本打算給孩子做個電磁擺小制作隨便玩玩的，沒想到越做涉及知識面越大，后面還發(fā)現(xiàn)這個小制作有了實際用途，最終打算把它做成一個成品，由于涉及內(nèi)容比較多，就想在CSDN里把實現(xiàn)的過程記錄下來備查，先存成草稿，當整個項目完成了再發(fā)布。文章可能會很長，流水帳式的，是經(jīng)驗積累過程中的完整記錄，有些內(nèi)容會給人自相矛盾的感覺，那是因為實驗中也有自我否定，失敗總結(jié)、反復(fù)嘗試的內(nèi)容，我不是一個經(jīng)驗豐富的傳道者，幾乎所有環(huán)節(jié)都是第一次做，在沒完整地讀完之前，不能斷斷章取義地拿來直接參考。這個過程更是一種自娛自樂，不喜勿噴。
先放一張鎮(zhèn)樓圖，這是一張用干膜法+阻焊+鍍錫并完成焊接的自制PCB與買來的51最小系統(tǒng)板合體的圖片，看那過孔的焊點還有排線的焊點，經(jīng)歷了多次失敗，焊接技術(shù)也有了一些提高。如果你對這樣?xùn)|西感興趣，就請繼續(xù)往下看。
一、自制電磁鐵
馬云家有很多賣電磁鐵的，各種電壓的都有，又美觀，但就失去了折騰的樂趣，小的時候用干電池+細電線+大鐵釘弄過電磁鐵，想來自己繞一只動力電磁鐵應(yīng)該也挺簡單的，至于什么線圈骨架、線徑、多少匝，繞幾層，一律沒概念。先繞著看，理論不足實踐補，只要上了電，有了磁，就有辦法調(diào)整到自己想要的效果。
1、獲取原料，拆變壓器
繞電磁鐵需要漆包線，這東西也有的賣，手邊如果有廢棄的變壓器或舊電機也能拆得出來。我拆了一只小交換機的變壓器，從外觀就能看出，它不是電子變壓器，碩大的外殼，里面一定藏著無數(shù)的線圈，掂在手里的份量也不是手機充電器可比的。這是一只220V AC~~9V DC的。拆開之后，細的那邊是接220v的，手工繞的話，不太好用，太細，一用力就斷。粗的這邊可以拆出來用剛剛好。拆出來的線圈是這樣的：
拆開之后里面還有這樣一張板子，收獲整流二極管4只、濾波電容1只。拍照時電容已經(jīng)被拆走，與繞好的電磁鐵并聯(lián)，繼續(xù)干它濾波的工作去了。
2、繞線圈
專業(yè)的術(shù)語叫線圈支架、骨架，電感骨架什么的，反正用這個詞兒，可以在萬能的店里買到任何你需要的，沒有的話還能定制。我的需求簡單，沒有具體參數(shù)，用不到這么專業(yè)的東西。如果是理論指導(dǎo)實踐的那種玩法，可以去買現(xiàn)成的哈。這個專業(yè)的術(shù)語也是看過很多資料之后知道的，用這個術(shù)語一搜，大開了眼界，以后要有時間了可以搞搞磁懸浮什么的。
我的做法很簡單，用一個小眼藥水的瓶子，抹點膠，繞一層，晾干，再抹，再繞。后來自己也不知道做出的東西行不行，就不那么嚴謹了，隨便繞繞先看下效果嘛，中間的磁芯就是變壓器里拆的矽鋼板搭成的一個長方體，就是這個樣子了：
用干電池上電，有磁性，能吸曲別針，但感覺磁力稍小，用來做動力磁鐵似乎力道不足，而且這個磁芯太高了，不太美觀，頭重腳輕的感覺。磁力不足好辦，多加線圈，轉(zhuǎn)念一想，那我還拆線圈干嘛，直接用變壓器里的次級線圈好了，把初級線圈給它摳掉。
3、直接用次級線圈
用上次級線圈，就美觀多了，骨架還可以繼續(xù)用，拆下來的時候小心一點，盡量不要讓E形鐵片變形，否則再插進去的時候，會有縫隙。
把E型鐵片重新插回去，注意這回不要對插了，要朝著一個方向插。長條形鐵片用不上了。圖中效果是通電后，把鉗子送上去，磁鐵“當”的一聲吸過去的情景，想用手掰下來都要費很大的勁。這回的磁力夠勁了，可以繼續(xù)后面的制做了。但是要注意的是，不要長時間通電，比如通個10秒鐘，導(dǎo)線都發(fā)燙，看樣子電流不小，不過用在電磁擺上倒問題不大。同時這里也埋了個伏筆，后面單片機程序控制時會考慮到，為了防止擺桿被物體擋住，使電磁鐵長時間處于通電狀態(tài)發(fā)生危險，程序中做了常開保護，如果電磁鐵連續(xù)通電時間達到5000次中斷（大約等于1秒鐘的時間），那么就通過軟件來斷電，不再允許磁鐵工作，除非手工重啟復(fù)位。電刷版沒想到什么好辦法處理這種風(fēng)險。
二、實現(xiàn)電刷版的電磁擺1、制作支架和擺桿 支架和擺桿都是硬紙板做的，這種東西在物流發(fā)達的時代隨處可得，選結(jié)實的，就不用細說了，發(fā)揮想像力，很容易做出來。整體效果就是這樣的： 
2、軸的設(shè)計
這里要重點說說軸的設(shè)計，這是整體電磁擺的關(guān)鍵所在，如上圖，我是用一根方便筷固定在紙板做的支架上，這時還沒固定，調(diào)試好可以把熱融膠固定住，中間穿了一小段硬質(zhì)吸管，吸管比筷子粗一點點，然后在吸管兩端用扎線帶卡位置，不讓吸管有橫向移動，把擺桿用膠粘在吸管上，輕輕推動擺桿，擺桿可以自由擺動，感覺不到太大阻力，就算合格。發(fā)文時這個軸已經(jīng)轉(zhuǎn)了上百萬次，健壯仍舊，幾乎沒有磨損。
3、電刷回路設(shè)計
前面說過，電磁鐵不能長時間通電，只在有需要時，給擺以推力即可，而給力的時間點，就在擺桿處在最低點的時候。這需要設(shè)計一個電刷回路，讓電路在擺桿處于最低點時導(dǎo)通，導(dǎo)通的瞬間產(chǎn)生磁力，推動粘在擺桿底部的永磁鐵遠離，一旦遠離，電刷與受電弓分離，電路自動關(guān)閉。制做過程就是在擺桿上埋一根線，在用紙板粘擺桿時就埋進去，免得牽扯擺桿自由擺動，在偏下部的位置，把線引出來，剝掉絕緣，拱成一個弓形，類似火車的受電弓，在架子一側(cè)粘一小段導(dǎo)線，多股線好一些，別太硬，讓擺桿推不動就不好了，讓導(dǎo)線尖端剛好經(jīng)過擺桿擺動路線。沒圖就沒真相，效果就照下面這樣：
有視頻更有真相：
https://v.qq.com/x/page/k0885w12ojr.html
4、電源選擇
直接用次級線圈做的電磁鐵，干電池有點帶不動，上面視頻中用的是四節(jié)18650并聯(lián)，18650是從壞的充電寶里拆出來的，充電寶中的18650直接是8節(jié)并聯(lián)焊在一起的，中間剪開這4節(jié)就直接用了，另外4節(jié)剛好是壞的，后來測試，三節(jié)串聯(lián)的力道更大，直接變身不當電磁擺了，可以轉(zhuǎn)圈圈、單臂大回環(huán)，向著一個方向一圈接一圈地猛轉(zhuǎn)。再多的串聯(lián)沒有測試，我估想9V的變壓器用的次級線圈，接個12V問題也不大吧，再大的電壓為了安全不打算測試。變壓器里拆出來的兩個電容（一個變壓器就一個哈，我后來又拆了一個，原裝次級線圈+1），并聯(lián)起來，再與電磁鐵并聯(lián)，視頻中有，就是用扎線帶扎起來的兩個電解電容，有了這兩個小東西，電刷不打火花，還增加了功率系數(shù)。
5、存在問題
第一、電刷壽命是最大問題，一開始根本沒想到這會是問題，本打算借此測試一下壞充電寶拆出來的電池還有多少余電，還能不能廢物利用，就在晚上睡覺前把電磁擺打開（其實挺危險的，新電池不要這樣做哈，如果電池真的沒電了，電刷還活著，電磁鐵會長時間通電，雖然可能沒力了，但會造成過放。）第二天早起一看，擺停了，不是因為沒電，是電刷斷了。再次換午睡時間測試，可能1小時多一點吧，又斷了。金屬疲勞先于電池沒電發(fā)生，當然要是交作業(yè)，做著玩玩也沒什么，擺起來就是成功了。
第二、噪音問題，電刷回路畢竟是有肢體接觸的，金屬與金屬的碰撞，會有不大的噪音，開始聽著挺有節(jié)奏感，久了就煩人了。還是想把它改進一下。（其實這是借口）
第三、電路常開風(fēng)險，如有異物或故障或電力不足導(dǎo)致擺桿停在最低點，可能造成電磁鐵長時間通電，要么燒毀線路或元件，要么電池過放。
三、單片機版電磁擺總體構(gòu)想
入坑之前從未接觸過單片機，但一直挺有興趣的，也是借著電刷版問題的由頭，想把單片機玩起來。不弄32、Arduino、樹莓派，就弄最基本的51單片機，先從便宜的玩起。
總體設(shè)想就是通過傳感器取得擺桿位置信息，傳給單片機，單片機在合適的時間點發(fā)出PWM信號給驅(qū)動電路，操控者可以自由控制驅(qū)動磁鐵力度，進行力度控制時由數(shù)碼管顯示，0-100表示“給力”的程度，比占空比更直觀。不調(diào)整PWM時，數(shù)碼管顯示上電以來的擺動次數(shù)，當個計數(shù)器用，使我能大致估算出軸或一些易損元件的壽命。單片機端5V，驅(qū)動端12Ｖ，驅(qū)動端的噪聲和干擾及各種波動通過光耦隔離，為了簡化電路，不想在成品中出現(xiàn)一個又一個的模塊，設(shè)計一個串聯(lián)型穩(wěn)壓電路將12V降為5V為單片機端供電（如果單片機和磁鐵分別供電隔離效果更好，折中一下吧，也有一部分原因是手里有點舊元件，想給用起來）
1、傳感器
一開始什么都不懂，又過了激情學(xué)習(xí)的最佳年齡：(，但喜歡動手直接測試，馬云家買來干簧管、霍爾、紅外模塊等等，一切可以用來當磁傳感器的東西，搭出各種電路來實驗，測試后發(fā)現(xiàn)，還是紅外效果最好，主要是紅外是個成品模塊，用起來非常方便 ，當模塊感應(yīng)到前方有約定頻率的回波（即物體遮擋）時，就會發(fā)出一個低電平給單片機，這就是該干活的時候了。
https://v.qq.com/x/page/c0885gdr8og.html
這是對紅外傳感模塊進行的單獨測試，成品模塊上有兩個LED，右邊亮表示上電，左邊亮表示有遮擋物，同時給單片機一個低電平。把模塊上的電位器調(diào)整到期望的位置，這個模塊就可以固定在這兒了。測試傳感器時，電刷已經(jīng)斷了，電磁鐵還沒有辦法控制，視頻中擺桿依靠的是慣性擺動。
2、數(shù)碼管
數(shù)碼管的驅(qū)動電路有現(xiàn)成的參考，我是打算用單片機直接驅(qū)動，不用IC，雖然IO可能占用的多一點，電路可能會復(fù)雜一點。IC驅(qū)動就極其簡單，但是缺少在蛛網(wǎng)一樣密布的導(dǎo)線中調(diào)優(yōu)查錯的樂趣。
驅(qū)動電路圖就是參考51開發(fā)版的原理圖，跟傳感器什么的一起買來的4位數(shù)碼管，共陽的。接好發(fā)現(xiàn)引腳定義與開發(fā)板上的數(shù)碼管引腳定義不一致，倒也不會燒壞，顯示“-H-H-”給你，表示它的不滿。找賣家要來引腳定義圖，重新接線，就OK拉。
3、光耦
以前沒聽說過這東西，看到有人用這個隔離單片機，就去搜了一下資料，這是個電信號單向傳遞隔離器，有一定放大作用，單片機這邊的5v高低變化，可以引起驅(qū)動電路部分12v的高低變化，但驅(qū)動部分的變化是無法反向傳播回單片機對其產(chǎn)生影響的。這是個好東西，我也要加上，光耦極其便宜，是用現(xiàn)金單買都買不到的那種便宜，就沒必要太貪小便宜了，查了手冊817什么的頻率太低，差不了幾個錢，直接上4N25，手冊上寫的理想條件下300Khz的頻率，足以確保信號不失真。因為沒什么設(shè)計經(jīng)驗，為了降低出錯機率和糾錯難度，也買了一塊現(xiàn)成的L298N驅(qū)動用于調(diào)試，下面的電路圖就是成功實現(xiàn)光耦隔離的電路，不單單是模擬，是實際搭建的電路也成功了，模擬器中用電機代替了電磁鐵。
下面的圖就是在面包板上的實際隔離電路，紅線左側(cè)區(qū)域是單片機信號區(qū)，右側(cè)是驅(qū)動部分，藍色圈中的就是光耦，IC端與驅(qū)動端完全隔離，沒有共地。
4、驅(qū)動
實驗過程中，驅(qū)動電路都是用的L298N，這款驅(qū)動用的人多，資料豐富，使用簡單，皮實耐操，響應(yīng)速度也沒覺得有問題，說明工作頻率也是不錯滴。使用L298N要注意共地，找齊低電平的標準。如果有光耦，那么就和光耦輸出端共地。
使用的總體感覺 ，這個L298N驅(qū)動還可以，信號和驅(qū)動電壓范圍都挺寬，只要別把12V接進信號端，怎么玩也玩不壞，美中不足是功耗有點大，表現(xiàn)為芯片發(fā)燙，輸出壓降大。進行其它模塊測試時用用它，免得自己設(shè)計的驅(qū)動有問題，不好排查，最終整合時不打算用的。通過一些資料收集，決定自己搭建mos管驅(qū)動電路，具體搭法后面再講。
5、供電
基本上決定用3節(jié)18650串聯(lián)，通過mos管直接驅(qū)動電磁鐵，同時引出一個串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，輸出一個穩(wěn)定5V給單片機。其實更合理的方案應(yīng)該是再用一節(jié)18650，參考充電寶的升壓電路，單獨為單片機供電，這樣隔離效果更好，壓差小，沒什么損耗，但是電池多了占地方，三節(jié)差不多了。這時，12V轉(zhuǎn)5V壓降有點偏大，效率也不高，費電，運行時這只8050別用手摸，小嫩手的話都能燙出泡來。暫時將就一下吧，8050便宜量足，大約1塊錢50個，燒壞再換（寫到這里的時候，第一只8050累計工作沒有100萬次也有8、90萬次了，最長連續(xù)運行時間試過30多小時，燙歸燙，還沒爆，這里均指擺桿擺動次數(shù)）。
6、PWM控制
要是有一臺示波器就好了，PWM基本都是在模擬器中進行的，實際電路沒有辦法調(diào)試精確的波形，整形更無從談起，簡單地看到占空比的變化能正確引起擺幅就變化就算成功拉。當然，我沒有直接用電磁鐵，先用一個同樣是感性負載的成品小電機試驗了一下。
下面的視頻中調(diào)試過程中錄的，不是最終版本，這個版本由于數(shù)碼管的顯示延遲，導(dǎo)致占空比控制不準確。
模擬示波器中的波形
https://v.qq.com/x/page/r08858dbm5v.html
電磁鐵的效果不夠直觀，而且本著模塊式調(diào)試思路，自建的PWM控制不與自制的電磁鐵同時調(diào)試，我先用一個玩具電機，測試一下PWM控制部分的效果
https://v.qq.com/x/page/o0885l0p43i.html
把模擬環(huán)境搬到實際環(huán)境，并接入自制電磁鐵操作的效果
https://v.qq.com/x/page/y0885mu52cw.html
后面經(jīng)過一些代碼微調(diào)，改用計時器中斷信號來精準控制占空比，效果就很好，可以達到持續(xù)輸出純高電平或純低電平而沒有一點跳變的效果，具體可以參考下面的程序代碼。
四，單片機程序設(shè)計
以前從未接觸過單片機，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)賣，一個代碼塊一個代碼塊的調(diào)試。不過，混跡CSDN的，這點程序應(yīng)該都不在話下。直接帖個源碼吧。
合成模塊最最終版.zip
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2019-7-16 21:32 上傳
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再帖一個波形，輔助理解：
綠線是紅外傳感器給出的信號波形，因為沒有示波器，這是用模擬器生成的1：1高低電平。當為低電平時，擺桿進入探測范圍，但注意，這時并不是最低點，此時做功，相當于給了擺桿半程阻力而非動力。
紅線是單片機發(fā)給驅(qū)動電路的波形，注意，這個低電平的持續(xù)時間，剛好是綠線的一半，其下降沿為擺桿最低點。
兩條黑線是計數(shù)器，第一條是什么忘記了。。。汗。。。第二條是當綠線為低電平時，中斷的次數(shù)，并把它保存起來，下次再進入此區(qū)域，當本次中斷次數(shù)>上次中斷次數(shù)一半時，再給驅(qū)動發(fā)送低電平。大致是這么個思路，時間久記不太清了，具體可以看代碼。
需要解釋的是，這些波形與PWM無關(guān)，在紅線為低電平時，發(fā)給驅(qū)動的信號并不是持續(xù)的低電平，這時發(fā)送的才是PWM信號。
五、驅(qū)動電路設(shè)計
單片機是不能直接驅(qū)動設(shè)備的，電壓可能夠，電流不給力。除了led這種小電流負載可以直接驅(qū)動之外，稍微重型一點的負載都要由驅(qū)動電路來完成。即使是led、數(shù)碼管什么的，也最好用低電平驅(qū)動，單片機灌電流能力遠大于拉電流能力，不論有沒有上拉電阻。驅(qū)動電路怎么搭建，我也是0經(jīng)驗，想過用三極管，比如8050，據(jù)說能帶動1.5A電流。簡單測一下，電磁鐵線圈電阻只有5歐，12V接上去，8050怕是扛不住，8050我在孩子玩壞的遙控小車里拆出好幾個，總惦記給用上，后面用在穩(wěn)壓電路上了，工作環(huán)境挺艱苦的，暫且不表。
通過搜集一些資料，發(fā)現(xiàn)用mos管做驅(qū)動效果不錯，一旦柵極完全導(dǎo)通，漏源極之間幾乎沒有電阻，簡直完美。而且這種東西不太貴，我又不會批量使用，就買好的（也就1塊5毛錢，土豪一把），選來選去，選一個大電流高電壓的mos管，它支持33A電流，100V電壓，在我的環(huán)境中，即使犯錯，也絕不會燒到它，型號是： IRF540N ，實際測試中，效果真不錯，一點不燙，溫都不溫，完美！跟L298N形成鮮明對比。
光耦和mos管結(jié)合的電路圖如下：
這只mos管，手冊上說柵集有4.5V電壓，Ds即可開啟，但這時開啟的并不徹底，Rds還是比較大，磁鐵線圈阻值又小，分給電磁鐵的電壓所剩無幾了，它完全開啟的電壓要10V以上，這時Rds幾乎為0，這也是驅(qū)動部分電源至少用3只18650的原因�？緳C的時候我把電池跑光過兩次，這個性質(zhì)還可以很好起到鋰電保護板的效果，3只18650，在還沒達到、即將瀕臨放電截止電壓時，已經(jīng)無力讓mos管完全開啟，驅(qū)動電路由于Rds阻值過大而斷路，此時單片機供電也同時出現(xiàn)問題，關(guān)機了，有效防止了鋰電過放，原理我搞不太明白，總之在過放安全電壓以上，電路自動停止工作，效果就很不錯。電路搭法參考手冊中的經(jīng)典電路，電阻取值有待考證，畢竟廠商不同，只能參考個大概，我的辦法就是圍繞mos管搭好測試電路，目標位置接好萬用表，電阻用電位器，邊調(diào)電阻邊觀察萬用表數(shù)值變化，測定出合適的阻值，再用接近的定值電阻代替。這一步手要穩(wěn)，有時不小心擰大勁了，電位器阻值過小，電位器直接冒煙了。
https://v.qq.com/x/page/p0885u8fxmx.html
上面的這個是在面包板上搭的驗證電路，51最小系統(tǒng)，光耦，mos驅(qū)動，數(shù)碼管，配置齊全了，電源暫時分別供應(yīng)，此時數(shù)碼管顯示的數(shù)字是紅外傳感器處于低電平時，中斷的次數(shù)。小擺幅情況下，觸發(fā)一次低電平，程序會中斷100次左右。當時的計數(shù)器初始值好像是128，1/11.059212128*100，結(jié)果大約是13毫秒，意味著擺桿經(jīng)過一次最低點，驅(qū)動電路會發(fā)出時長6.5ms的PWM信號，如果是50%占空比，實際驅(qū)動時間就大約是3ms。
六、整合到洞洞板
從面包板移植到洞洞板上，沒什么說的，圖也不帖了，上面的視頻里都有了。
洞洞板不可避免地使用飛線，我用的就是變壓器拆出來的漆包線，挺好用的，剪斷直接焊，不用處理絕緣漆，由于線徑比較粗，剪斷的同時，切口處的漆就開裂，加上切面裸露的部分，包住錫之后還是很穩(wěn)的。背面照片中的細一點的是網(wǎng)線抽出來的，無絕緣漆，一根vcc，一根gnd，繞板一周，方便取電接地，拖錫的話就比較浪費了。
焊的有多P我知道，不用噴了哈，首先技術(shù)P，然后錫P、烙鐵也P，這還是20年前讀大學(xué)時，暑期實習(xí)焊收音機留下的廢料呢。哦，看到照片順便提一句，洞洞板四角粘上了塑料螺母，免得焊點與桌面接觸造成虛連。51最小系統(tǒng)板也粘了的。
本來，做好洞洞板就應(yīng)該是終點了。不記得怎么逛來逛去的，就看上人家自己制作的漂亮的電路板了，心里長了草，也幻想著把難看的洞洞板做成漂亮的PCB，于是就有了后面這部分內(nèi)容。當然，打樣的事我也知道，成本也不高，但我覺得那更適合有經(jīng)驗的高手或者成品電路，對于沒經(jīng)驗的小白，自己畫的電路能不能正常工作都不知道就拿去打板，很可能要反復(fù)修改，打板的成本也不見得有優(yōu)勢了。
下一篇我把電路原理圖和PCB制板的源文件放上來，有興趣的自己下載下來研究哈。
原文：https://blog.csdn.net/xinew4712/article/details/91789668
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