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[K10项目分享] 行空板K10——行空霍尔无刷电机装置

本帖最后由云天于 2025-2-6 09:31 编辑

项目来源
为满足《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》中对信息科技与物理学科跨学科融合及人工智能的要求，结合生活中的电磁现象，设计了 “电磁驱动光盘旋转装置” 项目。该项目旨在让学生通过实践探索电磁感应、电生磁等物理原理，同时运用信息科技知识、语音识别技术，实现对装置的精准控制与优化，培养学生的跨学科思维与实践能力。

项目介绍
在本项目中，学生将使用行空板 K10、霍尔开关传感器、Mos 开关模块、铜绕圈、钕磁铁等元件，搭建一个电磁驱动光盘旋转装置。通过霍尔开关传感器感应钕磁铁的位置，利用 Mos 开关模块控制铜绕圈通断电，产生磁性排斥力，驱动光盘旋转。同时，结合行空板 K10 的语音识别功能，实现对装置的启动、断开、加速等操作控制，让学生深入理解电磁学原理在实际应用中的重要作用，以及信息科技在现代控制系统中的关键地位。

项目知识点

理解电磁感应与电生磁原理：通过实验观察铜绕圈通电后产生的磁性对钕磁铁的排斥作用，理解电生磁现象；利用霍尔开关传感器感应磁场变化，理解电磁感应原理。
掌握 Mos 开关模块的控制原理：了解 Mos 开关模块如何控制电流的通断，进而控制铜绕圈的磁性产生与消失，实现对光盘旋转的驱动控制。
学会使用行空板 K10 进行语音识别控制：掌握行空板 K10 的语音识别功能，通过语音指令实现对装置的启动、断开、加速等操作，体验信息科技在智能控制领域的应用。
理解线程技术在程序中的应用：在行空板 K10 程序中使用线程技术读取霍尔开关传感器的开关状态，了解线程技术如何提高程序的并发性与实时性，保证装置的稳定运行。
培养旧物利用与环保意识：项目中部分硬件使用旧物制作，如转子底盘的旧光盘、轴承的旧手指陀螺等，引导学生树立旧物利用、环保的观念，提高学生的动手制作能力与创新意识。

项目原理
本项目基于电磁学中的电生磁与磁生电原理，以及信息科技中的传感器技术、控制技术与编程技术。当霍尔开关传感器感应到钕磁铁的磁场时，产生电信号传递给行空板 K10，行空板 K10 根据预设程序，通过 Mos 开关模块控制铜绕圈通电，产生与钕磁铁 N 极相反的磁性，产生排斥力，驱动光盘旋转。通过不断调试铜绕圈与霍尔开关传感器的位置，以及行空板 K10 程序中的通电时间，实现对光盘旋转速度与稳定性的精准控制。同时，利用语音识别技术，实现对装置的远程语音控制，提高装置的智能化水平。

硬件介绍

行空板 K10 ：作为项目的核心控制板，集成 ESP32 - S3、摄像头、2.8 寸彩色 LCD、麦克风、扬声器、WiFi 蓝牙模块、RGB 指示灯及多种传感器和扩展接口于一体，支持图像检测、语音识别、语音合成、Mind + 图形化编程，MicroPython 编程，为项目的控制与数据处理提供强大的硬件支持。
霍尔开关传感器：用于感应钕磁铁的磁场变化，当钕磁铁靠近时，霍尔开关传感器输出高电平信号；当钕磁铁远离时，输出低电平信号，为行空板 K10 提供光盘位置信息，实现对光盘旋转的精准控制。
MOSFET直流开关模块：无开关次数无限，使用寿命长，同时不存在噪声和产生电火花。用于控制铜绕圈的通断电，根据行空板 K10 发送的指令，快速切换铜绕圈的电流状态，实现对光盘旋转的驱动控制。
铜绕圈：通电后产生磁性，与钕磁铁产生磁性排斥力，驱动光盘旋转。通过调整铜绕圈的电流大小与通电时间，可以控制光盘的旋转速度与稳定性。
钕磁铁：均匀固定在光盘一周边缘，N 极朝外，为霍尔开关传感器提供磁场信号，同时与铜绕圈产生的磁性相互作用，驱动光盘旋转。
光盘：作为转子部分，中间有轴承，可自由旋转。光盘一周边缘固定钕磁铁，通过钕磁铁与铜绕圈的磁性排斥力实现旋转运动。
轴承：安装在光盘中间，为光盘提供支撑与旋转轴心，保证光盘的稳定旋转。本项目中的轴承可从旧手指陀螺上拆下，实现旧物利用。
纸盒：作为项目底座，用于固定其他硬件元件，提供稳定的支撑结构。纸盒的使用体现了项目的环保理念，同时方便学生进行组装与调试。

硬件接线

霍尔开关传感器接线：将霍尔开关传感器的 VCC 引脚连接到行空板 K10 的 VCC 电源接口，GND 引脚连接到行空板 K10 的 GND 接口，数据引脚连接到行空板 K10 的数字引脚 P0，用于接收霍尔开关传感器的输出信号。
MOSFET直流开关模块接线：将 Mos 开关模块的 VCC 引脚连接到行空板 K10 的 VCC 电源接口，GND 引脚连接到行空板 K10 的 GND 接口，数据引脚连接到行空板 K10 的数字引脚P1，用于接收行空板 K10 发送的控制信号；MOSFET直流开关模块的OUT输出端连接到铜绕圈一端，铜绕圈另一端，接MOSFET直流开关模块输出端GND，与绕圈电源共地。控制铜绕圈的通断电，并测试绕圈NS级。
其他元件连接：将钕磁铁均匀固定在光盘一周边缘，N 极朝外；将光盘安装在轴承上，确保光盘可以自由旋转；将霍尔开关传感器固定在光盘附近，调整位置使其能够准确感应钕磁铁的位置；将纸盒作为底座，固定其他硬件元件，确保整个装置的稳定性。

程序流程

启动流程：学生通过语音指令 “启动” 向行空板 K10 发送启动命令，行空板 K10 接收语音指令后，通过 Mos 开关模块控制铜绕圈通电，产生磁性排斥力，驱动光盘开始旋转。
运行流程：在光盘旋转过程中，霍尔开关传感器不断感应钕磁铁的位置，并将位置信息反馈给行空板 K10；行空板 K10 根据霍尔开关传感器的信号，通过 Mos 开关模块控制铜绕圈的通断电，调整光盘的旋转速度与稳定性。
加速流程：学生通过语音指令 “加速” 向行空板 K10 发送加速命令，行空板 K10 接收语音指令后，调整铜绕圈的通电时间，增加磁性排斥力，使光盘旋转速度加快。
停止流程：学生通过语音指令 “停止” 向行空板 K10 发送停止命令，行空板 K10 接收语音指令后，通过 Mos 开关模块切断铜绕圈的电流，光盘逐渐停止旋转。
计算速度流程：霍尔开关传感器感应到钕磁铁“计数”加1，每隔秒计算一次转动速度，计算公式：计数/10，单位：圈/秒。（光盘一周有10个钕磁铁）

重点程序截图

语音识别程序：展示行空板 K10 如何通过语音识别功能接收学生的语音指令，并根据指令执行相应的操作，如启动、加速、停止等。
霍尔开关传感器读取程序：展示行空板 K10 如何读取霍尔开关传感器的开关状态，并根据状态信息控制铜绕圈的通断电，实现对光盘旋转的精准控制。
Mos 开关模块控制程序：展示行空板 K10 如何通过 Mos 开关模块控制铜绕圈的通断电，以及如何调整通电时间来控制光盘的旋转速度与稳定性。

外观结构设计
本项目的外观结构主要由纸盒、光盘、钕磁铁、轴承等元件组成，整体设计简洁实用，同时体现了环保与旧物利用的理念。纸盒作为底座，提供了稳定的支撑结构；光盘作为转子部分，通过轴承安装在纸盒上，可以自由旋转；钕磁铁均匀固定在光盘一周边缘，为霍尔开关传感器提供磁场信号；霍尔开关传感器、Mos 开关模块、行空板 K10 等元件固定在纸盒上，通过合理的布局与接线，实现整个装置的功能。学生可以根据自己的创意与喜好，对装置的外观进行美化与装饰，提高项目的趣味性与吸引力。