黃從貴，吳孔培

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121）

簡(jiǎn)易風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃從貴，吳孔培

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121）

以單片機(jī)MSP430F149為核心設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易風(fēng)洞控制系統(tǒng)，利用超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量小球高度，根據(jù)誤差產(chǎn)生由PID算法控制的PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使小球穩(wěn)、快、準(zhǔn)地在預(yù)定的軌跡上運(yùn)動(dòng)。模塊化設(shè)計(jì)，輸入系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤，設(shè)定工作模式，輸出系統(tǒng)采用LCD液晶模塊，實(shí)時(shí)顯示小球狀態(tài)信息。

MSP430F 149；PWM波；PID算法

一、前言

風(fēng)洞，是以人工的方式產(chǎn)生并控制氣流，用來(lái)模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動(dòng)情況，并可量度氣流對(duì)實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備。風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力研究最常用、最有效的工具，它除了主要應(yīng)用于汽車、飛行器、導(dǎo)彈等設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也適用于建筑物、高速列車、船艦的空氣阻力、抗壓實(shí)驗(yàn)等。本系統(tǒng)是2014年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的項(xiàng)目，可應(yīng)用于簡(jiǎn)易風(fēng)洞中位置控制的自動(dòng)控制裝置或設(shè)備。

簡(jiǎn)易風(fēng)洞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓管、連接部與直流風(fēng)機(jī)構(gòu)成，其控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使小球在風(fēng)洞中按指定的軌跡運(yùn)動(dòng)（主要是小球的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的控制）。

二、理論分析與計(jì)算

實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于建立數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)、快、準(zhǔn)地控制電機(jī)風(fēng)扇風(fēng)力的大小來(lái)改變小球在風(fēng)洞中浮動(dòng)的高度。

圖1 簡(jiǎn)易風(fēng)洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（一）直流電機(jī)控制

根據(jù)電機(jī)學(xué)可知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式為：n=（U-IR）/（Kф）式中，U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，ф為每極磁通量；K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

可以看出，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和U、I有關(guān)，并且可控量只有這兩個(gè)，同時(shí)I又可以通過(guò)改變U進(jìn)行間接改變，所以直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)單，歸根結(jié)底只需要調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓U來(lái)改變轉(zhuǎn)速，電壓U越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)扇風(fēng)力就越大。

（二）PWM調(diào)速原理

直流電機(jī)的電樞電壓調(diào)節(jié)通過(guò)脈寬調(diào)制原理（PWM）來(lái)實(shí)現(xiàn)，即使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。

則直流電機(jī)的電樞繞組兩端電壓平均值Uo為：Uo=（t1×Us+0）/（t1+t2）=（t1×Us）/T=DUs式中，D為占空比，D=t1/T。（0≤D≤1）。

本系統(tǒng)利用MSP430F149中Timer A的比較模式做PWM發(fā)生器，將管腳第二功能TA1或TA2配置成輸出，用增計(jì)數(shù)配合PWM方式6（即toggle/ set），其周期和占空比可變。此時(shí)，PWM周期即CCR0，占空比即CCR1或CCR2的值。用戶可以通過(guò)軟件任意改變占空比和周期，不需要過(guò)多占用CPU開(kāi)銷。

（三）PID控制算法

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、快、準(zhǔn)地控制風(fēng)洞中小球的高度，在改變PWM波形占空比之前，需要對(duì)小球的高度偏差進(jìn)行PID運(yùn)算。PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例（P）、積分（I）、微分（D）計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。模擬PID控制的數(shù)學(xué)模型可以用微分方程來(lái)表示。

由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量，不能對(duì)連續(xù)變化的模擬量直接進(jìn)行運(yùn)算，所以在單片機(jī)控制系統(tǒng)中必須對(duì)模擬PID控制算法進(jìn)行離散化處理，采用數(shù)字式的差分方程，如下所示：

式中，u（n）為n時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出量，e（n）為n時(shí)刻調(diào)節(jié)器的偏差量；

Kp為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

式中，P、I、D分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

比例（P）控制對(duì)系統(tǒng)誤差瞬間做出快速反應(yīng)；積分（I）控制的作用是消除靜態(tài)誤差；微分（D）控制的作用是改善動(dòng)態(tài)特性。為了防止突發(fā)情況下，系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)的控制崩潰，程序中對(duì)PID控制量設(shè)置了最大值umax和最小值umin。由于單片機(jī)的處理速度和RAM資源的限制，本系統(tǒng)不采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，采用增量式PID控制算法，大大提高了運(yùn)算速度，見(jiàn)圖2。

圖2 增量式PID控制算法流程圖

三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）總體方案

整個(gè)系統(tǒng)采用性價(jià)比較高的單片機(jī)MSP430F 149；小球高度檢測(cè)采用經(jīng)典的HC-SR04型超聲波傳感器；按鍵采用獨(dú)立鍵盤；顯示采用帶漢字庫(kù)的LCM12864模塊；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用高耐壓、大電流達(dá)林頓管ULN 2003；風(fēng)力控制采用性價(jià)比高的直流電機(jī)；風(fēng)扇采用帶通風(fēng)通道的風(fēng)流，風(fēng)力集中，能很好地吹到小球。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤顯示模塊、高度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與穩(wěn)壓電源模塊組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)易風(fēng)洞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（二）單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

如圖4所示，單片機(jī)MSP430F149作為本設(shè)計(jì)的控制核心，其最小系統(tǒng)模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及JTAG調(diào)試接口。

MSP430F149芯片是美國(guó)TI公司推出的具有16位總線的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2K字節(jié)RAM，低電壓供電，資源豐富，性價(jià)比高。

本系統(tǒng)以+5V直流電壓源Vcc為輸入電壓，Vcc經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片AS1117產(chǎn)生+3.3V；采用8MHz的外接高速晶振和32.768KHz的外接低速晶振。MSP430F149復(fù)位電路采用上電按鍵復(fù)位，低電平復(fù)位。MSP430F149內(nèi)部集成了JTAG模塊，通過(guò)14針的JTAG調(diào)試接口可以實(shí)現(xiàn)CPU程序仿真、在線調(diào)試等功能。

（三）高度檢測(cè)模塊

超聲波傳感器HC-SR04模塊對(duì)小球進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，獲得準(zhǔn)確的小球高度數(shù)據(jù)，傳送給單片機(jī)MSP430F149進(jìn)行分析處理。

HC-SR04模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離為2cm～450cm，精度可達(dá)0.2cm。其基本工作原理如圖5所示：

圖5 超聲波時(shí)序圖

圖5超聲波時(shí)序圖

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

（1）模塊先通過(guò)I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，并給出至少10us的高電平（TTL）信號(hào)；

（2）然后模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（3）若有信號(hào)返回，則通過(guò)I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2。

（四）軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于Code Composer Studio IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和Keil C51語(yǔ)言。軟件模塊主要有：主函數(shù)、高度檢測(cè)子函數(shù)、PWM調(diào)速子函數(shù)、PID控制子函數(shù)、鍵盤顯示子函數(shù)。系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖6所示，定時(shí)調(diào)用超聲波測(cè)距子函數(shù)判斷小球的高度，PID控制子函數(shù)對(duì)小球當(dāng)前高度與設(shè)置高度進(jìn)行差值計(jì)算，得出輸出控制量，再調(diào)用PWM調(diào)速子函數(shù)調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)扇風(fēng)力，同時(shí)調(diào)用鍵盤顯示子函數(shù)完成控制系統(tǒng)的輸入輸出。

圖6 系統(tǒng)主函數(shù)流程圖

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于PID控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的控制效果與PID控制參數(shù)緊密相關(guān)，所以PID參數(shù)的整定和選擇是本系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)中，先采用基于MATLAB語(yǔ)言仿真系統(tǒng)初步整定PID控制參數(shù)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)情況，再結(jié)合工程整定法調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)比例度，反復(fù)調(diào)試，直到達(dá)到控制指標(biāo)為止。結(jié)果證明，筆者設(shè)計(jì)的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、超調(diào)量小、響應(yīng)時(shí)間短、誤差小，同時(shí)在PID算法程序控制、實(shí)時(shí)誤差處理上，對(duì)自動(dòng)化控制設(shè)備或裝置開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

[1]Dodson,MG.?An Historical and Applied Aerodynamic Study of the Wright Brothers'Wind Tunnel Test Program and Application to Successful Manned Flight[R].?US Naval Academy?Technical Report.2005.

[2]Barlow,J.B.Rae,W.H.and Pope.A.Low speed wind tunnel testing[J].John Wiley&Sons,Inc.1999.

[3]華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[4]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社，2013.

[5]洪利.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[6]趙靜，張瑾.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

（編輯：林鋼）

Design of Simple Wind Tunnel Control System

HUANG Cong-gui，WU Kong-pei
（School of the Internet of Things,Wuxi Institute of Technology,Wuxi,214121,China）

The control system of a simple wind tunnel is designed with an MSP430F149 single chip computer as the core component.The system measures the real-time height of the small ball using ultrasonic sensors,and produces PWM pulses controlled by the PID algorithm according to the error,which in turn control the speed of DC motor and keep the small ball moving stably,fast,and accurately on a predetermined trajectory.The system is an example of a modular design.It uses a separate keyboard as the input system,sets working mode,and uses LCD module as the output system to display real-time information of the ball’s state.

MSP430F 149；PWM wave；PID algorithm

TP 273

A

1671-4806（2014）06-0109-03

2014-10-18

2014年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的項(xiàng)目

黃從貴（1977—），男，安徽桐城人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娮有畔?、自?dòng)控制；吳孔培（1982—），男，河南信陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娮有畔?、通信技術(shù)。