基于MSP430F5529的简易风洞控制系统设计-AET-电子技术应用

基于MSP430F5529的简易风洞控制系统设计

2016年微型机与应用第06期

胡进德，付晓军

(仙桃职业学院，湖北仙桃 433000)

摘要：基于MSP430F5529设计了一个简易风洞控制系统。选用超声波传感器检测乒乓球在简易风洞中的位置，微控制器MSP430F5529通过对乒乓球当前位置的分析判断控制直流电机的转速，从而完成对乒乓球升降高度的实时控制。

关键词： MSP430F5529 超声波传感器实时控制

Abstract：

Key words :

　　胡进德，付晓军

　　(仙桃职业学院，湖北仙桃 433000)

摘要：基于MSP430F5529设计了一个简易风洞控制系统。选用超声波传感器检测乒乓球在简易风洞中的位置，微控制器MSP430F5529通过对乒乓球当前位置的分析判断控制直流电机的转速，从而完成对乒乓球升降高度的实时控制。

　关键词：MSP430F5529；超声波传感器；实时控制

0引言

　　图1简易风洞控制系统结构图本设计实现一个简易风洞控制系统。风洞由圆管、连接部与直流风机构成，如图1所示。圆管竖直放置，长度约40 cm，内径大于4 cm，且内壁平滑，小球（直径4 cm的黄色乒乓球）可在其中上下运动；管体外壁有A、B、C、D 等长标志线，BC 段有1 cm 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，实现小球在风洞中升降高度的实时控制。系统在小球到达设定位置时可声光报警并显示小球的升降高度和动作时间等参数。

1系统组成

　　系统主要由超声波传感器检测电路、直流电机驱动电路、显示电路、报警电路、MSP430F5529微控制器、电压转换电路等模块构成。系统硬件结构如图2所示。

　　选用合适的超声波传感器检测小球在风洞中的位置，超声波传感器将小球位置信号转换成电信号，由MSP430F5529微控制器记录和分析处理。MSP430F5529调节直流电机的转速，由此调节风力的大小从而实现对小球升降高度的自动测量与控制。

2系统硬件设计

　　2.1小球位置检测与报警电路

　　采用超声波测距模块HYSRF05检测乒乓球在简易风洞中的位置。HYSRF05超声波测距模块可提供2～450 cm的非接触式距离感测功能，检测精度高达3 mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。模块工作电压为5 V，有控制端TRIG、接收端ECHO和开关量输出OUT（当报警模块使用）3个接口，模块的3个接口可直接与MSP430F5529的 I/O口对接。MSP430F5529给至少10 μs的高电平信号在模块TRIG端触发测距，模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回，如有信号返回，模块ECHO端输出一个高电平信号，MSP430F5529检测ECHO端高电平持续的时间就是超声波从发射到接收的时间。超声波模块测距时序如图3所示。

　　通过测距公式可计算出模块与被测目标的距离［1］：

　　测试距离=(高电平持续的时间×声速（340 m/s）)/2

　　为确保测距精度和灵敏度，将HYSRF05模块发射头与接收头紧靠，用支架将模块固定在风洞正上方，与小球基本成直线关系。实验表明，发射头与接收头体积小无盲区、反应速度快，测距误差为5 mm，满足系统精度要求。

　　当MSP430F5529检测到小球到达设定位置时输出一开关信号给模块OUT端，由此驱动声光报警电路。

2.2直流电机驱动电路

　　直流电机驱动电路如图4所示。采用MOSFET功率型场效应管IRFP250N驱动12 V直流电机，MSP430F5529输图65V和12V稳压电路出的PWM信号实现场效应管的导通和关断。MSP430F5529为低功耗器件，工作电压为3.3 V，其输出信号不足以直接驱动IRFP250N。为改善IRFP250N的导通过程，采用了运放驱动放大电路。图4中运放LM339与R3、R4和R5构成电压比较器，当MSP430F5529输出的PWM信号为高电平时，LM339输出高电平，IRFP250N的栅极电压高于源极电压，IRFP250N导通，电机转动；当PWM信号输出低电平时，LM339输出低电平，IRFP250N截止，电机停转。电机通过脉冲宽度调制( PWM) 调速，在PWM调速系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短，通过改变直流电机电枢上电压的占空比来改变电压平均值的大小，从而控制电动机的转速。电枢电压平均值的理论计算公式为［2］：

　　图4直流电机驱动电路Uav=(t1/T)*Us=α* Us

　　其中，t1为通电时间；T为PWM周期；α为占空比，α=t1/T；Us为单片机输出的PWM信号高电平。

　2.3显示电路

　　采用QC12864液晶屏显示小球的位置和动作时间等相关参数。MSP430F5529与液晶屏接口电路如图5所示,图中MSP430F5529控制液晶屏工作在串行模式。

2.4电源管理电路

　　电源管理电路完成系统电压转换，为各功能模块提供电源。220 V交流电经降压、整流、滤波和三端稳压器稳压后降为5 V和12 V，电路如图6所示。5 V为超声波测距模块和液晶屏供电，12 V为直流电机和运放LM339供电。电源的稳定性直接影响到直流电机的调速精度，故图6中采用了∏型滤波以提高电源的稳定性和可靠性。采用步降式DC/DC转换器TPS62237将5 V电压降压为3.3 V, 3.3 V为MSP430F5529工作电源。5 V电压降压为3.3 V电路如图7所示。　　

　　2.5MSP430F5529最小系统

　　MSP430F5529是一种高性能、低功耗16位单片机，工作电压仅3.3 V,具有128 KB闪存，8 KB SRAM，63个可编程I/O 口线，4个16 位定时器/计数器，丰富的中断源等，最高工作频率可达25 MHz［3］。MSP430F5529有3个Timer_A 模块，1个用于超声波测距，1个用于PWM输出，1个用于测量小球动作时间。MSP430F5529的I/O口分配如表1所示。表1MSP430F5529的I/O口分配单片机I/O口名称信号名称信号功能描述P3.0～P3.3P30～P33键盘输入P3.4～P3.7P34～P37键盘扫描输出P2.0PWMPWM输出P2.2P22声光报警信号P2.3～P2.5 CS、SID、SCLKLCD12864液晶屏控制信号线P2.6Trig超声波测距模块触发信号P2.7Echo超声波测距模块输出信号

　　3系统程序设计

　　系统程序采用模块化设计，主要由主程序、键盘解码子程序、超声波测距子程序、电机驱动子程序和LCD显示子程序等构成。程序流程图如图8所示。　