2014年TI杯大學生電子設計競賽賽題-G題風洞控制系統(tǒng)-論文

1、2014年TI杯大學生電子設計競賽 G題：簡易風洞及控制系統(tǒng) （咼職組） 簡易風洞及控制系統(tǒng)（G題） 【摘要】簡易風洞采用內(nèi)徑為44的透明有機玻璃圓管，控制系統(tǒng)采用 MSP430F5438A作為主控芯片，通過紅外對管傳感器檢測小球位置， 實時反饋的數(shù)字信號送至單品機進行處理，主控芯片內(nèi)部程序與反饋 的數(shù)字量進行比較調(diào)節(jié)輸出占空比，通過L298N驅動直流離心風機進 行PWM調(diào)速，形成閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)小球在風洞中的位置控制， 同時在LCD顯示屏上實時顯示系統(tǒng)控制模式、小球位置和懸浮時間， 從而精準完成全部設計要求，并設計自主發(fā)揮電路，動態(tài)顯示小球所 在位置及每個傳感器狀態(tài)，并依據(jù)不同環(huán)境，使用電

2、位器，對風機控 制電壓進行調(diào)控。 【關鍵詞】離心風機 PWM紅外對管風洞 1系統(tǒng)方案3 1.1設計要求3 1.1.1 任務3 1.1.2 要求3 1.2總體方案3 1.2.1方案論證與比較 3 1.2.2系統(tǒng)組成4 2設計與論證5 2.1風洞控制實現(xiàn)方法5 2.1.1風洞裝置的設計5 2.1.2風機的選擇5 2.1.3風機調(diào)速方式5 2.1.4檢測傳感器的選用5 2.2電路設計及參數(shù)計算6 2.2.1主控電路6 2.2.2位置檢測電路 8 2.2.3電機驅動電路8 2.2.4電源電路9 2.2.5顯示電路10 2.2.6矩陣鍵盤電路11 2.2.7自主發(fā)揮電路設計12 2.3程序流程圖設計 1

3、3 3系統(tǒng)測試方法與結果14 3.1測試條件14 3.2測試方法14 3.3測試結果15 參考文獻17 1系統(tǒng)方案 1.1設計要求 1.1.1任務 設計制作一簡易風洞及其控制系統(tǒng)。 風洞由圓管、連接部與直流 風機構成，如圖1所示。圓管豎直放置，長度約40cm,內(nèi)徑大于4cm 且內(nèi)壁平滑，小球(直徑4cm黃色乒乓球)可在其中上下運動；管 體外壁應有A、B、C、D等長標志線，BC段有1cm間隔的短標志 線；可從圓管外部觀察管內(nèi)小球的位置；連接部實現(xiàn)風機與圓管的 氣密性連接，圓管底部應有防止小球落入連接部的格柵?？刂葡到y(tǒng) 通過調(diào)節(jié)風機的轉速，實現(xiàn)小球在風洞中的位置控制。 1.1.2要求 卜 圖1風洞

4、組成 (1) 小球置于圓管底部，啟動后 5秒內(nèi)控制小球向上到達 BC 段，并維持5秒以上。 (2) 當小球維持在BC段時，用長形紙板(寬度為風機直徑的三分之一)遮擋 風機的進風口，小球繼續(xù)維持在 BC段。 (3) 以C點的坐標為0cm、B點的坐標為10cm;用鍵盤設定小球的高度位置 (單位：cm)，啟動后使小球穩(wěn)定地處于指定的高度 3秒以上，上下波動 不超過土 1cm。 (4) 以適當?shù)姆绞綄崟r顯示小球的高度位置及小球維持狀態(tài)的計時。 (5) 小球置于圓管底部，啟動后 5秒內(nèi)控制小球向上到達圓管頂部處 A端， 且不跳離，維持5秒以上。 (6) 小球置于圓管底部，啟動后 30秒內(nèi)控制小球完成如下

5、運動：向上到達 AB段并維持35秒，再向下到達CD段并維持35;再向上到達AB段 并維持35,再向下到達CD段并維持35；再向上沖出圓管(可以落到 管外)。 (7) 風機停止時用手將小球從 A端放入風洞，小球進入風洞后系統(tǒng)自動啟動， 控制小球的下落不超過 D點，然后維持在BC段5秒以上。 (8) 其他自主發(fā)揮設計。 1.2總體方案 1.2.1方案論證與比較 方案一：主控芯片采用STC公司的8位單片機89C51，共有32個I/O 口，電 源電壓為+5V ；風機可采用用于筆記本計算機的 DC 12V 0.12A散熱風扇；使用40 超聲波傳感器檢測兵兵球位置；通過電壓比較不斷調(diào)節(jié) MOS管IRFZ4

6、4N的柵極 電壓，來改變風機的輸入電壓，進行風機的調(diào)速，從而實現(xiàn)小球控制，完成風洞 控制系統(tǒng)。但在實際使用中由于51單片機性能所限，且沒有內(nèi)置的硬件脈寬調(diào)試 （PWM）模塊，而軟件模擬較為復雜，占空比調(diào)節(jié)速度慢，從而導致風機調(diào)速較 慢，小球位置難以實時得到控制，并傳感器的檢測出現(xiàn)誤判和盲點，無法達到系 統(tǒng)設計要求。 方案二：主控芯片采用TI公司的16位單片機 MSP430F5438A,共有11*8個 I/O 口，供電電壓為+3.3V;風機采用筆記本計算機的 DC 12V 0.24A散熱風扇；使 用17個紅外對管傳感器檢測兵兵球位置； 通過PWM脈寬調(diào)制，進行風機的調(diào)速， 從而實現(xiàn)小球控制，完成

7、風洞控制系統(tǒng)。430單片機的運行速度為51單片機的8-10 倍，具有硬件脈寬調(diào)制功能，能及時調(diào)節(jié)占空比，并能通過在線編程及時觀測運 行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對風機轉速的控制，紅外對管的位置檢測基本達到要求，但風 機的功率較小，部分系統(tǒng)要求無法實現(xiàn)。 方案三：主控芯片采用 TI公司的16位單片機MSP430F5438A,主控片內(nèi)帶 有豐富的功能和較多的I/O 口，最主要的是有硬件的脈寬調(diào)試模塊，擁有速度快， 配置簡單，穩(wěn)定性好等。風機調(diào)整為 DC 59V，2.354.23W的離心風機，使用13 對紅外對管在指點位置每間隔1cm旋轉72C放置，并在A點、D點、AB段中間和 CD段中間各放置一對，以精確檢測

8、兵兵球位置；并通過 PWM脈寬調(diào)制，進行風 機的調(diào)速，從而實現(xiàn)小球控制，完成風洞控制系統(tǒng)。離心風機比普通散熱風扇的 功率大，啟停反應速度快，送風距離較遠，便于控制小球的位置，紅外傳感器的 選用和有效安裝避免了誤判，從而實現(xiàn)了精準的系統(tǒng)設計要求。 方案選擇：綜上所述，選擇方案三實現(xiàn)風洞控制。 1.2.2系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。 圖2系統(tǒng)框圖 2設計與論證 2.1風洞控制實現(xiàn)方法 2.1.1風洞裝置的設計 方案一：采用透明UP-VC材料的圓管作為風洞，用冰箱保鮮袋 作為連接部，UPVC硬度適中，抗沖強度高，非常適合打孔等操作， 冰箱保鮮袋可塑性容易，價格低廉。但是 UPVC價格比較貴，

9、冰箱保 鮮膜的形狀受外界影響太大，對風機送出的風向也會造成影響。 方案二：采用內(nèi)徑為 44有機玻璃圓管，硬度較硬，抗沖強度較 弱，透明度較高，連接部同樣采用有機玻璃材料，采用螺紋套扣的方 式和風機進行完美的連接，又可以當做最終作品支架的一部分，如圖 3所示，并且有機玻璃圓管的價格比 UPVC圓管的價格低。圖3簡易風洞裝置 方案選擇：采用有機玻璃圓管的整體裝置設計美觀，風機送風穩(wěn)定，抗干擾 性強，使用效果佳，故選擇了方案二。 2.1.2風機的選擇 方案一：采用用于筆記本計算機的 DC 12V 0.12A或0.24A散熱風扇，價格低 廉，購買容易，但是輸出功率與風扇體積相關，安裝有一定困難，電機反

10、應速度 較慢，風速控制難度較大，風洞控制要求難以實現(xiàn)。 方案二：采用DC 59V，2.354.23W的離心式風機，體積小，送風口較小， 比普通散熱風扇的功率大，送風均勻，送風距離較遠，價格同樣低廉，且反應速 度快，便于控制小球的位置。 方案選擇：綜上所述，故選擇了方案二。 2.1.3風機調(diào)速方式 方案一：由單片機D/A輸出的05V電壓，輸入至運算放大器(OP07)的同 相輸入端，作為基準電壓，與反饋電壓進行比較，比較器的輸出與MOS管 (IRFZ44N)的柵極相連，MOS管的源極為風機的輸入電壓，通過柵極電壓的改 變實現(xiàn)風機的調(diào)速。 方案二：采用脈寬調(diào)制技術(PWM)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制

11、成可變大小 和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，由單片機(MSP435F5438A)定時器 模塊產(chǎn)生不同的占空比，進而調(diào)節(jié)離心風機的轉速。 方案選擇：PWM調(diào)速便于控制，相應速度較快，抗干擾性強，故選用方案二。 2.1.4檢測傳感器的選用 方案一：采用一對40的超聲波傳感器，安裝在風洞連接口處，檢測小球實際 運動位置。 方案二：采用15對巧紅外對管傳感器，進行檢測乒乓球的位置，其中 13對 紅外對管在指點位置每間隔1cm旋轉72C放置，并在A點和D點各放置一對，以 精確檢測小球位置。 方案選擇：超聲波傳感器檢測時，出現(xiàn)誤判和盲點，無法達到系統(tǒng)設計要求； 紅外傳感器的選用和有效安裝避免了誤判

12、，能夠實現(xiàn)精準的系統(tǒng)設計要求，故選 用方案二。 2.2電路設計及參數(shù)計算 2.2.1主控電路 主控芯片為TI公司的單片機MSP430F5438A，主控電路如圖4所示。 E 一二二1M .一 二二.二一二.亠. t+lITI!TI!llM:J-cll-5III巧 1.I I!lllhl.Jl lF ;ai-.-ik “亠 1 u-2-4 V t Erh-.- V -wbTJJ -9 = ff Fn / mF - BT4y -!: Nl-prlkJ -al 3S3nxulrxH 壬：二2m7i F.=器 kl nil MHUrlE +14pr 杞 CWL! 5mm .52 nm * Ik-E ME

13、U2 rstui 打曽肓 -alfiLm 2 H.nsnsNRESE - -5-5#; 1 uszn:匕WKauL-rlE lLaMn* 3 insii KH w=一 WH moK* xhclnEVJH-141 . TT .1 l IS |-0.11 I-M 3hilr IEi lWI.WMiVI 13 iixil 1 wv 1_IMB 1 VI w liMIA i TIM I l * lhm VI IIM m WM9I w?n：、ii imj 鼻1h t HM 讓it . , M i.w i ii!rf i VWM ll-L-n I-.Y I -I * ItM iiwkRnr.iAaKiBr

14、Yn-fiM j *1. Bl# l lTfr i 114 TEtti I lid 1 Eltw J II# r ! v%.MJ ， if q、伸 9 n L4M 丄 U m|dHi.|.-|Mi *1 -X.H11 Id injif-Jktah 1SW- i ill 何M + r- j 12 P S *-!* * * tf I- m譏以 CTtMl J - !.=;! HwRfi -霽 1. s I I -, I HC9P4E m-lru m Iwm; l-UW -drE b5k.R 芒KL ! JUH.P -U -nJa 二：Tm 圖4主控電路 二rsjtsfe山fcfc二一 -*- BJ

15、*.IHlllll4l1r19lJlr*z $ ; IX i-I 222位置檢測電路 檢測傳感器選用17對巧紅外對管，在A、B、C、D點各放置一對，BC段間 安裝9對紅外對管，B點之上安裝3對紅外對管，CD段間安裝1對紅外對管，其 中13對每間隔1cm旋轉72C放置，以避免誤判，提高抗干擾性。紅外對管檢測 電路如圖5所示，LM339為四路差動比較器，比較器的供電電壓為 3.3V，以便于 I/O 口識別。將紅外接收管的輸出電壓發(fā)送至比較器的同相輸入端，與比較器的反 相輸入端進行比較，當無小球遮擋時，比較器輸出高電平，指示燈滅，當有小球 遮擋時，比較器輸出低電平，指示燈亮，同時將低電平信號送至單片

16、機I/O,以識 別到小球位置。I/O 口分布如表1所示。 +3.3V +3.3V 330Q 1500. ICkO +3.3V LM339 -I/O 口（接單片機） o I/O 口（接指示燈） 圖5紅外對管檢測電路 表1紅外對管I/O 口分布表 位置 A B5 B2 B1 B C9 C8 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C D5 D I/O P3.0 P9.1 P1.2 P1.1 P3.4 P1.0 P5.4 P5.7 P5.1 P5.0 P4.3 P4.2 P4.1 P4.0 P3.7 P9.0 P4.4 2.2.3電機驅動電路 電機驅動電路如圖6所示，L298N是專用驅動集成電路，

17、屬于H橋集成電路, 輸出電流大，功率強，可以直接控制直流電機；C1、C2、C3和C4為去耦電容, 已屏蔽高低頻干擾；8個IN4007組成二極管續(xù)流保護電路；電位器Rp為多圈精密 繞線可調(diào)電阻，可以在不同環(huán)境下進行微調(diào)，對風機控制電壓進行調(diào)控（此為自 主發(fā)揮一部分）;輸入信號端IN1接高電平，IN2接低電平，電機M1正轉；通過 PWM調(diào)制將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電機的電樞 端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，從而靈敏的調(diào)節(jié)風機的轉速。 +5V CC3 + 100uF O.luF C2 C4 + O.1uFOOuF +5V D2 D3 J1 1 2 3 4 5 6 IN2 7 I

18、N3 10 IN4 12 | +5V P2.26 5 IN1 11 CON6 2.2.4電源電路 電源電路可如圖 D1 衣本本本 D4 IN4007 VSS VS IN1 OUT1 IN2 IN3 IN4 ENA A SEN A ENA B SEN B GND 9 L298N 2 1kQ 1 15 8 Rp M1 圖6電機驅動電路 7所示, 和LM337輸出電壓精度更高。 220V 50Hz D5 2不 D6 I D7 本 D8 采用 LM317 和 LM337 來輸出 2V、+5V。 LM317 +5V用于給單片機主板供電和降壓電路供電。 圖7電源電路 因430單片機I/O 口高電平的電壓最

19、高為+3.3.V，故需要在+5V基礎上進行降 壓，降壓電路如圖8所示。LM2596開關電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成 電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，轉化效率 高，具有過熱保護和限流保護功能。其輸出電壓的計算公式為：U。二Uref（1 昱）， Ri 其中Uref = 1.23V，為LM2596芯片內(nèi)部提供的基準電壓，調(diào)節(jié)R?，使輸出電壓U。 保持在3.3V； IN5825為肖特基二極管，起到續(xù)流作用，用來保護元件不被感應電 壓擊穿或燒壞。 Gt 0.1uF +5V 4 I- LM2596 470uF 50V 220uF 35V IN5825 0 q I_ 1

20、W 4 -+3.3V 圖8降壓電路 225顯示電路 系統(tǒng)顯示電路如圖9所示，選用LCD128*64液晶點陣顯示模塊，選用八位并 行的接口方式，可實時動態(tài)顯示系統(tǒng)控制模式、小球位置和維持狀態(tài)的懸浮時間。 +5V P6 圖9顯示電路 2.2.6矩陣鍵盤電路 矩陣鍵盤電路如圖10所示，采用4*4的矩陣鍵盤，節(jié)省了 I/O 口的使用，提 供了充足的按鍵，操作起來更加方便直觀。 圖10矩陣鍵盤 227自主發(fā)揮電路設計 (1) 測試輔助裝置 測試輔助裝置如圖11所示，共有17個位置指示燈，能實時顯示小球所在的位 置，將指示燈的輸入端連接至比較器 LM339的輸出端，當檢測到小球時，相應位 置的指示燈亮。

21、330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q 330 Q P3.0 D2 P9.1 D3 P1.2 D4 D5 P3.4 D6 P1.0 D7 D8 D9 P5.1 D10 D11 D12 P4.2 D13 P4.1 D14 P4.0 D15 P3.7 D16 P9.0 P4.4 D17 P1.1 P5.4 P4.3 +3.3V 圖11輔助裝置連接電路圖 (2) 使用電位器，針對不同環(huán)境，對風機控制電壓進行調(diào)控，詳見電機驅動 電路部分 2.3程序流程

22、圖設計 程序設計的總體思路如圖12所示。 圖12程序流程圖 3系統(tǒng)測試方法與結果 3.1測試條件 (1) 儀器 UT2062C雙通道示波器一臺 UT71A 四位半數(shù)字萬用表一臺 TPR3003T-3C雙路直流穩(wěn)壓電源 (2) 環(huán)境條件 26C左右。 測試環(huán)境無風、無強光、溫度在 3.2測試方法 13所示，其按鍵功能如表2所示。 本系統(tǒng)的鍵值設定示意圖如圖 B 圖13鍵值設定 表2按鍵功能表 鍵 值 功能 鍵 值 功能 0 復位按鍵 8 按下后，小球移動到 C8位置，并保 持不動。 1 按下后，小球移動到C1位置，并保持 不動。 9 按下后，小球移動到 C9位置，并保 持不動。 2 按下后，小球

23、移動到 C2位置，并保持 不動。 A 按下后，小球達到圓管頂部 A端，且 不跳離。 3 按下后，小球移動到 C3位置，并保持 不動。 B 按下后，小球移動到 B位置，并保持 不動。 4 按下后，小球移動到 C4位置，并保持 不動。 C 按下后，小球移動到 C位置，并保持 不動。 5 按下后，小球移動到 C5位置，并保持 不動。 D 備用 6 按下后，小球移動到 C6位置，并保持 不動。 E 按下后，可自動完成設計要求(6) 所規(guī)定的全部動作。 7 按下后，小球移動到 C7位置，并保持 不動。 F 按下后，可完成設計要求( 7)所規(guī) 定的全部動作。 （1）實現(xiàn)設計要求（1）可按下3、4、5、6、

24、7鍵均可，其中按5鍵效果最 佳。 （2）實現(xiàn)設計要求（2）方法同（1）。 （3）實現(xiàn)設計要求（3）可按下C、1、2、3、4、5、6、7、8、9、B鍵均可 觀測。 （4）本控制系統(tǒng)的LCD液晶顯示屏自始實時顯示小球的高度位置和維持狀 態(tài)計時，此為本設計自主發(fā)揮的一部分。 （5）實現(xiàn)設計要求（5），按下A鍵即可。 （6）實現(xiàn)設計要求（6），按下E鍵即可。 （7）實現(xiàn)設計要求（7），按下F鍵即可。 3.3測試結果 （1）小球置于圓管底部，啟動后控制小球向上到達BC段，并維持10秒以上, 測試5次，如表3所示。 表3設計要求（1）的測試數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 到達BC時間（s） 維持時間（s） 上下浮動量（c

25、m） 1 3.9 10s以上 0.3cm 2 4.2 10s以上 0.5cm 3 3.9 10s以上 0.4cm 4 4.0 10s以上 0.9cm 5 4.5 10s以上 0.5cm （2）當小球維持在BC段時，用長形板（寬度為11mm,即為風機直徑的三 分之一）遮擋風機的進風口，小球繼續(xù)維持在 BC段，測試5次，如表4所示 表4設計要求（2）的測試數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 維持時間（s） 上下浮動量（cm） 是否維持在BC段 1 20s以上 1.3cm 是 2 20s以上 1.5cm 是 3 20s以上 1.9cm 是 4 20s以上 2.2cm 是 5 20s以上 1.4cm 是 （3）以C點的坐

26、標為Ocm、B點的坐標為10cm;用鍵盤設定小球的高度位置 （單位：cm），啟動后使小球穩(wěn)定地處于指定的高度 10秒以上，上下波動不超過 1cm，測試5次，如表5所示。 表5設計要求（3）的測試數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 設疋位置（cm） 到達位置用時（s） 維持時間（s） 上下浮動量（cm） 1 1 3.2 10s以上 0.8cm 2 2 3.8 10s以上 0.6cm 3 5 3.9 10s以上 0.5cm 4 8 3.9 10s以上 0.5cm 5 10 4.0 10s以上 0.3cm （4）以適當?shù)姆绞綄崟r顯示小球的高度位置及小球維持狀態(tài)的計時，測試5 次，如表6所示。 表6設計要求（4）的測試數(shù)

27、據(jù) 測試次數(shù) 顯示的小球高度（cm） 實際小球高度（cm） 維持此狀態(tài)的計時時間（s） 1 2 2 10s以上 2 5 5 10s以上 3 7 7 10s以上 4 8 8 10s以上 5 9 9 10s以上 （5）小球置于圓管底部，啟動后5秒內(nèi)控制小球向上到達圓管頂部處 A端, 且不跳離，維持10秒以上，測試5次，如表7所示 表7設計要求（5）的測試數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 到達A端用時（s） 是否跳離 維持時間（s） 1 1.8 否 10s以上 2 2.1 否 10s以上 3 1.9 否 10s以上 4 2.0 否 10s以上 5 1.9 否 10s以上 （6）小球置于圓管底部，啟動后 30秒內(nèi)控制小球完成如下運動：向上到達 AB段并維持35秒，再向下到達CD段并維持35秒；再向上到達AB段