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风洞1
2014年TI杯大学生电子设计竞赛
G题:
简易风洞及控制系统
(高职高专)
2014年8月12日
简易风洞及控制系统
摘要
风洞是发展航空航天事业的关键设备,研制任何飞机,包括军用飞机、民用飞机以及航天飞机,都必须首先在风洞中进行大量试验,试验飞机能不能飞起来,能飞多高多快和多远以及其他各项飞行性能等。
风洞是指在一个管道内,用动力设备驱动一股速度可控的气流,用以对模型进行空气动力实验的一种设备。
本次设计的目的是以MSP430F149为主控芯片设计制作一个简易风洞及其控制系统。
它主要由电源模块、电源稳压模块、MSP430芯片、电机模块、驱动模块、超声波模块、1602液晶模块组成。
设计主要是利用MSP430F149来控制电机风扇的风力强弱从而达到控制小球的上升、下降距离。
然后通过超声波模块来检测小球上升的高度,并在1602上显示出来。
关键词:
MSP430F149,电机模块,电源稳压模块,超声波模块,1602液晶
Abstract
Windtunnelisthekeyequipmentofaerospacedevelopment,developmentofanyaircraft,includingmilitaryaircraft,civilianaircraft,andtheshuttle,allmustfirstinwindtunnel,alargenumberoftrials,testtheplanecanfly,howfastandhowhighcanflyfar,andothervariousflightperformance,etc.Windtunnelistopointtoinapipe,withaspeedcontrollablethepowerdevicedriver,fortheaerodynamicexperimentsonthemodelofadevice.
ThepurposeofthisdesignisbasedonMSP430F149asthemaincontrolchipdesignasimplewindtunnelanditscontrolsystem.Itismainlycomposedofpowersupplymodule,powersupplyvoltageregulatormodule,MSP430chip,electricalmodule,drivemodule,ultrasonicmodule,themoduleof1602.MSP430F149designismainlyusedtocontrolthemotorfanwindstrengthsoastoachievecontrolballdistanceofriseandfall.Andthenthroughtheultrasonicmoduletodetecttheheightoftheballup,anddisplayedonthe1602.
Keywords:
MSP430F149,motormodule,powersupplyvoltageregulatormodule,ultrasonicmodule,1602
目录
1引言1
1.1研究的背景和意义1
2方案设计与论证2
2.1主控模块选择2
2.2电机驱动模块选择2
2.3稳压模块选择3
2.4测距模块选择3
2.5显示模块选择4
3系统硬件电路设计5
3.1MSP430模块设计5
3.2电机驱动模块5
3.3超声波测距模块6
3.41602模块6
3.5红外传感器模块7
4软件设计8
4.1开发板语言简介8
4.2理论分析8
5系统测试及结果分析9
5.1测试方法9
5.2测试结果分析及误差9
6总结10
参考文献11
简易风洞及控制系统
1引言
本次设计主要是为了了解风洞的意义和控制系统在风压中的应用原理,为了实现此次的目的,我们组设计制作了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,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10cm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。
所谓风洞是一种洞式管道,其中有已知流速的空气吹过,用以确定放在风道中的物体所受到的风压作用。
1.1研究的背景和意义
风洞是发展航空航天事业的关键设备,研制任何飞机,包括军用飞机、民用飞机以及航天飞机,都必须首先在风洞中进行大量试验,试验飞机能不能飞起来,能飞多高多快和多远以及其他各项飞行性能等。
风洞——研制飞行器的先行官
它决定了一架飞机或其他飞行器的飞行性能,如速度、高度等,除飞机重量、发动机推力等要素外,最重要的因素是作用于飞机的空气动力。
空气动力主要决定于飞机的外形。
在设计和研制飞机时,首先是设计其外形,由此就可以确定作用于飞机的空气动力并推算飞行性能。
但是,这个工作只能做在最前,不能在飞机造出来以后。
确定飞机空气动力的实验设备主要是风洞。
人们把风洞和风洞试验叫做航空航天的先行官是恰如其分的。
风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。
风洞应用从航天扩大到一般工业。
随着工业技术的发展,从60年代开始,风洞试验(主要是低速风洞)从航空航天领域扩大到一般工业部门。
反映各行各业的发展越来越需要空气动力学和风洞试验的参与,已经形成了新的学科:
“工业空气动力学”和“风工程学”。
2方案设计与论证
2.1主控模块选择
方案一:
采用FPGA编程控制器实现。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成于一块芯片上,大大减小体积,提高了稳定性。
FPGA采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA,FPGA通过程序设计控制小车作出相应的动作,但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并且由于其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。
价格也比较贵,基于它的缺点故不采用此方案。
方案二:
采用51单片机来作为此次设计的主控芯片,51在控制领域应用非常广泛,具有低电压、低功耗、低价格、高性能、多功能、大存储容量、较强的I/O功能以及较好的结构兼容性等优点,是小型控制系统的首选。
但是它片内资源有限,在此次设计中不能满足要求。
所以不采用此方案。
方案三:
采用MSP430系列单片机作为本次设计的主控芯片。
MSP430是由TI公司开发的16位单片机,其突出特点是强调超低功耗,非常适合于各种功率要求低的应用,超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境。
内嵌有模数转换器模块用它来实现数据采集非常方便,不需在片外扩展模数转换芯片从而简化了硬件电路。
而且价格也比较合理。
通过上面三个方案的比较和论证,方案三具有满足各方面设计的需求,且MSP430的价格合理,故选择此方案。
2.2电机驱动模块选择
方案一:
采用继电器对电机的风力进行控制,通过电压大小对风机输出风力进行调整。
此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案二:
采用L298N,功率三极管作为功率放大器的输出控制电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,由达林顿管组成的H型桥式电路。
用MSP430控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。
但是唯一不足之处是L298N输出的电流太小,满足不了此次需要,故不采用此方案。
方案三:
采用AQMH3615NS直流电机驱动模块,它的特点是极小的尺寸,(仅5.5cm×5.5cm),支持电机电压9-36V,欠压保护;驱动原理类似L298驱动逻辑,可三线控制调速、正反转及刹车;支持满PWM,可直接使用按键控制正反转,PWM有效范围0.1%~100.0%,接口是ESD防护;同时它最大持续负载电流12A(不加散热),15A(简易散热),20A(厚型大散热器)。
通过以上三个方案的比较和论证,决定采用方案三。
使用AQMH3615NS直流电机驱动模块输出控制电机。
2.3稳压模块选择
方案一:
采用LM78XX系列三端集成稳压器。
内部有过热、过流保护电路。
外围元件少、性能优良、体积小、价格低,故在很多电路中广泛应用。
它组成的是正压输出稳压电源,输出电压和最大输出电流由稳压器本身型号决定。
但是它的电压不可以调整,满足不了此次设计要求。
方案二:
采用LM337。
它的内部有热过载保护;77dB波纹抑制、100%电老化;输出电压可以从-1.2V到+18V调整。
输出的电流也可以随自己的需要而调整。
在应用中比较方便。
通过以上两个方案的比较和论证,决定采用方案二。
用LM337对电源进行稳压控制。
2.4测距模块选择
方案一:
采用红外对管,红外对管是红外发射管和光敏接收管的合称。
通过并排的红外接收管阵列对物体反射光的接受与否,搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪从而达到测距的目的。
当乒乓球上升到一定的高度红外对管就会有相应的反应。
此外红外对管工作电流小,受可见光干扰小。
但是由于题目要求停留的段有点多,而且在圆管周围按太多红外对管也影响美观。
方案二:
采用超声波模块,超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远。
能够清晰的显示测量结果。
且利用超声波测速往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
通过以上两个方案的比较和论证,决定采用方案二。
用超声波模块检测小球上升的高度。
2.5显示模块选择
方案一:
采用12864显示小球上升距离,12864液晶是串口输出,可以显示字母、汉字、图像。
但是速度不够快,而且价钱太高。
方案二:
采用1602显示小球上升距离,1602液晶是并行输出,可以显示字符。
速度够快,能够满足要求。
且价格比较合理。
3系统硬件电路设计
3.1MSP430模块设计
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(MixedSignalPocessor)。
称之为混合信号处理器,它把多种功能的各种电路全都附加在一个芯片上,大大的提高了芯片的集成化,减小了占用空间。
MSP430系列单片机发展历史虽然比较短,但以自己高运算速度,低功耗和强大的功能,在电子领域迅速占领市场,受到广大电子爱好者及研发人员的青睐。
MSP430系列单片机针对各种不同应用,包括一系列不同型号的器件。
主要特点有:
超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及片上系统、系统工作稳定、高效的开发环境。
引脚图如下3.1
图3.1MSP430引脚图
3.2电机驱动模块
图3.2电机驱动模块
3.3超声波测距模块
整个电路可分为两大部份,一部份是超声波发射调理电路,另一部份是超声波回波接收处理电路。
图3.3超声波发射与接收图
3.41602模块
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模块。
一般1602字符型液晶显示器电路图如图
图3.41602模块引脚图
3.5红外传感器模块
TCRT5000传感器采用高射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
红外光电二极管不断地反射出红外线,当发射出的红外线没有被反射回来或反射回来但强度不够大时,光敏三级管一直处于关断状态,输出低电平;当发射出的红外线被反射回来时,光敏三级管处于关闭状态,输出高电平。
电路图如下:
图3.5红外传感器原理图
4软件设计
4.1开发板语言简介
msp430系列单片机是一种新型的16位单片机,主要特点就是功耗小,速度快,主要的开发语言是C语言。
开发环境有IAR集成开发环境。
MSP430单片机有不同系列,有F系列、C系列。
常用的是F系列13系列、14系列。
13系列的有msp430f133和msp430f135两种。
14系列的有MSP430F149等。
msp4301f149有60KB的flash和2KB的ram。
比51的大很多。
4.2理论分析
根据题目的要求,我们制定了此次设计,主要由稳压芯片337来控制电源的稳定,AQMH3615NS驱动模块来控制直流电机,用超声波测距,1602显示。
本次设计主要是通过MSP430F149芯片来控制这一系列的模块工作。
当电源调到一个稳定的状态的时候,通过改变周期和占空比,从而来控制所要实现的功能。
5系统测试及结果分析
5.1测试方法
1、首先确定一个参考电压,通过MSP430调节PWM,在程序中输出不同的占空比和周期来控制电机的转速大小,从而达到控制风力的大小,以此实现小球的上下移动或定点控制。
2、当小球在上下移动或定点的同时通过超声波模块检测到小球上升的高度。
并且用1602显示出来。
让人可以更加清晰的看见小球距离顶点的高度。
5.2测试结果分析及误差
根据多次的调试,我们发现主要有以下几个问题:
1、电源电压不够稳定;2、风力大小变化不稳定,时大时小。
(可能与外界环境和电压的变化有关系);3、超声波测距反应不够灵敏。
6总结
本次比赛中我们组遇到的最大的困难是软件问题,当题目下来不久,我们就开始找寻所需要的模块进行一系列的组装,我们的辛苦并没有白费。
没有过多久我们就把此次设计的硬件搭建好了。
接下来的就是程序。
对于程序,在这几天的调试中让我们真的是哭笑不得。
在调试软件时我们一直采用的统一程序设计思路在我们调整电源的稳定性和占空比、周期这几项时,遇到了很大的挑战,我们在这个程序思路上下了很多功夫,但是调整结果很不满意。
第一次成功了,第二次打开又不行了。
而且换地方也会对它有影响。
由于参赛人员有点多,学校也不想浪费过多的钱在我们身上,在区成都之前我们必须先在学校演示给老师看,通过选举好的才有资格。
那两天我们写程序的同学别提压力有多大。
在最后一下午的时候我们终于成功调试出了6个功能,外加两个扩展功能。
但是由于时间实在太有限,我们没有机会将所有要求都完美的实现。
没有能全部实现这是我们唯一遗憾的,但是收获也是巨大的,在这几天中,我们体验到了很多东西,团队的力量,沟通的重要性,最重要的是遇到困难能够不被得失的情绪所干扰,而是一心一意去解决问题,这是我们以后对待任何困难的一种成功的心态。
在这比赛的最后,要感谢学校和学院老师的给力的后勤工作,使我们能够在不被烦扰的情况下,用最充足的时间完成比赛。
感谢全国大学生电子设计大赛的组委会,提供这样优秀的平台和机会给我们充足的锻炼。
参考文献
1AQMH3615NS直流电机驱动器用户手册【经销版】
2《风洞实验控制系统的设计》;宋宇峰、高品贤、邵军(西南交通大学机械工程学院,成都610031)
3华容茂,盛过军主编.电工电子技术实习与课程设计[M].电子工业出版社.2000
4余道衡,徐承和.电子电路手册[M].北京:
化学工业出版社.1996
5杨路明主编.电子信息类专业毕业设计(论文)指导教程[M].长沙:
中南大学出版社.2005
6贾达主编.数字电子技术基础.北京:
化学工业出版社.2001
7骆雅琴主编.电子技术辅导与实习教程.合肥:
中国科学技术大学出版社,2004
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