简易风洞控制系统设计与实现

摘要：系统通过高速直流电机带动风扇旋转产生风压，在管道内产生空气流动，构成简易风洞。设计了以MSP430F149单片机为核心的控制系统，该系统由MSP430单片机最小系统、超声波检测、电机驱动、液晶显示器以及键盘控制，语音播报模块构成;通过PID核心算法，输出可调占空比的PWM波，驱动小球的上下移动;并通过超声波位置检测模块，实时检测小球的高度。试验结果表明该控制系统具有响应速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。

1 系统方案

1.1 系统总体方案设计

系统以MSP430单片机为核心模块，通过电机驱动模块带动扇叶，向圆管之内鼓风，将乒乓球吹起。通过超声波模块将乒乓球在圆管之内的位置检测出来之后返回位置数据给单片机，通过单片机的判断，控制风力的大小，将乒乓球控制在所要求的位置。在240*128液晶上显示界面和系统当前的参数。还可以通过矩阵按键设置参数，达到任意控制的要求，如图1所示。

1.2 设计方案论证

1.2.1 电机驱动模块

系统采用1298N电机驱动模块。L298N具有四通道输出，可以驱动两个直流电机。且该模块的驱动电流最大可以达到1.5 A。可以满足电机的驱动要求，还可以在输入端加上光耦隔离，可以防止电机停止时反向脉冲烧坏单片机。

1.2.2 定位模块

超声波的检测距离长，可达到4.5 m，而且该模块的反应速度也较快。可以根据自己所要求的时间来具体调节发射和接收时间，操作较为方便。另一方面，红外对管检测方式具有模块的操作简单，只需将该模块的电位器调节就行，不足在于在垂直距离较长情况下，需要繁琐的步骤才能实时显示球的所在位置。但可以作为某一位置点的定位之用。

因此设计中采用了超声波模块与红外对管检测相结合的方式进行定位。

1.2.3 液晶显示模块

采用LCD240*128液晶显示，除了能够显示出字母、数字之外还可以显示多种取模图片。可以做到显示多样化。有较好的人机交换界面。

2 理论分析和计算

2.1 超声波检测距离计算

由于超声波原理，超声波在空气之中传播遇到障碍物的时候就会马上返回。假设超声波的传播速度为V，发射和接收的时间差为t，就可以计算出发射点距离障碍物的距离S，如公式(1)所示。

S=V*△t/2 (1)

根据系统之中的超声波模块的特点，通过计算可以得出在2 cm到4.5 m之内的距离测量值。

2.2 自制风机的确定

在系统中，需要将乒乓球在圆管之内上下吹动，这就会对风机的要求很高。普通的小风扇无法满足要求。所以选择了高速直流电机，采用大PVC管和竖直圆筒，并结合鼓风机结构，将风吸入风道之后，经过一圈回流之后送入圆管。这样自制风机结构简单，稳定度高，较为可靠。图2为自制风机示意图。

2.3 乒乓球控制算法的确定

对于乒乓球的运动过程有着严格的要求。所以在控制小球的时候需要进行精确控制，通过选择适当的PID算法和有效的参数正定可以达到高精度控制目的。PID公式如式(2)所示。

根据上述公式，在最开始确定比例系数之后就开始确定微分器和积分器的数值。最终将三个系数写入程序之中，达到稳定。

3 电路与程序设计

3.1 电机驱动电路设计

在输入信号之后，通过光耦隔离，在光耦内部通过光电信号之间的转换，将输入的PWM波转换为电流电压相对较大的PWM信号。其信号保持一致或者取反。输出之后可以达到利用小电压小电流驱动大电压大电流的作用。驱动芯片选择了常用的高电压大电流的全桥驱动芯片L298N，其响应频率高，还可以实现频繁的无极快速启动，制动和反转等优点，电机驱动电路原理图如图3所示。

3.2 主程序框图

系统主程序框图如图4所示。

4 测试方案与测试结果

4.1 测量仪器

数字秒表，卷尺，数据表。

4.2 系统测试方法及测试数据

按图5所示风洞结构图，进入操作界面之后，开始测试。从第一项开始，逐项依次测试，使用卷尺及数字秒表，看时间是否达到要求。

4.3 测试结果

经过一系列测试表明整个系统能够完全达到要求。不仅仅是完成要求中的精度，更是在原来的精度要求之上更加的完善和精确，并且加入了语言播报系统，可以根据系统的不同状态发出不同的声音。整个系统经过测试，工作稳定，精度高。系统实物如图6所示。

5 后记

简易风洞及控制系统设计与实现，此设计获得2014年湖北省电子设计竞赛TI杯，体现了自动控制与机械设计一体性的要求，是对自动控制原理的充分应用。作品本身对于用于中小学学生对自动控制原理的理解和科普具有意义。