簡易風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：系統(tǒng)通過高速直流電機(jī)帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)壓，在管道內(nèi)產(chǎn)生空氣流動，構(gòu)成簡易風(fēng)洞。設(shè)計(jì)了以MSP430F149單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波檢測、電機(jī)驅(qū)動、液晶顯示器以及鍵盤控制，語音播報(bào)模塊構(gòu)成;通過PID核心算法，輸出可調(diào)占空比的PWM波，驅(qū)動小球的上下移動;并通過超聲波位置檢測模塊，實(shí)時(shí)檢測小球的高度。試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心模塊，通過電機(jī)驅(qū)動模塊帶動扇葉，向圓管之內(nèi)鼓風(fēng)，將乒乓球吹起。通過超聲波模塊將乒乓球在圓管之內(nèi)的位置檢測出來之后返回位置數(shù)據(jù)給單片機(jī)，通過單片機(jī)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(tǒng)當(dāng)前的參數(shù)。還可以通過矩陣按鍵設(shè)置參數(shù)，達(dá)到任意控制的要求，如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)方案論證

1.2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

系統(tǒng)采用1298N電機(jī)驅(qū)動模塊。L298N具有四通道輸出，可以驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)。且該模塊的驅(qū)動電流最大可以達(dá)到1.5 A?？梢詽M足電機(jī)的驅(qū)動要求，還可以在輸入端加上光耦隔離，可以防止電機(jī)停止時(shí)反向脈沖燒壞單片機(jī)。

1.2.2 定位模塊

超聲波的檢測距離長，可達(dá)到4.5 m，而且該模塊的反應(yīng)速度也較快?？梢愿鶕?jù)自己所要求的時(shí)間來具體調(diào)節(jié)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單，只需將該模塊的電位器調(diào)節(jié)就行，不足在于在垂直距離較長情況下，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(shè)計(jì)中采用了超聲波模塊與紅外對管檢測相結(jié)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(shù)字之外還可以顯示多種取模圖片。可以做到顯示多樣化。有較好的人機(jī)交換界面。

2 理論分析和計(jì)算

2.1 超聲波檢測距離計(jì)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)候就會馬上返回。假設(shè)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(jì)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(jù)系統(tǒng)之中的超聲波模塊的特點(diǎn)，通過計(jì)算可以得出在2 cm到4.5 m之內(nèi)的距離測量值。

2.2 自制風(fēng)機(jī)的確定

在系統(tǒng)中，需要將乒乓球在圓管之內(nèi)上下吹動，這就會對風(fēng)機(jī)的要求很高。普通的小風(fēng)扇無法滿足要求。所以選擇了高速直流電機(jī)，采用大PVC管和豎直圓筒，并結(jié)合鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，將風(fēng)吸入風(fēng)道之后，經(jīng)過一圈回流之后送入圓管。這樣自制風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定度高，較為可靠。圖2為自制風(fēng)機(jī)示意圖。

2.3 乒乓球控制算法的確定

對于乒乓球的運(yùn)動過程有著嚴(yán)格的要求。所以在控制小球的時(shí)候需要進(jìn)行精確控制，通過選擇適當(dāng)?shù)腜ID算法和有效的參數(shù)正定可以達(dá)到高精度控制目的。PID公式如式(2)所示。

根據(jù)上述公式，在最開始確定比例系數(shù)之后就開始確定微分器和積分器的數(shù)值。最終將三個(gè)系數(shù)寫入程序之中，達(dá)到穩(wěn)定。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在輸入信號之后，通過光耦隔離，在光耦內(nèi)部通過光電信號之間的轉(zhuǎn)換，將輸入的PWM波轉(zhuǎn)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(dá)到利用小電壓小電流驅(qū)動大電壓大電流的作用。驅(qū)動芯片選擇了常用的高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片L298N，其響應(yīng)頻率高，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動，制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。

3.2 主程序框圖

系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測量儀器

數(shù)字秒表，卷尺，數(shù)據(jù)表。

4.2 系統(tǒng)測試方法及測試數(shù)據(jù)

按圖5所示風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)入操作界面之后，開始測試。從第一項(xiàng)開始，逐項(xiàng)依次測試，使用卷尺及數(shù)字秒表，看時(shí)間是否達(dá)到要求。

4.3 測試結(jié)果

經(jīng)過一系列測試表明整個(gè)系統(tǒng)能夠完全達(dá)到要求。不僅僅是完成要求中的精度，更是在原來的精度要求之上更加的完善和精確，并且加入了語言播報(bào)系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)的不同狀態(tài)發(fā)出不同的聲音。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過測試，工作穩(wěn)定，精度高。系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

5 后記

簡易風(fēng)洞及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，此設(shè)計(jì)獲得2014年湖北省電子設(shè)計(jì)競賽TI杯，體現(xiàn)了自動控制與機(jī)械設(shè)計(jì)一體性的要求，是對自動控制原理的充分應(yīng)用。作品本身對于用于中小學(xué)學(xué)生對自動控制原理的理解和科普具有意義。