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高职组）简易风洞及控制系统 （G 题）【摘要 】简易风洞采用内径为 44的透明有机玻璃圆管，控制系统采用 MSP430F5438A 作为主控芯片，通过红外对管传感器检测小球位置， 实时反馈的数字信号送至单品机进行处理，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 L298N 驱动直流离心风机进 行 PWM 调速，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

2、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 】 离心风机 PWM 红外对管 风洞目录1 系统方案 31.1 设计要求 31.1.1 任务 31.1.2 要求 31.2 总体方案 31.2.1 方案论证与比较 31.2.2 系统组成 42 设计与论证 52.1 风洞控制实现方法 52.1.1 风洞装置的设计 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 52.2 电路设计及参数计算 62.2.1 主控电路 62.2.2 位置检测电路 82.2.3 电机驱动电路 82.2.4 电源电路 92.2.5 显示电路 102.2.6 矩阵键盘电路

3、1.1.2.2.7 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 143.1 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 风机构成，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 1cm 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

4、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 要求图 1 风洞组成1) 小球置于圆管底部，启动后 5 秒内控制小球向上到达 BC 段，并维持 5 秒以上。2) 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。3) 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 1cm。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。5) 小球置于圆管底部，启动后 5秒内控制小球向上

5、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 35秒，再向下到达 CD段并维持 35；再向上到达 AB 段 并维持 35，再向下到达 CD 段并维持 35；再向上冲出圆管(可以落到 管外)。7) 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， 控制小球的下落不超过 D 点，然后维持在 BC 段 5 秒以上。8) 其他自主发挥设计。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；

6、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 +

7、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，

8、 配置简单，稳定性好等。风机调整为 DC 59V，2.354.23W 的离心风机，使用 13 对红外对管在指点位置每间隔 1cm 旋转 72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 系统组成本系统组成框图如图 2 所示。图 2 系统框图2 设计与论证2.1 风洞控制实现方

9、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，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

10、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，风洞控制要求难以实现。方案二：采用 DC 59V ，2.354.23W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 05V 电压，输入至运算放大器（ O

11、P07）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。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小 和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，由单片机（ MSP435F5438A）定时器 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， 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一： 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

12、：采用 15对 5红外对管传感器，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 1cm 旋转 72放置，并在 A点和 D点各放置一对，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。2.2.2 位置检测电路检测传感器选用 17对 5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

13、对红外对管， CD 段间安装 1对红外对管，其 中 13 对每间隔 1cm 旋转 72放置，以避免误判，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，比较器的供电电压为 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+3.3V+3.3VLM339I/O口（接单片机）I/O 口（接指示灯）图 5 红外对管检测电路表

14、 1 红外对管 I/O 口分布表位置AB5B2B1BC9C8C7C6C5C4C3C2C1CD5DI/OP3.0P9.1P1.2P1.1P3.4P1.0P5.4P5.7P5.1P5.0P4.3P4.2P4.1P4.0P3.7P9.0P4.42.2.3 电机驱动电路电机驱动电路如图 6 所示，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； C1、C2、C3和 C4为去耦电容， 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

15、发挥一部分 ）；输入信号端 IN1 接高电平， IN2 接低电平，电机 M1 正转；通过 PWM 调制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。+5VC1 C3 +100uF0.1uFC2 C4 +0.1uF 100uF+5VD1D2D3D4IN4007J1123456IN27IN310IN412+5VP2.2 695IN111CON62.2.4 电源电路电源电路可如图VSSVSIN1OUT1IN2IN3IN4ENA ASEN AENA BSEN BGNDL298N21k1158RPD5D6 D7D8图 6 电机驱动电路

16、7 所示，和 LM337 输出电压精度更高。220V50HzM1+ A .采用 LM317 和 LM337 来输出 12V、+5V。LM317+5V 用于给单片机主板供电和降压电路供电。图 7 电源电路因 430单片机 I/O口高电平的电压最高为 +3.3.V，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： UO U REF (1 R2 )， R1其中 UREF 1.23V ，为 LM2596 芯片

17、内部提供的基准电压， 调节 R2 ，使输出电压 U0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。0.1uF+5VLM2596470uF 50V220uF 35VIN58254+3.3V图 8 降压电路2.2.5 显示电路 系统显示电路如图 9 所示，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。+5VP6图 9 显示电路2.2.6 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

18、直观。2.2.7 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。330330330330 330 330 330 330330 330 330330330 330 330 330 330P3.0D2P9.1D3P1.2D4P1.1P3.4D6P1.0D7D8D9P5.1D10D11D12P4.2D13D14P4.0D15P3.7D16P9.0P4.4D17D5P5.4P4.3P4.1+3.3V图 11 辅助装置连接电路图2）使用电位器，针

19、对不同环境，对风机控制电压进行调控，详见电机驱动电路部分2.3 程序流程图设计程序设计的总体思路如图 12 所示。图 12 程序流程图3 系统测试方法与结果3.1 测试条件（1）仪器UT2062c 双通道示波器一台UT71A 四位半数字万用表一台TPR3003T-3C双路直流稳压电源26左右。（2）环境条件 测试环境无风、无强光、温度在 3.2 测试方法13所示，其按键功能如表 2 所示。本系统的键值设定示意图如图图 13 键值设定表 2 按键功能表键 值功能键 值功能0复位按键8按下后，小球移动到 C8 位置，并保 持不动。1按下后，小球移动到 C1 位置，并保持 不动。9按下后，小球移动到

20、 C9 位置，并保 持不动。2按下后，小球移动到 C2 位置，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 位置，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 位置，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 位置，并保持 不动。D备用6按下后，小球移动到 C6 位置，并保持 不动。E按下后，可自动完成设计要求（6）所规定的全部动作。7按下后，小球移动到 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

21、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）。（ 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 5 次，如表 3 所示。表 3 设计要求（ 1）

22、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 以上 0.3cm24.210s 以上 0.5cm33.910s 以上 0.4cm44.010s 以上 0.9cm54.510s 以上 0.5cm2）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 以上1.3cm是220s 以上1.5cm是320s 以上1.9cm是420s 以上2.2cm是520s

23、 以上1.4cm是3）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置（单位： cm），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 1cm，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定位置（ cm）到达位置用时 （ s）维持时间（ s）上下浮动量（ cm）113.210s 以上 0.8cm223.810s 以上 0.6cm353.910s 以上 0.5cm483.910s 以上 0.5cm5104.010s 以上 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，测试5次，如表 6 所示。

24、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到达 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 35秒，再向下到达 CD 段并维持 35秒；再向上到达 AB 段并维持 35秒，再向下到达 CD 段并维持 35秒；再向上冲出圆管（可以落到管外） ，测 试 5 次，如表 8 所示表 8 设计要求（ 6）的测试数据测试次数