verilogFPGA芯片设计》.北京航空航天大学出版社.2006.7。 吴厚航.《深入浅出玩转FPGA》.北京航空航天大学出版社.2010.5。 吴继华，王诚.《设计与验证Verilog HDL》. 人民邮电出版社.2006.8。 （美）克里兹　著，孟宪元　译.《高级FPGA设计结构、实现也优化》. 机械工业出版社.2009.2。 Altera Cyclone II Device handbook.      http://www.altera.com.cn/literature/hb/cyc2/cyc2_cii5v1.pdf.   附录