胡進(jìn)德，付曉軍

　　(仙桃職業(yè)學(xué)院，湖北 仙桃 433000)

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

　　關(guān)鍵詞：MSP430F5529；超聲波傳感器；實(shí)時(shí)控制

0引言

　　圖1簡易風(fēng)洞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡易風(fēng)洞控制系統(tǒng)。風(fēng)洞由圓管、連接部與直流風(fēng)機(jī)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(yùn)動(dòng)；管體外壁有A、B、C、D 等長標(biāo)志線，BC 段有1 cm 間隔的短標(biāo)志線；可從圓管外部觀察管內(nèi)小球的位置；連接部實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小球在風(fēng)洞中升降高度的實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)在小球到達(dá)設(shè)定位置時(shí)可聲光報(bào)警并顯示小球的升降高度和動(dòng)作時(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、報(bào)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(fēng)洞中的位置，超聲波傳感器將小球位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由MSP430F5529微控制器記錄和分析處理。MSP430F5529調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由此調(diào)節(jié)風(fēng)力的大小從而實(shí)現(xiàn)對小球升降高度的自動(dòng)測量與控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1小球位置檢測與報(bào)警電路

　　采用超聲波測距模塊HYSRF05檢測乒乓球在簡易風(fēng)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(dá)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(dāng)報(bào)警模塊使用）3個(gè)接口，模塊的3個(gè)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(hào)在模塊TRIG端觸發(fā)測距，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回，如有信號(hào)返回，模塊ECHO端輸出一個(gè)高電平信號(hào)，MSP430F5529檢測ECHO端高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。超聲波模塊測距時(shí)序如圖3所示。

　　通過測距公式可計(jì)算出模塊與被測目標(biāo)的距離［1］：

　　測試距離=(高電平持續(xù)的時(shí)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(fēng)洞正上方，與小球基本成直線關(guān)系。實(shí)驗(yàn)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(dāng)MSP430F5529檢測到小球到達(dá)設(shè)定位置時(shí)輸出一開關(guān)信號(hào)給模塊OUT端，由此驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路。

　　2.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。采用MOSFET功率型場效應(yīng)管IRFP250N驅(qū)動(dòng)12 V直流電機(jī)，MSP430F5529輸圖65V和12V穩(wěn)壓電路出的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)場效應(yīng)管的導(dǎo)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(hào)不足以直接驅(qū)動(dòng)IRFP250N。為改善IRFP250N的導(dǎo)通過程，采用了運(yùn)放驅(qū)動(dòng)放大電路。圖4中運(yùn)放LM339與R3、R4和R5構(gòu)成電壓比較器，當(dāng)MSP430F5529輸出的PWM信號(hào)為高電平時(shí)，LM339輸出高電平，IRFP250N的柵極電壓高于源極電壓，IRFP250N導(dǎo)通，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)PWM信號(hào)輸出低電平時(shí)，LM339輸出低電平，IRFP250N截止，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)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(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開時(shí)間的長短，通過改變直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電樞電壓平均值的理論計(jì)算公式為［2］：

　　圖4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Uav=(t1/T)*Us=α* Us

　　其中，t1為通電時(shí)間；T為PWM周期；α為 占空比，α=t1/T；Us為單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)高電平。

　　2.3顯示電路

　　采用QC12864液晶屏顯示小球的位置和動(dòng)作時(shí)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(jī)和運(yùn)放LM339供電。電源的穩(wěn)定性直接影響到直流電機(jī)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?！　?/p>

　　2.5MSP430F5529最小系統(tǒng)

　　MSP430F5529是一種高性能、低功耗16位單片機(jī)，工作電壓僅3.3 V,具有128 KB閃存，8 KB SRAM，63個(gè)可編程I/O 口線，4個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，豐富的中斷源等，最高工作頻率可達(dá)25 MHz［3］。MSP430F5529有3個(gè)Timer_A 模塊，1個(gè)用于超聲波測距，1個(gè)用于PWM輸出，1個(gè)用于測量小球動(dòng)作時(shí)間。MSP430F5529的I/O口分配如表1所示。 表1MSP430F5529的I/O口分配單片機(jī)I/O口名稱信號(hào)名稱信號(hào)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(bào)警信號(hào)P2.3～P2.5 CS、SID、SCLKLCD12864液晶屏控制信號(hào)線P2.6Trig超聲波測距模塊觸發(fā)信號(hào)P2.7Echo超聲波測距模塊輸出信號(hào)

　　3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主程序、鍵盤解碼子程序、超聲波測距子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序和LCD顯示子程序等構(gòu)成。程序流程圖如圖8所示?！?/p>

　　系統(tǒng)上電后先初始化各個(gè)設(shè)置，中斷使能，鍵盤掃描，根據(jù)按鍵選擇執(zhí)行哪個(gè)操作，當(dāng)小球到達(dá)設(shè)定高度后系統(tǒng)顯示小球位置和動(dòng)作時(shí)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(jī)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(jī)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：

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

　?。?）系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示小球所在的位置及動(dòng)作時(shí)間。液晶屏顯示小球位置與設(shè)定位置一致，小球動(dòng)作時(shí)間在10 s內(nèi)；

　?。?）小球到達(dá)圓管設(shè)定位置時(shí)有聲光提示。

　　綜上所述，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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