簡易風洞控制系統設計

【摘要】本設計主要通過MSP430單片機控制直流風機完成簡易風洞試驗。風洞由圓管，連接部與直流風機構成，由單片機產生PWM控制直流風機的轉速，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的時間，從而實現小球在簡易風洞中的位置控制。

【關鍵詞】風洞;MSP430;控制系統

1.引言

風洞，是指在一個管道內，用動力設備驅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備。最常見的是低速風洞。但由于風洞造價過高，導致對氣流研究成本偏高。所以本次設計為一個簡單的風洞，可以在導管中研究小球漂浮時氣流對它的影響。

2.總體設計方案

本系統主要由主控板模塊、測距模塊、顯示模塊、電機驅動模塊、電源模塊組成，系統方框圖如圖1所示。圖中MSP430控制器模塊為系統的核心部件，按鍵和液晶顯示器用來實現人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設置的參數和狀態輸入到單片機中，并通過控制器顯示到液晶屏上。在運行過程中控制器產生PWM脈沖送到風機驅動電路中，控制直流電機轉速，同時控制器經過數字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現電機轉速達到實時、準確控制的目的。

圖1 系統總體框圖

3.硬件設計

3.1 微控制器電路設計

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、片內資源豐富、開發方便。其最小系統如圖2所示。

3.2 傳感器電路設計

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，一個部分為發射，另外一部分為接收，每當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單片機最小系統電路原理圖

圖3 紅外測距模塊電路原理圖

3.3 直流風機驅動電路設計

電機驅動芯片L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。L298可驅動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，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。也利用單片機產生PWM信號接到ENA，ENB端子，對電機的轉速進行調節。直流風機驅動電路圖如圖5所示。

圖4 直流風機驅動電路原理圖

圖5 主程序流程圖 ? ? ? ? ? 圖6 PID控制器流程圖

4.程序設計

4.1 主程序流程圖

整個系統要求在程序中執行各個子程序，按下相應的數字鍵則執行相應的要求對應的子程序。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。

在本設計中，這個反饋就是速度傳 感器返回給單片機當前電機的轉速。簡單的說，就是用這個反饋跟預設值進行比較，如果轉速偏大，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 因此它的傳遞函數為：G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）其中kp為比例系數; TI為積分時間常數; TD為微分時間常數。PID 控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數據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的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。

5.結束語

本設計利用PID算法調節單片機產生PWM脈寬占空比來控制電機轉速，以實現風量的大小控制。通過對主控制模塊、風機驅動模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊、數字PID算法等進行組合優化，最終達到了設計要求。

參考文獻

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[2]孟亮.基于MSP430的風洞數據采集系統的開發設計[D].山東大學，2008.

[3]施保華，趙娟，田裕康.MSP430單片機入門與提高：全國大學生電子設計競賽實訓教程[M].武漢：華中科技大學出版社，2013，11.

作者簡介：張亞（1980-），男，安徽穎上人，安徽理工大學研究生，工程師，現供職于常州信息職業技術學院，研究方向：嵌入式系統。