TI杯大学生电子设计竞赛赛题G题风洞控制系统论文.docx

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TI杯大学生电子设计竞赛赛题G题风洞控制系统论文

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

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3

1.1设计要求3

1.1.1任务3

1.1.2要求3

1.2总体方案3

1.2.1方案论证与比较3

1.2.2系统组成4

2设计与论证5

2.1风洞控制实现方法5

2.1.1风洞装置的设计5

2.1.2风机的选择5

2.1.3风机调速方式5

2.1.4检测传感器的选用5

2.2电路设计及参数计算6

2.2.1主控电路6

2.2.2位置检测电路8

2.2.3电机驱动电路8

2.2.4电源电路9

2.2.5显示电路10

2.2.6矩阵键盘电路11

2.2.7自主发挥电路设计12

2.3程序流程图设计12

3系统测试方法与结果14

3.1测试条件14

3.2测试方法14

3.3测试结果15

参考文献17

1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）

图1风洞组成

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）。

（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；风机可采用用于笔记本计算机的DC12V0.12A散热风扇；使用

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+3.3V；风机采用笔记本计算机的DC12V0.24A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，配置简单，稳定性好等。

风机调整为DC5~9V，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。

图3简易风洞装置

方案二：

采用内径为

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。

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DC12V0.12A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DC5~9V，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，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。

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

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

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。

图4主控电路

2.2.2位置检测电路

检测传感器选用17对

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，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。

图5红外对管检测电路

表1红外对管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。

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±12V、+5V。

LM317和LM337输出电压精度更高。

+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：

，其中

，为LM2596芯片内部提供的基准电压，调节

，使输出电压

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。

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。

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，操作起来更加方便直观。

图10矩阵键盘

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。

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双路直流稳压电源一台

（2）环境条件

测试环境无风、无强光、温度在26℃左右。

3.2测试方法

本系统的键值设定示意图如图13所示，其按键功能如表2所示。

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）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）

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）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

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）

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。

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）

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）

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

1

2

3

4

5

到达AB段用时（s）

2.1

2.6

2.2

1.9

2.3

维持时间（s）

3

3.4

3.2

3.5

3.1

到达CD段用时（s）

4.2

4

3.8

3.8

4.3

维持时间（s）

3.2

3

3.3

3.2

3.2

到达AB段用时（s）

1.8

1.9

2.1

2.1

2

维持时间（s）

3.1

3.2

3

3.4

3.2

再次到达CD段用时（s）

3.9

3.9

4.2

4.3

4

维持时间（s）

3.2

3.3

3.4

3.4

3.2

最后是否冲出圆管

是

是

是

是

是

全程用时（s）

26.7

28.5

27.5

27.4

28.3

（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10秒以上，测试5次，如表9所示。

表9设计要求（7）的测试数据

测试次数

是否超过D点

维持在BC段的时间（s）

1

否

10s以上

2

否

10s以上

3

否

10s以上

4

否

10s以上

5

否

10s以上

从表3~表9可知，本风洞控制系统完美实现全部设计要求，并在此基础上进行自主发挥设计，自始至终实时精准显示小球的位置高度和维持状态时间，还可依据键值精准的控制小球的位置，并利用LED显示电路实时显示小球所处位置。

参考文献

[1]TI大学计划丛书.德州仪器高性能模拟器件高效应用指南—信号链与电源.上海：

德州仪器，2014.

[2]杨欣，胡文锦，张延强.实例解读模拟电子技术完全学习与应用.北京：

电子工业出版社，2013.

[3]陈之勃，陈永真.新版大学生电子设计竞赛硬件电路设计指导.北京：

电子工业出版社，2013.

[4]张金.电子设计与制作100例.北京：

电子工业出版社，2012.

[5]贾海瀛.传感器技术与应用.北京：

清华大学出版社，2011.

[6]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：

北京理工大学出版社，2010.