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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）1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红外对管风洞2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.......................................................................................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................................................................................................143.1测试条件.........................................................................................................143.2测试方法.........................................................................................................143.3测试结果.........................................................................................................15参考文献........................................................................................................................1731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）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的栅极图1风洞组成4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。主控芯片MSP430F5438A电机驱动电路离心风机辅助装置电源模块位置检测电路矩阵键盘降压电路显示电路图2系统框图52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。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