小型模拟风洞系统设计报告

综合电子设计

小型模拟

风洞系统

刘石劬 22011231

尹哲浩 22011214

赵正扬 22011212

董元 22011207

一、引言

二、设计思路

2.1 整体功能设想

2.2 模块实现方式确定

三、设计内容及部分电路仿真

3.1 输入模块设计部分

3.1.1 按钮功能电路实现与仿真

3.1.2 控制输入电路实现与仿真

3.2 控制模块设计部分

3.2.1 硬件选型及论证

3.2.2 风扇控制信号的分析

3.3 整体原理图与PCB设计

四、整体实物图即测试结果

五、课程收获与心得

六、参考文献

一、引言

风洞是空气动力学研究的重要地面试验设备，通过对流体力学方法的计算，可以研究物体模型所受不同方向、不同大小的气动阻力影响，为汽车、高速列车等等的选型提供大量的参考依据。同时，风洞也是试验高速飞行器必不可少的一种设备，是保证一个国家航空航天处于领先地位的基础研究设施]1[。随着时代的发展，飞机研究制造业的竞争越加激烈，尤其在军事领域，现有风洞试验设备的模拟能力已经成为制约第四第五代战斗机的研制和未来高超声速飞行器发展的瓶颈。

这次课题设计，我们想以自己现有的能力和一些简单的器材来完成一个简易的小型风洞设计，用以模拟产生不同风力大小的气流。我们采用电脑CPU风扇作为风力的发生装置，以输入信号的占空比来调节风扇转速的大小，并可以根据风扇所发出的风力大小来实现结果的反馈。

二、设计思路

2.1 整体功能设想

风扇的输入信号可以控制风扇实现不同的转速，也可以让风扇的工作处于测试模式下，即风扇的转速按预定的延时变化，风力将由大至小，再由小变大循环往复。也可以通过键盘，让帆板到达指定高度。

2.2 模块实现方式确定

(1) 输入模块：使用者将通过按钮进行输入信号的控制，工作时不会存在两个按钮同时有效的情况。本模块的大体部分会以门电路的形式构成，功能上通过计数器不同的计数值来形成不同的输入信号，但必须保证信号的频率一致。最后，所有档位的信号必须以同一个输出端口输送至风扇，对风扇进行相应的控制。

(2) 控制模块：采用MSP430F6638作为主控芯片，它是由TI公司推出的16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。用LSM303作为检测角度的传感器，用AVC 8038风扇作为风力来源。

三、设计内容及部分电路仿真

3.1 输入模块设计部分

输入模块是指将控制信号输入风扇前的所有电路，由档位控制按钮部分、档位实现部分、风扇输入部分等组成。通过对这些部分的整合，可以达成输出一个频率相同，占空比可变的方波信号的功能。输入模块的设计大多以简单的数字门电路来实现，使用的芯片也以74LS系列为主。

输入部分原理图如下：

3.1.1 按钮功能电路实现与仿真

我们所设想的的按钮具体有按下和悬空两种状态。当使用者按下一个按钮后，对应的档位就会开始工作，输出对应占空比的波形。若使用者第二次按同一按钮，则按钮将会弹起恢复悬空状态，对应的档位不再工作。在一个档位处于工作状态下，使用者按下其他按钮将不会起任何作用，必须将上一个按钮取消后，按下的新按钮才会正常开始工作。

如下图所示，button1到button3分别为风扇的3个不同档位的控制按钮，而button4则为测试模式的控制按钮。

这四个输入同时只能有一个有效。对每一个输入而言，其他3个输入的或非和它本身相与构成最后的输出。若在此之前，已经有按钮生效，则或非的值为0，新的按钮也就无从输出了。

以button1和button4为例进行仿真，分别输入不同频率的方波。以下I/O 分别为button1到button4和output1到output4，每一个output对应相应的button信号。

由图可见，即便输入信号存在高电平上的重叠，但是输出只会有一个信号为高电平，后出现上升沿的信号暂时无效，直至较早工作的信号降为低电平为止，才会开始工作。

3.1.2 控制输入电路实现与仿真

控制输入电路接入按键的输出，通过74161不同方式的计数产生不同的输出信号。本电路有4个输入，分别接至按钮部分的output1至output4；有2个时钟脉冲，分别控制档位1至档位3的计数器，和测试模式的额外计数部分；有3个输出，分别为档位1到档位3的输出，而档位4则对前3个输出同时进行利用，本身并不附加其他的输出。

以button1、button3和button4为例，分别仿真单一档位和测试模式的输出波形。当button1有效时，button1始终置1，button4亦然。下图I/O分别为CLK1、CLK2、button1到button4以及output1到output3。

在button1有效下，output1的输出结果：

在button3有效下，output3的输出结果：

在button4有效下，测试模式的输出结果：

通过对于CLK2的调节，可以控制测试模式下风扇转速由小到大再到小，在每个档位停留的时间，只需输入不同频率的方波即可。

最后，控制输入电路的3个输出将以三态门的形式进行线与作为最后输进风扇的输入信号。每个三态门的EN端接各自对74161的使能信号作为控制端。当对应的计数器工作时，该计数器的输出有效。

我们利用quartus ii5.0对以上电路与实现功能，在quartus ii 5.0中，我们可以直接通过其中所绘原理图进行仿真，同时也可以相应生成相关程序如下：

module windpit(

button4,

button1,

button2,

button3,

CLK2,

CLK1,

output2,

output1,

output3,

output4 );

input button4; input button1; input button2; input button3; input CLK2; input CLK1; output output2; output output1; output output3; output output4;