简易风洞及控制系统分解

简易风洞及控制系统（G题）

摘要：本帆板控制系统由单片机ATMEGA328作为帆板转角的检测和控制核心，实现按键对风扇转速的控制、调节风力的大小、改变帆板转角θ、液晶显示等功能。引导方式采用角度传感器感知与帆板受风力大小的转角θ的导引线。通过PWM波控制电机风扇风力的大小使其改变帆板摆动的角度θ。风扇控制核心采用L298电机驱动模块，用ATMEGA328单片机为控制核心，产生占空比受数字PID 算法控制的PWM脉冲，实现对直流电机转速的控制，同时利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。MMA7455三轴加速传感器把角度输出信号传送给ATMEGA328单片机进行处理。

关键词：ATMEGA328，MMA7455，PWM波，PID算法

目录

1. 系统设计

1.1 任务与要求

1.1.1 主要任务

1.1.2 基本要求

1.1.3 说明

1.2总体设计方案

1.2.1 设计思路·

1.2.2 方案论证与比较

1.2.3 系统的组成

2. 单元电路设计

2.1 风速控制电路

2.2小球测距原理

2.3控制算法

3. 软件设计

3.1风速控制电路设计计算

3.2控制算法设计与实现

3.3程序流程图

4. 系统测试

4.1 调试使用的仪器与方法

4.2 测试数据完整性

4.3 测试结果分析

4.4 结束语

5. 总结

参考文献

附录1 元器件明细表

附录2 电路图图纸

附录3 程序清单

1.1任务与要求

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。

1.2.2 方案论证与比较

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