简易风洞及控制系统分解Word下载.docx

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1.1.1主要任务

设计制作一简易风洞及其控制系统。

风洞由圆管、连接部与直流风机构成，如图所示。

圆管竖直放置，长度约40cm，内径大于4cm且内壁平滑，小球（直径4cm黄色乒乓球）可在其中上下运动；

管体外壁应有A、B、C、D等长标志线，BC段有1cm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，圆管底部应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，实现小球在风洞中的位置控制。

1.1.2基本要求

（1）小球置于圆管底部，启动后5s内控制小球向上到达BC段，并维持5s以上。

（2）当小球维持在BC段时，用长形纸板（宽度为风机直径的三分之一）遮挡风机的进风口，小球继续维持在BC段。

（3）以C点的坐标为0cm、B点的坐标为10cm；

用键盘设定小球的高度位置（单位：

cm），启动后使小球稳定地处于指定的高度3s以上，上下波动不超过±

1cm。

（4）以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时。

（5）小球置于圆管底部，启动后5s内控制小球向上到达圆管顶部处A端，且不跳离，维持5s以上。

（6）小球置于圆管底部，启动后30s内控制小球完成如下运动：

向上到达AB段并维持3~5s，再向下到达CD段并维持3~5s；

再向上到达AB段并维持3~5s，再向下到达CD段并维持3~5s；

再向上冲出圆管（可以落到管外）。

（7）风机停止时用手将小球从A端放入风洞，小球进入风洞后系统自动启动，控制小球的下落不超过D点，然后维持在BC段5s以上。

（8）其他自主发挥设计。

1.1.3说明

（1）题中“到达XX段”是指，小球的整体全部进入该段内；

（2）题中“维持”是指，在维持过程中小球整体全部不越过该段的端线；

（3）小球的位置以其中心点为准（即小球的上沿切线向下移2cm，或下沿切线向上移2cm）；

（4）直流风机的供电电压不得超过24V，注意防止风机叶片旋转可能造成的伤害；

可在圆管及其周围设置传感器检测管内小球的位置；

可将圆管、连接部与直流风机安装在硬质板或支架上，以便于使圆管保持竖直状态，并保持风洞气流通畅。

（5）每一个项目最多进行三次测试；

对于任何测试项目，测试专家可要求进行重复测试。

（6）风洞制作方法参考：

圆管长度约40cm，可以选用透明的有机玻璃（或亚克力材料）圆管，也可以选用不透明的PVC圆管。

圆管的内直径必须大于40mm，保证小球（直径为40mm的乒乓球）在管内能够自由运动。

如果选用不透明的PVC圆管，为了能够方便直观地观察管内小球的位置，可以在管臂上沿轴线方向开凿宽度约5mm的长条形槽孔，再用宽的透明胶带贴在槽孔上，保证圆管的气密性。

开凿长条形槽孔后，应清除管壁内的残屑，以免影响小球的运动。

为了防止小球落入连接部，可将一根细铁丝或导线，用AB胶或透明胶带粘在圆管下端口处。

连接部的材料可以采用冰箱保鲜袋。

剪去袋底封口部分，得到一个两端开口的塑料薄膜“软管”。

将“软管”的一端包住圆管的下端口，并用透明胶带将重叠部分缠紧；

将软管的另一端包住直流风机出风口的外沿，并用透明胶带将重叠部分缠紧。

注意直流风机的风向，应向连接部方向吹风。

可将风洞的圆管、直流风机部分固定在一块硬质板上，再固定硬质板，使圆管保持竖直状态；

也可做一个三脚支架，将风洞的圆管部分固定在支架上并保持竖直状态，直流风机垂挂在圆管下方。

直流风机的进风口处应留有足够的空间，保证气流通畅。

1.2总体设计方案

1.2.1设计思路

题目要求设计一个翻版控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板转角θ。

设计中采用单片机PWM波电机控制方式，使得控制风扇风力的大小，帆板受到风力的大小从而改变帆板偏转的角度θ，角度传感器把检测到帆板的偏转角度传给ATMEGA48单片机进行处理达到设计所需的要求再用键盘进行调整，用液晶显示屏进行显示。

1.电源的设计方案论证与选择

系统需要多个电源，ATMEGA328、L298、MMA7455都使用5V的稳压电源，电

机驱动需要24V电压。

方案一、采用LM2596开关电压调节器，能够输出3A的输出电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，固定输出3.3V、5V、12V经过调整可输出小于37V的电压。

方案二、采用升压型稳压电路。

用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流斩波调压，得到5V和12V的稳压输出。

只需使用两节电池，既节省了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法是相对庞大的系统稳定运作。

方案三、采用三端稳压集成7805与7824分别得到5V与24V的稳压电压。

利用该方法方便简单，工作稳定可靠。

综上所述，选择方案三，采用三端稳压电路。

2.角度传感器的设计方案论证与选择

方案一、采用WDS35D4精密导电塑料角位移传感器，利用该传感器的输入端加上一个直流电压，在输出端得到一个直流电压信号，把角度位移的机械位移量转化成电压信号，用输出电压进行角度位移的控制。

用此传感器只要测量导轨电阻两端的直流电压，不同的角度有不同的电阻值，通过电阻来算出角度，计算不方便。

电刷在导轨上移动获得输出，数值越小，精度越高。

该传感器的优点：

对环境条件要求低，线性精度高、分辨率高、动态的噪声小等优点，由于该传感器的各项精度都比较精细使其价格过高。

方案二、采用电位器进行调角：

帆板转动时电位器跟着转动，电压随之发生变化，通过电压的值转换成角度值。

但扭力过大，而且精度也不高。

方案三、采用MMA7455三轴加速度传感器，利用物体运动和方向改变输出信号的电压值，把检测到的信号传送给ATMEGA328的AD转化器进行转化与读取此输出信号。

通过不同的角度，X、Y、Z三个方向的加速度输出不同，将电容值的变化转化为电压值，电容值的计算公式是：

C=Ae/D，其中A是极板的面积，D是极板间的距离，e是电介质常数，再用反正弦函数把角度算出来，计算比较方便。

线性精度高、体积小、工作可靠、标识清晰、扩展性好等优点。

综上所述，选择方案三，用MMA7455三轴加速传感器。

3.显示方式的选择

方案一、采用LED数码管显示。

使用数码管动态显示，由于显示的内容较少，给人的视觉冲击不怎么的舒适，具有亮度高、工作电压低功耗小、易于集成、驱动简单等优点。

但在此次设计中需要设定的参数种类多，使用LED数码管不能完成设计任务，不宜采用。

方案二、采用字符型LCD显示。

可以显示英文及数字，利用程序去驱动液晶

显示模块，设计简单，且界面美观舒适，耗电小。

综上所述，选择方案二，用字符型LCD进行显示。

4.帆板的设计方案论证与选择

方案一、采用电路板作为帆板。

根据设计需要的要求，电路板需做成宽：

10cm，长：

15cm；

在所拥有的风扇下采取电路板作为帆板，很难满足设计所需达到的角度。

考虑风力的大小和自身重力，不宜采用。

方案二、采用泡沫作为帆板。

泡沫的体积太轻，很容易满足设计所需要的角度，缺点：

泡沫的稳定性不高，干扰成分太多。

考虑不稳定性的因素太多此方案不宜采用。

方案三、采用铝板作为帆板。

经过多次实验：

铝板可以作为帆板使用，能过达到设计所需要的要求，而且铝板的稳定性比较好，抗干扰能力强，受干扰的成分比较小。

综上所述，选择方案三，用铝板作为帆板使用。

1.2.3系统的组成

经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1.1.1所示。

其中的集成电路ATMEGA328单片机驱动液晶显示模块、控制电机驱动改变风扇风力的大小从而改变帆板的角度，角度传感器把接收到的输出信号传送给ATMEGA328单片机进行处理再更新显示。

图1.1.1系统组成框图

PID算法：

由于单片机的处理速度和RAM资源的限制，一般不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，运算到最后再除以一个2的N次方数据（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度，根据控制精度的不同要求，当精度要求很高时，注意保留移位引起的“余数”，做好余数补偿。

遇限消弱积分：

一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。

具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项

积分分离法：

在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。

特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。

为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；

当偏差较小时才将积分作用投入。

离散化公式：

Δu（t）=q0e（t）+q1e（t-1）+q2e（t-2）

　当|e（t）|≤β时

　　q0=Kp（1+T/Ti+Td/T）

　　q1=-Kp（1+2Td/T）

　　q2=KpTd/T

　　当|e（t）|＞β时

　　q0=Kp（1+Td/T）

　q2=KpTd/T

u（t）=u（t-1）+Δu（t）

　微分控制对系统性能的影响：

微分作用可以改善动态特性，Ｔｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。

Ｔｄ偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。

只有Ｔｄ合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

由于快速傅立叶变换FFT算法设计大量的浮点运算，由于一个浮点占用四个字节，所以要占用大量的内存，同时浮点运算时间很慢，所以采用普通的8位MCU一般难以在一定的时间内完成运算，所以综合内存的大小以及运算速度，采用32位的单片机ATMEGA328，它拥有较大的RAM，并且时钟频率高达16M，所以对于浮点运算不论是在速度上还是在内存上都能够很快的处理。

2.1风扇控制电路

风扇控制电路主要是由ATMEGA328、L298电机驱动模块组成。

L298电机驱动模块主要由放大电路、OPAMP运算放大电路、电机驱动组成。

用电阻和电容组成高通滤波电路，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电机转速。

用L298驱动两台直流减速电机的电路引脚A,B分别用PWM控制。

如果电机运动则可将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接高低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM信号控制A,B即可。

特点：

工作电压高，可以达到46V；

输出电流大，瞬间峰值可达3A，持续工作电流2A；

额定功率25W。

当步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。

调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速，从而控制了风扇的风力的大小。

L298电机驱动的特点：

可以实现电机正反转及调速、启动转矩大。

图1.1.2L298电机控制电路

2.2角度测量原理

MMA7455三轴加速传感器是检测物体运动和方向的传感器，它根据帆板运动和方向改变输出信号的电压值。

当帆板受到风扇风力运动时，三轴加速传感器检测到帆板运动的输出信号，把该输出的电压值用三角函数数出来在把结果送往ATMEGA328单片机进行处理，通过按键控制与液晶显示屏进行显示。

MMA7455三轴加速传感器：

如图1.1.3所示

由ATMEGA328单片机组成的数字控制系统控制中，PID控制器是通过PID控制算法实现的。

ATMEGA328单片机通过AD对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现PID运算，再通过DA把控制量反馈回控制源。

从而实现对系统的伺服控制。

图1.1.4位置式PID控制算法的简化示意图A、图B。

图1.1.4（A）

图1.1.4（B）

传递函数为：

时域的传递函数表达式

对上式中的微分和积分进行近似

式中n是离散点的个数。

于是传递函数可以简化为：

其中

3.1风扇控制电路设计计算

由单片机ATMEGA328的处理速度和ram资源的限制，一般不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，运算到最后再除以一个2的N次方数据（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度，根据控制精度的不同要求，当精度要求很高时，注意保留移位引起的“余数”，做好余数补偿。

图1.1.5PID算法流程图

由PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

将采样值PID通过算法转化为PWM的占空比输出。

按键模块一共5个按键，其中一个是单片机复位按键（PC6），还有4个功能键，分别为：

1号键（对3个功能进行切换）、2号键（确定功能并且确定微调值）、3号键（减号键）、4号键（加号键）。

0号功能（通过3号键和4号键控制风力，使帆板角度变化）；

1号功能（控制帆板角度在45°

）；

2号功能（设定帆板角度）；

3号功能（长按2号键进行自校准）。