簡易風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　王敏敏　王瑞鵬

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簡易風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王敏敏王瑞鵬

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于簡易風(fēng)洞的測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用MSP430F5529單片機(jī)作為主控核心，利用超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)簡易風(fēng)洞中小球的精確位置，通過PID算法調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制小球完成指定動(dòng)作，為了追求更好的人機(jī)交互體驗(yàn),采用了液晶屏顯示操作方法及管中小球狀態(tài)的保持時(shí)間，并且可通過矩陣鍵盤控制簡易風(fēng)洞中小球的動(dòng)作及位置。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)洞控制；測(cè)控系統(tǒng)；PID控制

在現(xiàn)代飛行器的研發(fā)測(cè)試中，風(fēng)速、壓力、溫度等物理量是非常重要的外部影響參量，但在實(shí)際情況下這些物理量不易調(diào)控，故現(xiàn)代飛行器的研發(fā)離不開風(fēng)洞，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞能夠模擬大部分現(xiàn)實(shí)情況，并且可以控制許多影響參量，通過風(fēng)洞測(cè)試中所得數(shù)據(jù)結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)理論可以衡量一架飛行器的性能。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易的風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)，風(fēng)速是此風(fēng)洞的可變因素，溫度、壓力等物理量不在本次設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)，風(fēng)速的調(diào)控體現(xiàn)在控制風(fēng)洞中物體的運(yùn)動(dòng)上，具體實(shí)現(xiàn)了小球在簡易風(fēng)洞中動(dòng)作與位置的實(shí)時(shí)測(cè)控。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路中，主要包括硬件設(shè)計(jì)方案和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入模塊可以選擇系統(tǒng)的工作模式，即小球的運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)顯示模塊可以顯示操作幫助、小球的位置和保持時(shí)間。選擇一種工作模式后，通過測(cè)距模塊實(shí)時(shí)感知風(fēng)洞中小球的位置，結(jié)合PID控制算法，主控核心單片機(jī)可輸出相應(yīng)占空比的PWM波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生不同的風(fēng)力，使小球完成設(shè)計(jì)的動(dòng)作任務(wù)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中簡易風(fēng)洞的硬件設(shè)計(jì)由風(fēng)機(jī)、PVC管、PVC連接塊簡易加工而成，在PVC管中間開鑿了一個(gè)38cm的長方形槽孔以方便觀察管中小球的位置。電路硬件主要由主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、輸入模塊、測(cè)距模塊以及顯示模塊構(gòu)成。

2.1主控模塊

采用MSP430系列中的MSP430F5529型號(hào)單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控核心。MSP430是一種應(yīng)用較廣的16位單片機(jī)，具備超低功耗和高性能等特點(diǎn)。它具有高度的集成度，只要添加少量的外圍器件，就可以實(shí)現(xiàn)一般的功能。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)使用的L298N模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，L298N是一種常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有高電壓、大電流、易使用等特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛，可用作步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。通過控制輸出PWM信號(hào)來調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的電壓，進(jìn)而可以使電機(jī)以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3輸入模塊

因主控板的IO口資源有限，故使用矩陣鍵盤來節(jié)省IO口，通過矩陣鍵盤掃描可以檢測(cè)哪個(gè)按鍵按下。

圖2　　超聲波模塊工作時(shí)序圖

2.4測(cè)距模塊

HC-SR04超聲波傳感器可實(shí)現(xiàn)精確的超聲波測(cè)距功能且操作簡易，故采用作為本系統(tǒng)的測(cè)距模塊。如圖2所示，主控板只需給Trig控制端輸入10us以上的高電平激勵(lì)，該傳感器本身就可自動(dòng)發(fā)射超聲波信號(hào)，待接收端檢測(cè)到反射回來的超聲波，輸出端Echo可輸出高電平信號(hào)，此電平信號(hào)持續(xù)時(shí)間與超聲波反射回來所用時(shí)間成比例，通過主控板中的定時(shí)器可以檢測(cè)此高電平的持續(xù)時(shí)間T，使用公式S=V*T/2即可得到與被測(cè)物體的距離。

2.5顯示模塊

LCD12864是一種使用廣泛的液晶顯示屏，相對(duì)于另一種液晶顯示屏LCD1602，其優(yōu)點(diǎn)在于LCD12864其數(shù)據(jù)傳輸不僅支持并口，而且可以進(jìn)行串口傳輸，其整屏也可以顯示64個(gè)字符。采用串口傳輸可節(jié)省大量單片機(jī)的IO口，故系統(tǒng)采用LCD12864作為系統(tǒng)的顯示模塊。

3　單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖三所示，為方便系統(tǒng)調(diào)試，整體設(shè)計(jì)思路運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)部分都有相應(yīng)子程序。

圖3　　程序設(shè)計(jì)流程圖

3.1超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)

風(fēng)洞管中小球位置的檢測(cè)運(yùn)用的是超聲波測(cè)距原理。超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)流程如圖六，其中 HC-SR04超聲波傳感器的激勵(lì)信號(hào)由主控單片機(jī)的定時(shí)器TA1.1產(chǎn)生，設(shè)置MSP430單片機(jī)的定時(shí)器TA0.1為在電平上升沿和下降沿均產(chǎn)生中斷的捕獲模式，可以分別得到定時(shí)器上升沿時(shí)的計(jì)數(shù)值N1和下降沿的計(jì)數(shù)值N2，結(jié)合計(jì)數(shù)溢出次數(shù)N3，可由公式(1)計(jì)算出超聲波反射回來所用時(shí)間T：

其中N為定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期數(shù)，對(duì)于MSP430F5529來說為65536；t為定時(shí)器計(jì)一次數(shù)所用的時(shí)間，即單片機(jī)定時(shí)器所選擇的時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，通過公式S=V*T/2 可得到所測(cè)距離,其中V為聲速。

3.2調(diào)速程序設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)的調(diào)速原理是通過主控板控制輸出不同占空比的PWM波，使其加在電機(jī)兩端的等效電壓與PWM波的占空比成比例。PWM波由MSP430F5529單片機(jī)中的定時(shí)器TA2.1輸出，TA2.1工作在增計(jì)數(shù)模式下的OUTMOD_7復(fù)位/置位輸出模式，TA2CCR0決定PWM波的周期，TA2CCR1決定PWM波的占空比，據(jù)此可以控制輸出可控占空比的PWM波。

但重點(diǎn)是輸出多大占空比的PWM波可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速得以精確控制。目前應(yīng)用比較成熟的控制算法有PID控制、模糊控制、專家控制。但是在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中，因各種不確定因素的存在，很難得到系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，此時(shí)選用PID控制是最為簡單易行的。

PID控制的原理是根據(jù)系統(tǒng)誤差，通過公式對(duì)比例P、積分I、微分D進(jìn)行運(yùn)算，最終得到輸出量。比例P能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)；積分I可以減小穩(wěn)態(tài)誤差；微分D能預(yù)測(cè)系統(tǒng)誤差的變化趨勢(shì)，進(jìn)而超前調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)調(diào)速程序設(shè)計(jì)流程圖如圖七所示，系統(tǒng)利用增量式PID算法進(jìn)行控制，增量式PID的計(jì)算方法如下：

此時(shí)的PID三個(gè)參數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定。

圖4　調(diào)速程序設(shè)計(jì)流程圖

4　系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建的實(shí)物測(cè)試平臺(tái)，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試后，PID參數(shù)最終選定結(jié)果為(8.3，0.28，78)。組成系統(tǒng)后各個(gè)模塊均可正常工作。用戶通過輸入模塊可以控制小球進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，經(jīng)過完整測(cè)試，系統(tǒng)可以控制小球在任意設(shè)定位置停留，并且是以較快的速度到達(dá)設(shè)定位置。當(dāng)用紙片部分擋住上端出風(fēng)口時(shí)，小球依然可以迅速恢復(fù)到指定位置，系統(tǒng)整體表現(xiàn)出較好的魯棒性、穩(wěn)定性、快速性。

5　總結(jié)

通過對(duì)實(shí)物平臺(tái)的測(cè)試，系統(tǒng)整體達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。本系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)以及自動(dòng)控制的基礎(chǔ)研究具有一定的參考作用，進(jìn)一步可以開發(fā)更為復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)，將對(duì)其作更深的研究和探討。

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王敏敏（1995－），男，江西吉安人，現(xiàn)就讀于西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。

作者簡介：

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510697008）。