2014年TI杯大学生电子设计竞赛赛题-G题风洞控制系统-论文

1、2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛G 题：简易风洞及控制系统猾职组）G 题）【摘要】简易风洞采用内径为 44 的透明有机玻璃圆管 z 控制系统采用MSP430F5438师为主寸芯片,通过红外对管传感器检测小球位置,实时反馈, 主控芯片内部程序与反馈的数字量进行比较调节输出占空比，通过L29N驱动直流离心风机进行 PWMS速，形成闭环控制，从而实现小球在风洞中的位置控制，同时在LCD显示屏上实时显示系统控制模式、小球位置和悬浮时间，从而精准完成全部设计要求 , 并设计自主发挥电 路 , 动态显示小球所在位置及每个传感器状态 , 并依据不同环境，使用电位器, 对风机控制电压进行调控。【关键词

2、】离心风机PWMC外对管风洞1 系统方案 3L1 设计要求 31.1.1 任务 31.1.2 要求 3L2总体方案 3L2.1 方案论证与比较 31.2.2系统组成 42 设计与论证 52.1 风洞控制实现方 j 去 52.1.1 J4洞装置的设计 52.1.2 风机的选择 52.1.3 风机调速方式 52.1.4 检测传感器的选用 2.2 电路设计及参数计算 6221 主控电路 62.2.1 位置检测电路 82.2.2 电机驱动电路 82.2.3 电源电路 9225 显示电路 10226矩阵键盘电路 112.2.7 自主发挥电路设计 122.3 程序流程图设计 133 系统测试方法与结果 1

3、43,测试条件 143.2 测试方法 143.3 测试结果 15参考文献 171系统方案1.1设计要求1? 1? 1任务设计制作一简易风洞及其控制系统。风洞由圆管、连接部与直流风枫勾成，如图1所示。圆管竖直放置，长度约40cm,内径大于4cm且内壁平滑，小球 (直径4cm黄色乒乓球)可在其中上下运动；管体外壁应有 A、B、C、D等长标 志线，BC段有lcm间隔的短标志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部 的格栅。控 制系统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。1.1.2要求(1)小球置于圆管底部，启动后 5秒内控制小球向

4、上到达 BC段，并维 持5秒 以上。当小球维持在BC段时，用长形纸板(宽度为风机直径的三分之一)遮挡风机的进风口，小球继续维持在 BC段。以C点的坐标为0cm、B点的坐标为10cm;用键盘设定小球的高度位图】风洞组成 置(单位：cm),启动后使小球稳定地处于指定的高度 3秒以上上下波动 不超过土 lcm0(4)以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时 小球置于圆管底部，启动后 5秒内控制小球向上到达圆管顶部处 A端，且不跳离, 维持5秒以上。(6)小球置于圆管底部，启动后30秒内控制小球完成如下运动：向上到达 AB段并维持3? 5 秒，再向下到达 CD段并维持3? 5;再向上到达

5、AB段并维持3? 5,再向下到达 CD段 并维持3? 5 ;再向上冲出圆管(可以落到管外)。 风机停止时用手将小球从 A端放入风洞，小球进入风洞后系统自动启动，控制小球的F落不超过D点，然后维持在BC段5秒以上(8)其他自主发挥耐1.2总体方案1.2.1方案论证与比较方案一：主控芯片采用 STC公司的8位单片机89C51，共有32个I/O 口，电源电压为 + 5V ;风机可采用用于笔记本计算机的 DC 12V 0.12A散热风扇；使用40超声波传感器检测兵 兵球 位置；通过电压比较不断调节 MOS管IRFZ44N的栅极电压，来改变风机的输入电压，进 行风机 的调速，从而实现小球控制，完成风洞控

6、制系统。但在实际使用中由于51单片机性能所 限，且没有内置的硬件脉宽调试(PWM)模块，而软件模拟较为复杂，占空比调节速度慢，从而导致风机调速较慢 ，小球位置难以 实时得到控制，并传感器的检测出现误判和盲点，无法达到系统设计要求。方案二：主控芯片采用 TI公司的16位单片机MSP430F5438A，共有11*8个I/O 口，供电 电压 为+ 3.3V;风机采用笔记本计算机的 DC 12V 0.24A散热风扇；使用17个红外对管传感器检 测兵 兵球位置；通过PWM脉宽调制，进行风机的调速，从而实现小球控制，完成风洞控制系统。430单片机的运行速度为51单片机的8-10倍，具有硬件脉宽调制功能，能

7、及时调节占空比，并能通过在线编程及时观测运行状态，从而实现对风机转速的控制，红外对管的位置检测基本达到要求，但风机的功率较小，部分系统要求无法实现。方案三：主控芯片采用 TI公司的16位单片机MSP430F5438A，主控片内带有丰富的功能 和 较多的I/O 口，最主要的是有硬件的脉宽调试模块，拥有速度快，配置简单，稳定性好等。风机调整为DC 5? 9V , 2.35? 4.23W的离心风机，使用13对红外对管在指点位置每间隔lcm旋转 72 C放置，并在A点、D点、AB段中间和CD段中间各放置一对，以精确检测兵兵球位 置；并 通过PWM脉宽调制，进行风机的调速，从而实现小球控制，完成风洞控制

8、系统。离心 风机比普通散 热风扇的功率大，启停反应速度快，送风距离较远，便于控制小球的位置，红外 传感器的选用和有效 安装避免了误判，从而实现了精准的系统设计要求。方案选择：综上所述，选择方案三实现风洞控制。1.2.2系统Z眈本系统组成框图如图2所示离心风机电机张动电路主控芯片MSP430F5438AI图2系统框图2设计与论证2.1 风洞控制实现方法2.1.1 风洞装置的设计方案一：采用透明UP-VC材料的圆管作为风洞z用冰箱保鲜袋作为连接部，UPVC硬度适中，抗冲强度高，非常适合打孔等操作，冰箱保鲜袋可塑性容易，价格低廉。但是 UPVC价格比较贵，冰箱保鲜膜的形状受外界影响太大，对风机送出的

9、风向也会造成影响。方案二：采用内径为44有机玻璃圆管，硬度较硬，抗冲强度较弱，透明 度 较高，连接部同样采用有机玻璃材料，采用螺纹套扣的方式和风机进行完美的连接，又可以当做最终作品支架的一部分，如图3所示，并且有机玻璃圆管的价格比 UPVC圆管的价格低。图3简易风洞装置方案选择：采用有机玻璃圆管的整体装置设计美观 ，风机送风稳定，抗干扰性强”使用效 果 佳，故选择了方案二。2.1.2 风机的选择方案一：采用用于笔记本计算机的 DC 12V 0.12A或0.24A散热风扇，价格低廉，购买容易，但是输出功率与风扇体积相关，安装有一定困难，电机反应速度较慢，风速控制难度较 大，风控控制要求难以实现。

10、方案二：采用DC 5? 9V , 2.35? 4.23W的离心式风机，体积小，送风口较小，比普通散热风扇的功率大，送风均匀，送风距离较远，价格同样低廉，且反应速度快，便于控制小球的位 置。方案选择：综上所述，故选择了方案二。2.1.3 风机调速方式方案一：由单片机 D/A输出的0? 5V电压z输入至运算放大器(OP07)的同相输入端，作 为基准电压，与反馈电压进行比较，比较器的输出与MOS管(IRFZ44N)的栅极相连，MOS管的源极为风机的输入电压，通过栅极电压的改变实现风机的调速。MSP435F5438A）定时器方案二：采用脉宽调制技术(PWM),直接将恒定的直流电压调制成可变大 v和极性

11、的直流电压作为电动机的电枢端电压，由单片机 (模块产生不同的占空比，进而调节离心风机的转速。方案选择：PWM调速便于控制z相应速度较快，抗干扰性强，故选用方案二。2.1.4检测 传感器的选用方案 _ : 采用一对 40 的超声波传感器, 安装在风洞连接口处, 检测小球实际 运动位置。方案二：采用15对巧红外对管传感器z进行检测乒乓球的位置，其中13对红外对管在指 点位置每间隔 lcm 旋转 72 C 放置 , 并在 A 点和 D 点各放置一对z 以精确检测小球位置。方案选择：超声波传感器检测时，出现误判和盲点，无法达到系统设计要求；红外传感器的选用和有效安装避免了误判，能够实现精准的系统设计要

12、求，故选用方案二。2.2 电路设计及参数计算2.2.1 主控电路主控芯片为 TI 公司的单片机MSP430F5438A , 主控电路如图 4 所示。i i bn A-TI叫1lAWIAIMI? vxrn * KAT vSMI. iAHitBN 川HIJ-I (IMS W LMWIMI*- ZP ? j .TT O 1S1II /【? ( KM6WM unvn u UIIG1? I* 1 A-l u 1H -WMA I FWr222位置检测电路检测传感器选用17对巧红外对管，在 A、B、C、D点各放置一对，BC段间安装9对红外 对 管，B点之上安装3对红外对管z CD段间安装1对红外对管，其中1

13、3对每间隔lcm旋转 72C放置，以避免误判z提高抗干扰性。红外对管检测电路如图5所示，LM339为四路差动比较器，鼎交器的供电电压为 3.3V,以便于I/O 口识别。将红外接收管的输出电压发送至比较器的 同相输入端，与比较器的反相输入端进行比较，当无小球遮挡时，比较器输出高电平，指示灯 灭，当有 小球遮挡时，比较器输出低电平，指示灯亮，同时将低电平信号送至单片机I/O，以识别到小球位置。I/O 口分布如表1所示。 + 3.3V + 3.3V330Q+3.3VICkOLM339-I/O 口（接单片机）O1500.AB5B2BlBC9C8C7C6C5C4C3C2ClCD5DI/OP3.0P9.1

14、P1.2Pl.lP3.4P1.0P5.4P5.7P5.1P5.0P4.3P4.2P4.1P4.0P3.7P9.0P4.4t/c n （垛土 电丁图5红外对管检测电路表1红外对管I/O 口分布表2.23电机驱动电路电机驱动电路如图6所示z L298N是专用驱动集成电路，属于 H桥集成电路，输出电流大功率强，可以直接控制直流电机；Cl. C2、C3和C4为去耦电奇已屏蔽高低频干扰；8个IN4007组成二极管续流保护电路；电位器 Rp为多圈精密绕线可调电阻，可以在不同环境下进行微调，对风机控制电压进行调控（此为自主发挥一部分）；输入信号端IN1接高电平，IN2接低电平，电机 Ml正转；通过PWM调制

15、将恒 定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，从而灵敏的调节风机的转速。+ 5V+ 5VC C3 +C2 C4 +DI D2 D3D4O.luFO.luF 100uF衣本本本IN4007JI12345 C0N69N15IN27IN310IN412| +5VP2,2611VSSINIIN2IN3IN4ENA AENA BVSOUT1SENASEN BGNDMlL298NlkQ1158D5 D6I D72坏本D8图6电机驱动电路2.2.4 电源电路电源电路可如图 7所示，采用LM317和LM337来输出 受V、+5V。LM317+5V和LM337输出电压

16、精度更高。+5V用于给单片机主板供电和降压电路供电。+ 12VLM317LM317220V50Hz二（OOuF 5K5K4700uF5K5KLM337图7电源电路1000ui +1000uF12V430单片机 I/O 口高电平的电压最高为 +33V ,故需要在 +5V 基础上进行降压，降压电路如图8所示。LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够 输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，转化效率高，具有过热保护和 限流保护功能。其输出电压的计算公式为：U。二UREF （1 ?昱），Ri其中UREF = 1.23V，为LM2596芯片内部提供的基准电压，调节 R?

17、,使输出电压U.保持在3.3V ; IN5825为肖特基二极管，起到续流作用，用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏。GTO.luF+ 5V-+3.3V225显示电路系统显示电路如图9所示z选用LCD128*64液晶点阵显示模块，选用八位并行的接口方式，可实时动态显示系统控制模式、小球位置和维持状态的悬浮时间P6.0 7P6 1 8P6.2 9P6.3 10P64 11P6.5 12P6.6 13P67 14P7.3 1516P7.4 1718GNDVCCVORS R/WEDBODB1DB2DB3DB4DB5DBSDB7PSBNCRSTVOUT LEDA LEDKLCD【阵显示模块图9显不电路2.

18、2.6 矩阵键盘电路矩阵键盘电路如图10所示，采用4*4的矩阵键盘，节省了 I/O 口的使用，提供了充足 的按键，操作起来更加方便直观。0123CONSSW PB图io矩阵键盘227自主发挥电路设计(1)测试辅助装置测试辅助装置如图11所示，共有17个位置指示灯，能实时显示小球所在的位置 ，将 指 示灯的输入端连接至比较器 LM339的输出端，当检测到小球时，相应位置的指示灯亮。+3.3V330 QY * V330 Q-L-330 Q-330 Q?-F330 Q330 Q330 Q330 Q-330 Q330 Q-F330 Q一 330 Q-330 Q330 Q330 Q330 Q330 Q-

19、0621.0 卜ITJo . .D10)P57PS1PS01/ 1P9.0图11辅助装置连接电路图(2)使用电位器，针对不同环境，对风机控制电压进行调控，详见电机八动自路部分2.3 程序流程图设计程序设计的总体思路如图12所 示。初始化配置函数运行相应键值对应 的模式函数星机启动，传感器A 检测小球位置传感器反馈N调整占空比断小球位置是否符合要求小球到达预定高度开始计时更新LCD显示3系统测试方法与结果3.1测试条件(1)仪器UT2062c双通道示波器台 台UTR3Ao：T-3：_(2)环境条件测试环境无风、无强光、温度在 3.2 26c左右。测试方法本系统的键值设定示意图如图13所示，其按键

20、功能如表2所示B图13键值设定表2按键功能表键信功能键值功能0M位按键8按下后，小球移动到C8位。动。置，并保持不1按下后，小球移动到C1位置，并保持9按下后，小球移动到C9位。动。量，并保持不2按下后，小球移动到C2位星上并保持不动。A按下后，小球达到圆管顶部 A端，且不跳离。3按下后，小球移动到C3位星九并保持不动。B按下后，小球移动到B位置,并保持不动。4按下后，小球移动到C4位星九并保持不动。C按下后，小球移动到C位置,并保持不动。5按下后,小球移动到C5位号上并保持不动。D备用按下后，可自动完成设计要求（E6 按下后,小球移动到C6位置,并保持不动6)所规定的全部动作。7按下后，小球

21、移动到C7位置，并保持不动。F按下后，可完成设计要求（7）所规定的全部 动作。（1）实现设计要求（1）可按下3、4、5、6、7键均可，其中按5键效果最佳。（2）实现设计要求（2 ）方法同（1） 0（3） 实现设计要求（3）可按下C、1、2、3、4、5、6、7、8、9、B键均可观测。（4） 本控制系统的LCD液晶显示屏自始实时显示小球的高度位置和维持状态计 时，此为本设计自主发挥的一部分。（5）实现设计要求（5），按下A键即可。（6）实现设计要求（6），按下E键即可。（7）实现设计要求（7），按下F键即可。3.3测试结果（1）小球置于圆管底部，启动后控制小球向上到达BC段，并维持10秒以上，测试

22、5次，如表3所示。表3设计要求（1）的测试数据测试次数到达BC时间（s ）维持时间（s）上下浮动量（cm ）13.910s o 士士 0.3cm24.210s o 士士 0.5cm33.910s o 士士 0.4cm44.010s o 士士 0.9cm54.510s o 士士 0.5cm（2 ）当小球维持在BC段时，用长形板（宽度为11mm,即为风机直径的三分之一）遮挡风机的进风口，小球继续维持在 BC段，测试5次，如表4所示表4设计要求（2 ）的测试数据测试次数维持时间（s）上下浮动量（cm ）是否维持在BC段120s O 士1.3cm是220s 1U 士1.5cm是320s1.9cm是42

23、0s O 士2.2cm是520s以上1.4cm是（3 ）以C点的坐标为Ocm、B点的坐标为10cm;用键盘设定小球的高度位置（单位：cm ） z启动后使小球稳定地处于指定的高度10秒以上，上下波动不超过土lcm ,测试5次，如表5所示。表5设计要求（3 ）的测试数据测试次数设JE位置（cm ）到达位置用时（s）维持时间（s）上下浮动量 （cm ）113.210s iu 士士 0.8cm223.810s o 士士 0.6cm353.910s o 士士 0.5cm483.910slA 士士 0.5cm104.010s以上士 0.3cm（4）以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时，测

24、试 次，如表6所示。表6设计要求（4 ）的测试数据测试次数显示的小球高度（cm ）实际小球高度（cm ）维持此状态的计时时间（s ）12210s以上25510s以上37710s以上48810s以上59910s以上（5）小球置于圆管底部，启动后 5秒内控制小球向上到达圆管顶部处 A端 且不跳 离，维持10秒以上，测试5次，如表7所示表7设计要求（5 ）的测试数据测试次数至哒A端用时（s）是否跳离维持时间（S）11.8否10s以上22.1否10s以上31.9否10s以上42.0否10s以上51.9否10s以上（6 ）小球置于圆管底部，启动后30秒内控制小球完成如下运动：向上到达 AB段并 维持3? 5秒，再向下到达CD段并维持3? 5秒；再向上到达AB段并维持3? 5秒，再向下到达CD段并维持3? 5