胡進德，付曉軍

　　(仙桃職業(yè)學院，湖北 仙桃 433000)

       摘要：基于MSP430F5529設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)結構圖本設計實現(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)換電路等模塊構成。系統(tǒng)硬件結構如圖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系。實驗表明，發(fā)射頭與接收頭體積小無盲區(qū)、反應速度快，測距誤差為5 mm，滿足系統(tǒng)精度要求。

　　當MSP430F5529檢測到小球到達設定位置時輸出一開關信號給模塊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)場效應管的導通和關斷。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)程序設計

　　系統(tǒng)程序采用模塊化設計，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顯示子程序等構成。程序流程圖如圖8所示。　

　　系統(tǒng)上電后先初始化各個設置，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占空比對應關系如表2所示，系統(tǒng)功能測試結果如表3所示。表2小球位置與占空比對應關系小球位置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占空比成正比關系。

　　根據(jù)表3可得如下結論：

　　（1）系統(tǒng)可控制小球到達圓管的設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定位置一致，小球動作時間在10 s內(nèi)；

　　（3）小球到達圓管設定位置時有聲光提示。

　　綜上所述，系統(tǒng)達到了設計要求。

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［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.