基于MicroPython的PWM風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制方式

劉菁 李相朋 劉瀚旗 鄧中民

摘要：傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方式都是通過匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫，但代碼多、編寫復(fù)雜、不易調(diào)試。Python語(yǔ)言相較而言，封裝了大量的庫(kù)函數(shù)，極大地降低了開發(fā)的難度，代碼更簡(jiǎn)短，運(yùn)行效率更高。MicroPython語(yǔ)言是Python語(yǔ)言的精簡(jiǎn)版，通過使用基于MicroPython開發(fā)語(yǔ)言和Pyboard_1.1_CN實(shí)驗(yàn)板，將Python編程語(yǔ)言直接運(yùn)行在STM32F405單片機(jī)嵌入式開發(fā)板上，通過控制芯片端口發(fā)送高低電平，從而運(yùn)用PWM方式控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以跟隨不同PWM穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：MicroPython；Pyboard；PWM；嵌入式開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）17-69-3

0引言

早期的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方式都是采用匯編和C語(yǔ)言編寫，在開發(fā)過程中，開發(fā)者需要掌握底層硬件的知識(shí)，如定時(shí)器，時(shí)鐘分頻和CPU芯片架構(gòu)，同時(shí)還要求開發(fā)者熟練掌握C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的編程技巧，對(duì)開發(fā)者要求較高[1-3]。隨著處理器集成度的增強(qiáng)，現(xiàn)在可以采用代碼簡(jiǎn)短易懂的Python語(yǔ)言進(jìn)行編寫，大大降低了初學(xué)者的學(xué)習(xí)難度。MicroPython是可以直接在微型控制器上運(yùn)行的Python，是Python編程語(yǔ)言的精簡(jiǎn)版[4]。MicroPython與Python一樣封裝了大量庫(kù)函數(shù)，開發(fā)者可以直接調(diào)用就可完成復(fù)雜的工作?；贛icroPython的PWM風(fēng)扇控制相較于傳統(tǒng)的C語(yǔ)言開發(fā)模式，編程簡(jiǎn)單、代碼量少，可讀性強(qiáng)且容易實(shí)現(xiàn)。

1硬件設(shè)計(jì)

PWM風(fēng)扇控制系統(tǒng)的硬件主要包括Pyboard_1.1_CN STM32F405芯片電路和PWM風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制電路。

STM32F405芯片采用MicroPython編程，是一款帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元的由ARM公司設(shè)計(jì)的Cortex-M4 32位的處理器，該芯片具有1 MB容量的閃存、196 KB隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和高達(dá)168 MHz的主頻、多達(dá)140個(gè)具備終端功能的輸入輸出端口和15個(gè)通信接口，因其功能多、開發(fā)方便、價(jià)格便宜，所以采用此芯片作為開發(fā)環(huán)境，如圖1所示。

PWM風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制電路是通過比較器LM393[5]和MOS管[6]實(shí)現(xiàn)的，通過控制芯片Y3引腳輸出高低電平，并與參考電壓Vref比較，當(dāng)Y3的輸出電壓大于Vref時(shí)，比較器輸出則為高電平，此時(shí)NMOS管>（on），此時(shí)NMOS管導(dǎo)通，風(fēng)扇處于接通狀態(tài)，開始工作。當(dāng)控制芯片Y3引腳輸出電壓為低電平小于時(shí)，比較器輸出為低電平，此時(shí)NMOS管

<0截止，此時(shí)風(fēng)扇停止工作。通過控制芯片輸出不同占空比的脈沖從而控制風(fēng)扇的加速減速的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。PWM系統(tǒng)硬件如圖2所示。

2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序首先導(dǎo)入pyb里面的定時(shí)器模塊、按鍵模塊和管腳模塊，控制芯片通過管腳Y3和Y4發(fā)送高低電平，分別經(jīng)過定時(shí)器4和11以及通道3和1發(fā)送PWM信號(hào)，通過設(shè)置PWM脈沖的占空比，以10%的速度增加到100%后再以10%速度降低到0，再以10%的速度增加到100%再下降，如此循環(huán)往復(fù)。從而讓風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)。部分代碼如下：

pin_y3=Pin（Y3）

3程序流程圖

系統(tǒng)采用Micropython編程實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，通過控制芯片Y3（Y4）輸出PWM信號(hào)從而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，程序流程如圖3所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過程序運(yùn)行后的波形圖，如圖4所示，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以跟隨不同PWM穩(wěn)定運(yùn)行。

5結(jié)束語(yǔ)

通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明MicroPython在嵌入式平臺(tái)具有很好的適用性，還可以通過直接調(diào)用函數(shù)，控制溫濕度傳感器、RGB燈帶、伺服器、AD/DA轉(zhuǎn)換等，只需要通過少量的程序代碼，就可以實(shí)現(xiàn)多種功能。該模塊的電路設(shè)計(jì)通過比較器和MOS管實(shí)現(xiàn)，比較器可以靈活定義高低電平的門限電壓，設(shè)計(jì)更加靈活，MOS管體積小，能通過較大的電流，且內(nèi)含體二極管在控制風(fēng)扇斷開時(shí)可以吸收風(fēng)扇產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，減少控制電路的損害風(fēng)險(xiǎn)。電路設(shè)計(jì)和程序控制都具有很好的實(shí)用性，后續(xù)可擴(kuò)展應(yīng)用于其他實(shí)驗(yàn)開發(fā)或教學(xué)展示等應(yīng)用領(lǐng)域。程序結(jié)果也驗(yàn)證了MicroPython開發(fā)語(yǔ)言在嵌入式開發(fā)平臺(tái)的實(shí)用性和可行性，對(duì)其他風(fēng)扇控制系統(tǒng)的應(yīng)用具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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