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1、2014年TI杯大学生电子设计竞赛简易风洞及控制系统G题（高职高专组）2014.8.13摘 要风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。本设计主要通过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞试验。风洞由圆管，连接部与直流风机构成，由单片机产生PWM控制直流风机的转速，通过红外对管阵列采集光强信息检测小球在圆管中的位置，同时由12864液晶显示小球的高度位置及维持状态的时间，从而实现小球在简易风洞中的位置控制。关键词：MSP430，直流风机，红外对管，风
2、洞目 录1.系统方案1.1 主控板模块的论证与选择1.2 测距模块的论证与选择1.3 显示模块的论证与选择1.4 电机驱动模块的论证与选择51.5 电源模块的论证与选择52.电路设计62.1系统总体框图62.2单片机最小系统.62.2.1 MSP430单片机介绍73.1.2 单片机最小系统设计框图83.1.3 单片机最小系统设计原理图82.3红外对管阵列测距模块及其电路92.3.1红外对管工作原理92.3.2红外对管阵列电路图92.4直流风机模块及其电路102.4.1直流电机驱动L298N102.4.2 L298N内部结构及电路图102.5显示模块及其电路112.5.1 12864液晶显示介绍
3、112.5.2液晶并行接口说明122.5.3接口信号说明122.6电源模块及其电路132.6.1直流稳压电路工作原理132.6.2直流稳压电源电路图133程序设计143.1程序功能描述143.2程序设计思路143.2.1 PWM控制风机转速143.2.2 PID闭环调节143.程序设计思路153.1 主程序流程图163.2 PWM调速子程序流程图164测试方案与测试结果164.1测试方案174.2 测试条件与仪器174.3 测试结果及分析174.3.1测试结果(数据)184.3.2测试分析与结论185 设计总结19附录1：电路原理图20附录2：源程序211.系统方案本系统主要由主控板模块、测距
4、模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1主控板模块的论证与选择方案一：采用TI公司的MSP430F149，此款单片机功耗低，接口较多，内部外设较多，中断较多，操作比51系列单片机稍微复杂，价格稍贵，但是性价比高。方案二：采用ATMAL公司的51单片机，价格低廉，应用普遍，操作简单，但是外设端口较少，多适合于初学者。综上诉述，选择功耗低，接口多的MSP430单片机。1.2测距模块的论证与选择 方案一：超声波测距，超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。超声波测距的原理是根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件
5、，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。超声波测距仪在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片，根据发射和接收的时间差，最终计算出超声波发生器到障碍物的实际距离,完成测距，最后在LED显示电路中显示测量的距离。 方案二：红外线测距，利用的是红外线传播时的不扩散原理，当红外线从测距仪发出碰到物体被反射回来被测距仪接收到，再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，
6、根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。 方案三：红外对管阵列，通过并排的红外接收管阵列对物体反射光的接受与否，搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪从而达到测距的目的。 综上，由于超声波在圆筒中有很大干扰，而且小球是曲面的，对光线的反射也会造成很大误差，因此选择红外对管阵列来测小球在圆筒中的高度。1.3显示模块的论证与选择 方案一：采用1602屏做显示。1602屏幕便宜，使用起来编程也没有很多繁琐的步骤。但是1602的汉字显示较麻烦及显示区域不够都是其弊端。1602难以到达需求的要求。 方案二：用12864显示屏做显示。12864的显示为128x6
7、，显示面积大，数字和汉字显示容易实现，程序要求不是很高，更加方便。 方案三：用彩屏做显示。彩屏显示效果好漂亮，但成本高，功耗大，编程设计相对繁琐。 综上采用12864做显示屏。1.4电机驱动模块的论证与选择本次设计的主要目的是控制风机的转速，因此电机驱动模块是必不可少，其方案有以下两种。方案一：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱
8、动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。1.5电源模块设计方案电源是任何系统能否运行的能量来源，无论那种电力系统电源模块都是不可或缺的，对于该模块考虑以下两种方案。方案一：通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大，在实际应用系统同一
9、般不宜采用。方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此种方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。2. 电路设计 2.1系统总体框图 图2.1系统总体框图2.2单片机最小系统2.2.1 MSP430单片机介绍 1.处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点
10、保证了可编制出高效率的源程序。2.运算速度快MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。3.超低功耗MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430
11、系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26 OR DT-384，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1A 。4.片内资源丰富MSP430 系列单片机的各
12、系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、
13、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电
14、的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。5.方便高效的开发环境MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C 语言。2.2.2 MSP430最小系统设计框图图2.2.2 MSP430最小系统设计框图2.2.3 MSP430最小系统设计原理图 图2.2.3MSP430最小系统设计原理图2.3红外对管阵列测距模块及其电路2. 3.1红外对接管原理 它是由一个红外线发射管和一个光敏二极管组成的。无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大，这样就可以判断出是否有物体。 因此可以采用一排红外对管测出测出物体的位置。 图2.3.1红外对管工作原理图2.3.2红外对管阵列电路图
