胡進德，付曉軍

　　(仙桃職業(yè)學院，湖北 仙桃 433000)

       摘要：基于MSP430F5529設(shè)計了一個簡易風洞控制系統(tǒng)。選用超聲波傳感器檢測乒乓球在簡易風洞中的位置，微控制器MSP430F5529通過對乒乓球當前位置的分析判斷控制直流電機的轉(zhuǎn)速，從而完成對乒乓球升降高度的實時控制。

　　關(guān)鍵詞：MSP430F5529；超聲波傳感器；實時控制

0引言

　　圖1簡易風洞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計實現(xiàn)一個簡易風洞控制系統(tǒng)。風洞由圓管、連接部與直流風機構(gòu)成，如圖1所示。圓管豎直放置，長度約40 cm，內(nèi)徑大于4 cm，且內(nèi)壁平滑，小球（直徑4 cm的黃色乒乓球）可在其中上下運動；管體外壁有A、B、C、D 等長標志線，BC 段有1 cm 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，圓管底部有防止小球落入連接部的格柵。控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)小球在風洞中升降高度的實時控制。系統(tǒng)在小球到達設(shè)定位置時可聲光報警并顯示小球的升降高度和動作時間等參數(shù)。

1系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)主要由超聲波傳感器檢測電路、直流電機驅(qū)動電路、顯示電路、報警電路、MSP430F5529微控制器、電壓轉(zhuǎn)換電路等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　選用合適的超聲波傳感器檢測小球在風洞中的位置，超聲波傳感器將小球位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，由MSP430F5529微控制器記錄和分析處理。MSP430F5529調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速，由此調(diào)節(jié)風力的大小從而實現(xiàn)對小球升降高度的自動測量與控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1小球位置檢測與報警電路

　　采用超聲波測距模塊HYSRF05檢測乒乓球在簡易風洞中的位置。HYSRF05超聲波測距模塊可提供2～450 cm的非接觸式距離感測功能，檢測精度高達3 mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。模塊工作電壓為5 V，有控制端TRIG、接收端ECHO和開關(guān)量輸出OUT（當報警模塊使用）3個接口，模塊的3個接口可直接與MSP430F5529的 I/O口對接。MSP430F5529給至少10 μs的高電平信號在模塊TRIG端觸發(fā)測距，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回，模塊ECHO端輸出一個高電平信號，MSP430F5529檢測ECHO端高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到接收的時間。超聲波模塊測距時序如圖3所示。

　　通過測距公式可計算出模塊與被測目標的距離［1］：

　　測試距離=(高電平持續(xù)的時間×聲速（340 m/s）)/2

　　為確保測距精度和靈敏度，將HYSRF05模塊發(fā)射頭與接收頭緊靠，用支架將模塊固定在風洞正上方，與小球基本成直線關(guān)系。實驗表明，發(fā)射頭與接收頭體積小無盲區(qū)、反應(yīng)速度快，測距誤差為5 mm，滿足系統(tǒng)精度要求。

　　當MSP430F5529檢測到小球到達設(shè)定位置時輸出一開關(guān)信號給模塊OUT端，由此驅(qū)動聲光報警電路。

　　2.2直流電機驅(qū)動電路

　　直流電機驅(qū)動電路如圖4所示。采用MOSFET功率型場效應(yīng)管IRFP250N驅(qū)動12 V直流電機，MSP430F5529輸圖65V和12V穩(wěn)壓電路出的PWM信號實現(xiàn)場效應(yīng)管的導通和關(guān)斷。MSP430F5529為低功耗器件，工作電壓為3.3 V，其輸出信號不足以直接驅(qū)動IRFP250N。為改善IRFP250N的導通過程，采用了運放驅(qū)動放大電路。圖4中運放LM339與R3、R4和R5構(gòu)成電壓比較器，當MSP430F5529輸出的PWM信號為高電平時，LM339輸出高電平，IRFP250N的柵極電壓高于源極電壓，IRFP250N導通，電機轉(zhuǎn)動；當PWM信號輸出低電平時，LM339輸出低電平，IRFP250N截止，電機停轉(zhuǎn)。電機通過脈沖寬度調(diào)制( PWM) 調(diào)速，在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開時間的長短，通過改變直流電機電樞上電壓的占空比來改變電壓平均值的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。電樞電壓平均值的理論計算公式為［2］：

　　圖4直流電機驅(qū)動電路Uav=(t1/T)*Us=α* Us

　　其中，t1為通電時間；T為PWM周期；α為 占空比，α=t1/T；Us為單片機輸出的PWM信號高電平。

　　2.3顯示電路

　　采用QC12864液晶屏顯示小球的位置和動作時間等相關(guān)參數(shù)。MSP430F5529與液晶屏接口電路如圖5所示,圖中MSP430F5529控制液晶屏工作在串行模式。

　　2.4電源管理電路

　　電源管理電路完成系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換，為各功能模塊提供電源。220 V交流電經(jīng)降壓、整流、濾波和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后降為5 V和12 V，電路如圖6所示。5 V為超聲波測距模塊和液晶屏供電，12 V為直流電機和運放LM339供電。電源的穩(wěn)定性直接影響到直流電機的調(diào)速精度，故圖6中采用了∏型濾波以提高電源的穩(wěn)定性和可靠性。采用步降式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS62237將5 V電壓降壓為3.3 V, 3.3 V為MSP430F5529工作電源。5 V電壓降壓為3.3 V電路如圖7所示。　　

　　2.5MSP430F5529最小系統(tǒng)

　　MSP430F5529是一種高性能、低功耗16位單片機，工作電壓僅3.3 V,具有128 KB閃存，8 KB SRAM，63個可編程I/O 口線，4個16 位定時器/計數(shù)器，豐富的中斷源等，最高工作頻率可達25 MHz［3］。MSP430F5529有3個Timer_A 模塊，1個用于超聲波測距，1個用于PWM輸出，1個用于測量小球動作時間。MSP430F5529的I/O口分配如表1所示。 表1MSP430F5529的I/O口分配單片機I/O口名稱信號名稱信號功能描述P3.0～P3.3P30～P33鍵盤輸入P3.4～P3.7P34～P37鍵盤掃描輸出P2.0PWMPWM輸出P2.2P22聲光報警信號P2.3～P2.5 CS、SID、SCLKLCD12864液晶屏控制信號線P2.6Trig超聲波測距模塊觸發(fā)信號P2.7Echo超聲波測距模塊輸出信號

　　3系統(tǒng)程序設(shè)計

　　系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，主要由主程序、鍵盤解碼子程序、超聲波測距子程序、電機驅(qū)動子程序和LCD顯示子程序等構(gòu)成。程序流程圖如圖8所示。　

　　系統(tǒng)上電后先初始化各個設(shè)置，中斷使能，鍵盤掃描，根據(jù)按鍵選擇執(zhí)行哪個操作，當小球到達設(shè)定高度后系統(tǒng)顯示小球位置和動作時間等參數(shù)。最后回到鍵盤掃描，無限循環(huán)。

4系統(tǒng)測試與分析

　　小球位置與PWM占空比對應(yīng)關(guān)系如表2所示，系統(tǒng)功能測試結(jié)果如表3所示。表2小球位置與占空比對應(yīng)關(guān)系小球位置AB 段BC 段CD 段PWM占空比65%~60%60%~55%55%~50%

　　從表2可知，隨著PWM占空比的增加，電機的轉(zhuǎn)速逐漸加大，小球在圓管中的位置由底端逐步上升到最高端，可見電機的轉(zhuǎn)速與PWM占空比成正比關(guān)系。

　　根據(jù)表3可得如下結(jié)論：

　　（1）系統(tǒng)可控制小球到達圓管的設(shè)定位置并維持一段時間。系統(tǒng)誤差約0.5 cm，各點誤差不超過1 cm，維持時間不少于5 s；

　　（2）系統(tǒng)能實時顯示小球所在的位置及動作時間。液晶屏顯示小球位置與設(shè)定位置一致，小球動作時間在10 s內(nèi)；

　　（3）小球到達圓管設(shè)定位置時有聲光提示。

　　綜上所述，系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。

參考文獻

　　［1］ 電子工程世界 .HY-SRF05超聲波測距模塊使用說明書［J］.（20150908）.http://www.eeworld.com.cn. 2015.

　　［2］ 王志新,羅文廣.電機控制技術(shù)［M］.北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

　　［3］ Texas Instruments .MSP430x5xx系列產(chǎn)品用戶指南［J］.（20150908）http://www.ti.com.cn. 2015.