简易风洞及控制系统

简易风洞及控制系统
This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
简易风洞及控制系统(专科组G题)
作者：王康、赵辉、张帅帅
赛前辅导教师：吉武庆
文稿整理辅导教师：吉武庆
摘要
本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案。

本设计以STC89C52RC单片机为主控芯片,利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。

通过在风洞表面安装的8个光电式光线传感器来检测小球位置，而后通过PID算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校.从而形成一个完整的闭环控制系统。

关键词：PID算法，PWM调速，闭环控制
Abstract
This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control system. The design STC89C52RC microcontroller as the main control chip, using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball. To detect the location of the ball in a wind tunnel by surface mounted 8 photoelectric light sensor, and then through the exhaust volume PID algorithm flow fan on the shaft was further adjusted. So as to form a complete closed-loop control system.
Keywords: PID algorithm, PWM speed control, closed loop control
目录
1、系统方案
该简易风洞控制系统主要由控制模块，供电模块，显示模块，键盘输入模块，风机驱动模块和位置检测模块组成。

小球的位置检测既可以采用超声测距又可以采用红外对管，超声测距结构简单稳定性高；红外对管结构相对复杂，但在一定情况下精度却比超声测距高。

下面我们就测距模块的选型和风机控制算法选择进行简要的分析和对比。

测距模块选型：
方案一：超声模块测距法
采用安装在顶部的超声测距模块来直接获取小球的相对位置。

很明显，此方案最大的优点就是结构简单，使得整个系统更加稳定。

但是由于超声模块的
探测距离S≧2cm,但题中所规定的精度必须在2cm的范围内，故不采用此方案。

方案二：多重红外对管相对测距
采用多个对管分别安装在风洞一侧，当小球经过不同的对管时即代表小球所达到的高度，因为红外对管在风洞上的位置是固定的，所以我们采用了定点检测的方法，即在A,D点各安装一对管，在BC段通过6对管来将10cm的距离5等份，使得在BC段各个相邻对管之间的距离小于2cm。

从而保证了小球的精度误差处于合理范围。

经系统分析与比较论证，我们采用精度高、误差小、性价比好的第二种方案，即：多重红外对管相对测距方案。

风机控制算法选择：
方案一：模糊控制
模糊逻辑控制简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

模糊控制实质上是一种非线性控制智能控制技术，它能简化系统设计的复杂性，且不依赖于被控对象的精确数学模型；它利用控制法则来描述系统变量间的关系；不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，使得模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。

但是模糊控制尚处于研究阶段，如何获得模糊规则及隶属函数，完全凭经验进行；对信息简单的模糊处理将会导致系统的控制精度的降低和动态品质变差。

若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速
度，甚至不能进行实时控制；
方案二：PID控制
PID控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其
它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

其输入e (t）与输出u (t）的关系为：
u(t) = kp [ e(t) + 1/TI∫e(t)dt + TD * de(t)/dt ]
因此它的传递函数为：G(s) = U(s) / E(s) = kp [ 1 + 1 / (TI*s) + TD * s ]
其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。

经系统分析与比较论证，风机的控制算法我们采用采用数学模型已知，参数调校方便，实时性高的方案二——PID控制算法。

2、系统理论分析与计算
2.1、主要部件的分析
2.1.1、ST188介绍
ST188红外收发对管由高发射功率的红外光电二极管和高灵敏度的光电晶体管二部分组成。

在非接触条件下它的探测距离可达4~13mm,最大输出大流为8mA。

实际应用时只需外接两个电阻即可正常工作，这极大地简化了ST188的应用难度，具体电路如图1:
图1 ST188应用电路
2.1.2 LM339介绍
LM339四路差动比较器，芯片内部装有四个独立的电压比较器，为14管脚DIP封装，该电压比较器的特点是失调电压小、电源电压范围宽、对比较信号源的内阻限制较宽、共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo、差动输入电压范围较大等特点，具体应用电路如图2：
图2 电压比较电路
2.1.3、STC89C52RC介绍
STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52RC使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得
STC89C52RC为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量 2级中断结构），全双工串口。

另外STC89C52RC 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz。

图3 控制电路设计图
2.2、PWM的产生
PWM信号的产生通常有两种方法：一种是通过软件编程来实现；另一种是通过硬件电路来实现。

由于后一种方法较复杂，对其也难以查证相应资料，操作起来也麻烦。

所以我们可以采用以软件的方法来产生PWM信号，即使用单片机。

单片机STC89C52RC有两个定时器T0和T1。

通过控制定时器T0和T1，赋以相应的初值，就可以实现从89C52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。

因为PWM信号软件实现的核心部件是由单片机内部的定时器决定，而不同的单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不
同，选择的定时器工作方式也会不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。

因此，首先我们要明确定时器的定时初值与定时时间的关系。

如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为：
式中，N----一个机器周期的时钟数；Tw----定时器定时初值。

3、系统框图
3.1、系统结构框架图
如图4 系统结构框图
3.2、程序流程图
4、系统功能测试方法、测量仪器型号、结果、整机指标
4.1、软硬件连调
先将焊接好的各个电路模块（电机驱动模块，光电传感器模块，电压比较模块，显示模块等）进行分开调试。

再将整个硬件系统搭建起来，软件烧写进去，进行联调。

4.2、测试条件与测试仪
测试条件：硬件焊接完好，各个模块功能测试正常，软件编译正常即可。

4.3、测试仪器：
5、测试结果与分析
通过以上测试数据，可以得以下结论：
1.用本系统可以控制小球悬停在风洞的任意位置,且悬停时间大于等于5S；
2.本系统能实时显示小球所在的高度信息及状态保持时间；
综上所述，本设计已达到设计要求。

6、参考文献
[1] 卢庆林.模拟电子技术.重庆：重庆大学出版社
[2] 卢庆林.数字电子技术.北京：机械工业出版社
[3] 李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社
[4] 梁森.自动检测与转化技术.北京：机械工业出版社
[5] 谭浩强.《C语言程序设计》.北京：高等教育出版社第三版。