簡(jiǎn)易風(fēng)洞控制系統設計與實(shí)現

摘要：系統通過(guò)高速直流電機帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉產(chǎn)生風(fēng)壓，在管道內產(chǎn)生空氣流動(dòng)，構成簡(jiǎn)易風(fēng)洞。設計了以MSP430F149單片機為核心的控制系統，該系統由MSP430單片機最小系統、超聲波檢測、電機驅動(dòng)、液晶顯示器以及鍵盤(pán)控制，語(yǔ)音播報模塊構成;通過(guò)PID核心算法，輸出可調占空比的PWM波，驅動(dòng)小球的上下移動(dòng);并通過(guò)超聲波位置檢測模塊，實(shí)時(shí)檢測小球的高度。試驗結果表明該控制系統具有響應速度快、控制精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統方案

1.1 系統總體方案設計

系統以MSP430單片機為核心模塊，通過(guò)電機驅動(dòng)模塊帶動(dòng)扇葉，向圓管之內鼓風(fēng)，將乒乓球吹起。通過(guò)超聲波模塊將乒乓球在圓管之內的位置檢測出來(lái)之后返回位置數據給單片機，通過(guò)單片機的判斷，控制風(fēng)力的大小，將乒乓球控制在所要求的位置。在240*128液晶上顯示界面和系統當前的參數。還可以通過(guò)矩陣按鍵設置參數，達到任意控制的要求，如圖1所示。

1.2 設計方案論證

1.2.1 電機驅動(dòng)模塊

系統采用1298N電機驅動(dòng)模塊。L298N具有四通道輸出，可以驅動(dòng)兩個(gè)直流電機。且該模塊的驅動(dòng)電流最大可以達到1.5 A?？梢詽M(mǎn)足電機的驅動(dòng)要求，還可以在輸入端加上光耦隔離，可以防止電機停止時(shí)反向脈沖燒壞單片機。

1.2.2 定位模塊

超聲波的檢測距離長(cháng)，可達到4.5 m，而且該模塊的反應速度也較快?？梢愿鶕约核蟮臅r(shí)間來(lái)具體調節發(fā)射和接收時(shí)間，操作較為方便。另一方面，紅外對管檢測方式具有模塊的操作簡(jiǎn)單，只需將該模塊的電位器調節就行，不足在于在垂直距離較長(cháng)情況下，需要繁瑣的步驟才能實(shí)時(shí)顯示球的所在位置。但可以作為某一位置點(diǎn)的定位之用。

因此設計中采用了超聲波模塊與紅外對管檢測相結合的方式進(jìn)行定位。

1.2.3 液晶顯示模塊

采用LCD240*128液晶顯示，除了能夠顯示出字母、數字之外還可以顯示多種取模圖片?？梢宰龅斤@示多樣化。有較好的人機交換界面。

2 理論分析和計算

2.1 超聲波檢測距離計算

由于超聲波原理，超聲波在空氣之中傳播遇到障礙物的時(shí)候就會(huì )馬上返回。假設超聲波的傳播速度為V，發(fā)射和接收的時(shí)間差為t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離S，如公式(1)所示。

S=V*△t/2 (1)

根據系統之中的超聲波模塊的特點(diǎn)，通過(guò)計算可以得出在2 cm到4.5 m之內的距離測量值。

2.2 自制風(fēng)機的確定

在系統中，需要將乒乓球在圓管之內上下吹動(dòng)，這就會(huì )對風(fēng)機的要求很高。普通的小風(fēng)扇無(wú)法滿(mǎn)足要求。所以選擇了高速直流電機，采用大PVC管和豎直圓筒，并結合鼓風(fēng)機結構，將風(fēng)吸入風(fēng)道之后，經(jīng)過(guò)一圈回流之后送入圓管。這樣自制風(fēng)機結構簡(jiǎn)單，穩定度高，較為可靠。圖2為自制風(fēng)機示意圖。

2.3 乒乓球控制算法的確定

對于乒乓球的運動(dòng)過(guò)程有著(zhù)嚴格的要求。所以在控制小球的時(shí)候需要進(jìn)行精確控制，通過(guò)選擇適當的PID算法和有效的參數正定可以達到高精度控制目的。PID公式如式(2)所示。

根據上述公式，在最開(kāi)始確定比例系數之后就開(kāi)始確定微分器和積分器的數值。最終將三個(gè)系數寫(xiě)入程序之中，達到穩定。

3 電路與程序設計

3.1 電機驅動(dòng)電路設計

在輸入信號之后，通過(guò)光耦隔離，在光耦內部通過(guò)光電信號之間的轉換，將輸入的PWM波轉換為電流電壓相對較大的PWM信號。其信號保持一致或者取反。輸出之后可以達到利用小電壓小電流驅動(dòng)大電壓大電流的作用。驅動(dòng)芯片選擇了常用的高電壓大電流的全橋驅動(dòng)芯片L298N，其響應頻率高，還可以實(shí)現頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉等優(yōu)點(diǎn)，電機驅動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

3.2 主程序框圖

系統主程序框圖如圖4所示。

4 測試方案與測試結果

4.1 測量?jì)x器

數字秒表，卷尺，數據表。

4.2 系統測試方法及測試數據

按圖5所示風(fēng)洞結構圖，進(jìn)入操作界面之后，開(kāi)始測試。從第一項開(kāi)始，逐項依次測試，使用卷尺及數字秒表，看時(shí)間是否達到要求。

4.3 測試結果

經(jīng)過(guò)一系列測試表明整個(gè)系統能夠完全達到要求。不僅僅是完成要求中的精度，更是在原來(lái)的精度要求之上更加的完善和精確，并且加入了語(yǔ)言播報系統，可以根據系統的不同狀態(tài)發(fā)出不同的聲音。整個(gè)系統經(jīng)過(guò)測試，工作穩定，精度高。系統實(shí)物如圖6所示。

5 后記

簡(jiǎn)易風(fēng)洞及控制系統設計與實(shí)現，此設計獲得2014年湖北省電子設計競賽TI杯，體現了自動(dòng)控制與機械設計一體性的要求，是對自動(dòng)控制原理的充分應用。作品本身對于用于中小學(xué)學(xué)生對自動(dòng)控制原理的理解和科普具有意義。