簡(jiǎn)易風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】本設(shè)計(jì)主要通過(guò)MSP430單片機(jī)控制直流風(fēng)機(jī)完成簡(jiǎn)易風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞由圓管，連接部與直流風(fēng)機(jī)構(gòu)成，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)紅外對(duì)管陣列采集光強(qiáng)信息檢測(cè)小球在圓管中的位置，同時(shí)由12864液晶顯示小球的高度位置及維持狀態(tài)的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)小球在簡(jiǎn)易風(fēng)洞中的位置控制。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)洞;MSP430;控制系統(tǒng)

1.引言

風(fēng)洞，是指在一個(gè)管道內(nèi)，用動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)一股速度可控的氣流，用以對(duì)模型進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)備。最常見的是低速風(fēng)洞。但由于風(fēng)洞造價(jià)過(guò)高，導(dǎo)致對(duì)氣流研究成本偏高。所以本次設(shè)計(jì)為一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)洞，可以在導(dǎo)管中研究小球漂浮時(shí)氣流對(duì)它的影響。

2.總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由主控板模塊、測(cè)距模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。圖中MSP430控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，按鍵和液晶顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過(guò)鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并通過(guò)控制器顯示到液晶屏上。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制器經(jīng)過(guò)數(shù)字PID運(yùn)算后改變PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確控制的目的。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器電路設(shè)計(jì)

MSP430是一個(gè)超低功耗的16位單片機(jī)，它處理速度快、運(yùn)算能力強(qiáng)、功耗低、片內(nèi)資源豐富、開發(fā)方便。其最小系統(tǒng)如圖2所示。

3.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器部分采用紅外對(duì)管進(jìn)行小球位置點(diǎn)信息的采集。紅外分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分為發(fā)射，另外一部分為接收，每當(dāng)小球穿過(guò)紅外的時(shí)候，電路會(huì)給主控芯片送入低電平，從而達(dá)到判斷小球位置的目的。電路圖如圖4所示。

圖2 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

圖3 紅外測(cè)距模塊電路原理圖

3.3 直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。也利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)接到ENA，ENB端子，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖4 直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖5 主程序流程圖 ? ? ? ? ? 圖6 PID控制器流程圖

4.程序設(shè)計(jì)

4.1 主程序流程圖

整個(gè)系統(tǒng)要求在程序中執(zhí)行各個(gè)子程序，按下相應(yīng)的數(shù)字鍵則執(zhí)行相應(yīng)的要求對(duì)應(yīng)的子程序。通過(guò)PID的精確計(jì)算，控制乒乓球移動(dòng)的距離。主程序流程圖如圖6所示。

在本設(shè)計(jì)中，這個(gè)反饋就是速度傳 感器返回給單片機(jī)當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是用這個(gè)反饋跟預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)速偏大，就減小電機(jī)兩端的電壓;相反，則增加電機(jī)兩端的電壓。其流程圖如圖6所示。

4.2 PID流程圖

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e （t）與輸出u （t）的關(guān)系為 u（t）=kp（e（（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt） 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）其中kp為比例系數(shù); TI為積分時(shí)間常數(shù); TD為微分時(shí)間常數(shù)。PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。

5.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用PID算法調(diào)節(jié)單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈寬占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的大小控制。通過(guò)對(duì)主控制模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊、數(shù)字PID算法等進(jìn)行組合優(yōu)化，最終達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)介：張亞（1980-），男，安徽穎上人，安徽理工大學(xué)研究生，工程師，現(xiàn)供職于常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。