简易风洞控制系统设计

【摘要】本设计主要通过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞试验。风洞由圆管，连接部与直流风机构成，由单片机产生PWM控制直流风机的转速，通过红外对管阵列采集光强信息检测小球在圆管中的位置，同时由12864液晶显示小球的高度位置及维持状态的时间，从而实现小球在简易风洞中的位置控制。

【关键词】风洞;MSP430;控制系统

1.引言

风洞，是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备。最常见的是低速风洞。但由于风洞造价过高，导致对气流研究成本偏高。所以本次设计为一个简单的风洞，可以在导管中研究小球漂浮时气流对它的影响。

2.总体设计方案

本系统主要由主控板模块、测距模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成，系统方框图如图1所示。图中MSP430控制器模块为系统的核心部件，按键和液晶显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并通过控制器显示到液晶屏上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到风机驱动电路中，控制直流电机转速，同时控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速达到实时、准确控制的目的。

图1 系统总体框图

3.硬件设计

3.1 微控制器电路设计

MSP430是一个超低功耗的16位单片机，它处理速度快、运算能力强、功耗低、片内资源丰富、开发方便。其最小系统如图2所示。

3.2 传感器电路设计

传感器部分采用红外对管进行小球位置点信息的采集。红外分为两个部分，一个部分为发射，另外一部分为接收，每当小球穿过红外的时候，电路会给主控芯片送入低电平，从而达到判断小球位置的目的。电路图如图4所示。

图2 MSP430单片机最小系统电路原理图

图3 红外测距模块电路原理图

3.3 直流风机驱动电路设计

电机驱动芯片L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。也利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端子，对电机的转速进行调节。直流风机驱动电路图如图5所示。

图4 直流风机驱动电路原理图

图5 主程序流程图           图6 PID控制器流程图

4.程序设计

4.1 主程序流程图

整个系统要求在程序中执行各个子程序，按下相应的数字键则执行相应的要求对应的子程序。通过PID的精确计算，控制乒乓球移动的距离。主程序流程图如图6所示。

在本设计中，这个反馈就是速度传 感器返回给单片机当前电机的转速。简单的说，就是用这个反馈跟预设值进行比较，如果转速偏大，就减小电机两端的电压;相反，则增加电机两端的电压。其流程图如图6所示。

4.2 PID流程图

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e （t）与输出u （t）的关系为 u（t）=kp（e（（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt） 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）其中kp为比例系数; TI为积分时间常数; TD为微分时间常数。PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

5.结束语

本设计利用PID算法调节单片机产生PWM脉宽占空比来控制电机转速，以实现风量的大小控制。通过对主控制模块、风机驱动模块、LCD显示模块、键盘模块、数字PID算法等进行组合优化，最终达到了设计要求。

参考文献

[1]徐晓津.风洞实验室传感器3D定位装置的研究[D].昆明理工大学，2011.

[2]孟亮.基于MSP430的风洞数据采集系统的开发设计[D].山东大学，2008.

[3]施保华，赵娟，田裕康.MSP430单片机入门与提高：全国大学生电子设计竞赛实训教程[M].武汉：华中科技大学出版社，2013，11.

作者简介：张亚（1980-），男，安徽颖上人，安徽理工大学研究生，工程师，现供职于常州信息职业技术学院，研究方向：嵌入式系统。