【摘要】本設(shè)計主要通過MSP430單片機控制直流風(fēng)機完成簡易風(fēng)洞試驗。風(fēng)洞由圓管，連接部與直流風(fēng)機構(gòu)成，由單片機產(chǎn)生PWM控制直流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，通過紅外對管陣列采集光強信息檢測小球在圓管中的位置，同時由12864液晶顯示小球的高度位置及維持狀態(tài)的時間，從而實現(xiàn)小球在簡易風(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，是指在一個管道內(nèi)，用動力設(shè)備驅(qū)動一股速度可控的氣流，用以對模型進行空氣動力實驗的一種設(shè)備。最常見的是低速風(fēng)洞。但由于風(fēng)洞造價過高，導(dǎo)致對氣流研究成本偏高。所以本次設(shè)計為一個簡單的風(fēng)洞，可以在導(dǎo)管中研究小球漂浮時氣流對它的影響。

2.總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由主控板模塊、測距模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、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實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并通過控制器顯示到液晶屏上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到風(fēng)機驅(qū)動電路中，控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速達到實時、準(zhǔn)確控制的目的。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3.硬件設(shè)計

3.1 微控制器電路設(shè)計

MSP430是一個超低功耗的16位單片機，它處理速度快、運算能力強、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

傳感器部分采用紅外對管進行小球位置點信息的采集。紅外分為兩個部分，一個部分為發(fā)射，另外一部分為接收，每當(dāng)小球穿過紅外的時候，電路會給主控芯片送入低電平，從而達到判斷小球位置的目的。電路圖如圖4所示。

圖2 MSP430單片機最小系統(tǒng)電路原理圖

圖3 紅外測距模塊電路原理圖

3.3 直流風(fēng)機驅(qū)動電路設(shè)計

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

圖4 直流風(fēng)機驅(qū)動電路原理圖

圖5 主程序流程圖 ? ? ? ? ? 圖6 PID控制器流程圖

4.程序設(shè)計

4.1 主程序流程圖

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

在本設(shè)計中，這個反饋就是速度傳 感器返回給單片機當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速。簡單的說，就是用這個反饋跟預(yù)設(shè)值進行比較，如果轉(zhuǎn)速偏大，就減小電機兩端的電壓;相反，則增加電機兩端的電壓。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為積分時間常數(shù); TD為微分時間常數(shù)。PID 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，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

本設(shè)計利用PID算法調(diào)節(jié)單片機產(chǎn)生PWM脈寬占空比來控制電機轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)風(fēng)量的大小控制。通過對主控制模塊、風(fēng)機驅(qū)動模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊、數(shù)字PID算法等進行組合優(yōu)化，最終達到了設(shè)計要求。

參考文獻

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作者簡介：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)。