簡易風洞控制系統(tǒng)設計

黃從貴，吳孔培

（無錫職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學院，江蘇無錫 214121）

簡易風洞控制系統(tǒng)設計

黃從貴，吳孔培

（無錫職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學院，江蘇無錫 214121）

以單片機MSP430F149為核心設計簡易風洞控制系統(tǒng)，利用超聲波傳感器實時測量小球高度，根據(jù)誤差產(chǎn)生由PID算法控制的PWM脈沖，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制，使小球穩(wěn)、快、準地在預定的軌跡上運動。模塊化設計，輸入系統(tǒng)采用獨立式鍵盤，設定工作模式，輸出系統(tǒng)采用LCD液晶模塊，實時顯示小球狀態(tài)信息。

MSP430F 149；PWM波；PID算法

一、前言

風洞，是以人工的方式產(chǎn)生并控制氣流，用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況，并可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設備。風洞是進行空氣動力研究最常用、最有效的工具，它除了主要應用于汽車、飛行器、導彈等設計領(lǐng)域，也適用于建筑物、高速列車、船艦的空氣阻力、抗壓實驗等。本系統(tǒng)是2014年TI杯大學生電子設計競賽的項目，可應用于簡易風洞中位置控制的自動控制裝置或設備。

簡易風洞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓管、連接部與直流風機構(gòu)成，其控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流風機的轉(zhuǎn)速使小球在風洞中按指定的軌跡運動（主要是小球的穩(wěn)、快、準的控制）。

二、理論分析與計算

實現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于建立數(shù)學模型，穩(wěn)、快、準地控制電機風扇風力的大小來改變小球在風洞中浮動的高度。

圖1 簡易風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（一）直流電機控制

根據(jù)電機學可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的計算公式為：n=（U-IR）/（Kф）式中，U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，ф為每極磁通量；K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。

可以看出，直流電機轉(zhuǎn)速和U、I有關(guān)，并且可控量只有這兩個，同時I又可以通過改變U進行間接改變，所以直流電機的控制方法比較簡單，歸根結(jié)底只需要調(diào)節(jié)電機的電壓U來改變轉(zhuǎn)速，電壓U越高則電機轉(zhuǎn)速越高，風扇風力就越大。

（二）PWM調(diào)速原理

直流電機的電樞電壓調(diào)節(jié)通過脈寬調(diào)制原理（PWM）來實現(xiàn)，即使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

當開關(guān)管的驅(qū)動信號為高電平時，開關(guān)管導通，直流電機電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，驅(qū)動信號重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復前面的過程。

則直流電機的電樞繞組兩端電壓平均值Uo為：Uo=（t1×Us+0）/（t1+t2）=（t1×Us）/T=DUs式中，D為占空比，D=t1/T。（0≤D≤1）。

本系統(tǒng)利用MSP430F149中Timer A的比較模式做PWM發(fā)生器，將管腳第二功能TA1或TA2配置成輸出，用增計數(shù)配合PWM方式6（即toggle/ set），其周期和占空比可變。此時，PWM周期即CCR0，占空比即CCR1或CCR2的值。用戶可以通過軟件任意改變占空比和周期，不需要過多占用CPU開銷。

（三）PID控制算法

為了實現(xiàn)穩(wěn)、快、準地控制風洞中小球的高度，在改變PWM波形占空比之前，需要對小球的高度偏差進行PID運算。PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例（P）、積分（I）、微分（D）計算出控制量進行控制的。模擬PID控制的數(shù)學模型可以用微分方程來表示。

由于計算機只能處理數(shù)字量，不能對連續(xù)變化的模擬量直接進行運算，所以在單片機控制系統(tǒng)中必須對模擬PID控制算法進行離散化處理，采用數(shù)字式的差分方程，如下所示：

式中，u（n）為n時刻調(diào)節(jié)器的輸出量，e（n）為n時刻調(diào)節(jié)器的偏差量；

Kp為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

式中，P、I、D分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

比例（P）控制對系統(tǒng)誤差瞬間做出快速反應；積分（I）控制的作用是消除靜態(tài)誤差；微分（D）控制的作用是改善動態(tài)特性。為了防止突發(fā)情況下，系統(tǒng)對直流電機的控制崩潰，程序中對PID控制量設置了最大值umax和最小值umin。由于單片機的處理速度和RAM資源的限制，本系統(tǒng)不采用浮點數(shù)運算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，采用增量式PID控制算法，大大提高了運算速度，見圖2。

圖2 增量式PID控制算法流程圖

三、控制系統(tǒng)設計

（一）總體方案

整個系統(tǒng)采用性價比較高的單片機MSP430F 149；小球高度檢測采用經(jīng)典的HC-SR04型超聲波傳感器；按鍵采用獨立鍵盤；顯示采用帶漢字庫的LCM12864模塊；直流電機驅(qū)動采用高耐壓、大電流達林頓管ULN 2003；風力控制采用性價比高的直流電機；風扇采用帶通風通道的風流，風力集中，能很好地吹到小球。整個系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤顯示模塊、高度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊與穩(wěn)壓電源模塊組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 簡易風洞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（二）單片機最小系統(tǒng)模塊

如圖4所示，單片機MSP430F149作為本設計的控制核心，其最小系統(tǒng)模塊包括：單片機、電源電路、時鐘電路、復位電路以及JTAG調(diào)試接口。

MSP430F149芯片是美國TI公司推出的具有16位總線的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2K字節(jié)RAM，低電壓供電，資源豐富，性價比高。

本系統(tǒng)以+5V直流電壓源Vcc為輸入電壓，Vcc經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片AS1117產(chǎn)生+3.3V；采用8MHz的外接高速晶振和32.768KHz的外接低速晶振。MSP430F149復位電路采用上電按鍵復位，低電平復位。MSP430F149內(nèi)部集成了JTAG模塊，通過14針的JTAG調(diào)試接口可以實現(xiàn)CPU程序仿真、在線調(diào)試等功能。

（三）高度檢測模塊

超聲波傳感器HC-SR04模塊對小球進行實時測距，獲得準確的小球高度數(shù)據(jù)，傳送給單片機MSP430F149進行分析處理。

HC-SR04模塊性能穩(wěn)定，測度距離為2cm～450cm，精度可達0.2cm。其基本工作原理如圖5所示：

圖5 超聲波時序圖

圖5超聲波時序圖

圖4 單片機最小系統(tǒng)電路圖

（1）模塊先通過I/O口TRIG觸發(fā)測距，并給出至少10us的高電平（TTL）信號；

（2）然后模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波，并自動檢測是否有信號返回；

（3）若有信號返回，則通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2。

（四）軟件設計

軟件設計基于Code Composer Studio IDE集成開發(fā)環(huán)境和Keil C51語言。軟件模塊主要有：主函數(shù)、高度檢測子函數(shù)、PWM調(diào)速子函數(shù)、PID控制子函數(shù)、鍵盤顯示子函數(shù)。系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖6所示，定時調(diào)用超聲波測距子函數(shù)判斷小球的高度，PID控制子函數(shù)對小球當前高度與設置高度進行差值計算，得出輸出控制量，再調(diào)用PWM調(diào)速子函數(shù)調(diào)整直流電機轉(zhuǎn)速，改變風扇風力，同時調(diào)用鍵盤顯示子函數(shù)完成控制系統(tǒng)的輸入輸出。

圖6 系統(tǒng)主函數(shù)流程圖

四、結(jié)束語

對于PID控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“穩(wěn)、快、準”的控制效果與PID控制參數(shù)緊密相關(guān)，所以PID參數(shù)的整定和選擇是本系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)中，先采用基于MATLAB語言仿真系統(tǒng)初步整定PID控制參數(shù)，觀察系統(tǒng)的響應情況，再結(jié)合工程整定法調(diào)節(jié)相應參數(shù)比例度，反復調(diào)試，直到達到控制指標為止。結(jié)果證明，筆者設計的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、超調(diào)量小、響應時間短、誤差小，同時在PID算法程序控制、實時誤差處理上，對自動化控制設備或裝置開發(fā)應用具有一定的借鑒意義。

[1]Dodson,MG.?An Historical and Applied Aerodynamic Study of the Wright Brothers'Wind Tunnel Test Program and Application to Successful Manned Flight[R].?US Naval Academy?Technical Report.2005.

[2]Barlow,J.B.Rae,W.H.and Pope.A.Low speed wind tunnel testing[J].John Wiley&Sons,Inc.1999.

[3]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社，2013.

[5]洪利.MSP430單片機原理與應用實例[M].北京航空航天大學出版社，2010.

[6]趙靜，張瑾.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真[M].北京航空航天大學出版社，2010.

（編輯：林鋼）

Design of Simple Wind Tunnel Control System

HUANG Cong-gui，WU Kong-pei
（School of the Internet of Things,Wuxi Institute of Technology,Wuxi,214121,China）

The control system of a simple wind tunnel is designed with an MSP430F149 single chip computer as the core component.The system measures the real-time height of the small ball using ultrasonic sensors,and produces PWM pulses controlled by the PID algorithm according to the error,which in turn control the speed of DC motor and keep the small ball moving stably,fast,and accurately on a predetermined trajectory.The system is an example of a modular design.It uses a separate keyboard as the input system,sets working mode,and uses LCD module as the output system to display real-time information of the ball’s state.

MSP430F 149；PWM wave；PID algorithm

TP 273

A

1671-4806（2014）06-0109-03

2014-10-18

2014年TI杯大學生電子設計競賽的項目

黃從貴（1977—），男，安徽桐城人，講師，碩士，研究方向為電子信息、自動控制；吳孔培（1982—），男，河南信陽人，講師，碩士，研究方向為電子信息、通信技術(shù)。