简易风洞控制系统设计
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简易风洞控制系统设计作者:张亚来源:《电子世界》2014年第19期【摘要】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】风洞;MSP430;控制系统1.引言风洞,是指在一个管道内,用动力设备驱动一股速度可控的气流,用以对模型进行空气动力实验的一种设备。
最常见的是低速风洞。
但由于风洞造价过高,导致对气流研究成本偏高。
所以本次设计为一个简单的风洞,可以在导管中研究小球漂浮时气流对它的影响。
2.总体设计方案本系统主要由主控板模块、测距模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成,系统方框图如图1所示。
图中MSP430控制器模块为系统的核心部件,按键和液晶显示器用来实现人机交互功能,其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中,并通过控制器显示到液晶屏上。
在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到风机驱动电路中,控制直流电机转速,同时控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比,实现电机转速达到实时、准确控制的目的。
图1 系统总体框图3.硬件设计3.1 微控制器电路设计MSP430是一个超低功耗的16位单片机,它处理速度快、运算能力强、功耗低、片内资源丰富、开发方便。
其最小系统如图2所示。
3.2 传感器电路设计传感器部分采用红外对管进行小球位置点信息的采集。
红外分为两个部分,一个部分为发射,另外一部分为接收,每当小球穿过红外的时候,电路会给主控芯片送入低电平,从而达到判断小球位置的目的。
电路图如图4所示。
图2 MSP430单片机最小系统电路原理图图3 红外测距模块电路原理图3.3 直流风机驱动电路设计电机驱动芯片L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。
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。
简易风洞及控制系统设计报告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).8.13摘要风洞是以人工的方式产生而且控制气流,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见、最有效的工具。
本设计主要经过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,经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,风洞目录1.系统方案........................................................................................ 41.1 主控板模块的论证与选择 ................................................... 41.2 测距模块的论证与选择 ....................................................... 41.3 显示模块的论证与选择 ....................................................... 41.4 电机驱动模块的论证与选择 (5)1.5 电源模块的论证与选择 (5)2.电路设计 (6)2.1系统总体框图 (6)2.2单片机最小系统............................................................................................................. .. (6)2.2.1 MSP430单片机介绍 (7)3.1.2 单片机最小系统设计框图 (8)3.1.3 单片机最小系统设计原理图 (8)2.3红外对管阵列测距模块及其电路 (9)2.3.1红外对管工作原理 (9)2.3.2红外对管阵列电路图 (9)2.4直流风机模块及其电路 (10)2.4.1直流电机驱动L298N (10)2.4.2 L298N内部结构及电路图 (10)2.5显示模块及其电路 (11)2.5.1 12864液晶显示介绍 (11)2.5.2液晶并行接口说明 (12)2.5.3接口信号说明 (12)2.6电源模块及其电路 (13)2.6.1直流稳压电路工作原理 (13)2.6.2直流稳压电源电路图 (13)3程序设计 (14)3.1程序功能描述 (14)3.2程序设计思路 (14)3.2.1 PWM控制风机转速 (14)3.2.2 PID闭环调节 (14)3.3程序设计思路 (15)3.3.1 主程序流程图 (16)3.3.2 PWM调速子程序流程图 (16)4测试方案与测试结果 (16)4.1测试方案 (17)4.2 测试条件与仪器 (17)4.3 测试结果及分析 (17)4.3.1测试结果(数据) (18)4.3.2测试分析与结论 (18)5 设计总结 (19)附录1:电路原理图 (20)附录2:源程序 (21)1.系统方案本系统主要由主控板模块、测距模块、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。
风洞控制系统设计及检定准则哎呀,今天我们来聊聊风洞控制系统设计和检定准则。
这听起来有点高深莫测,其实嘛,简单说就是我们要如何控制那些在风洞里飞得飞起的模型。
风洞,顾名思义,就是个能模拟风速和空气流动的地方。
想象一下,你在海滩上,迎着海风,感觉那风吹得爽爽的,其实就是我们在风洞里模拟的环境。
为了让这些小模型在风中翱翔得又稳又快,控制系统的设计就显得格外重要。
你可能会想,风洞控制系统到底有什么用呢?它就像是一位老练的导演,指挥着舞台上的每一个细节。
你想想,要是没有这些控制系统,风洞里的模型就像无头苍蝇一样乱飞,那可就热闹了。
但是,热闹归热闹,没效果可不行呀。
控制系统能够精确地调节风速、温度和气压,确保每一个试验都能如火如荼地进行。
想要让这些模型飞得稳,就得精确控制,哪怕是微小的变化,都会影响到最后的结果,真是“千里之行,始于足下”啊。
检定准则就成了我们的安全网。
就像考试前你会复习,确保能考个好成绩,检定准则就是保证我们每一次试验的准确性。
风洞测试不是随便玩玩的,它需要严谨的标准和流程,确保结果的可靠性。
否则,要是数据不靠谱,最后可就得不偿失了。
就像做饭,调料放多了或少了,味道可就大不一样了。
这些准则就像是菜谱,缺一不可,得严格遵循。
我们还得提一下,控制系统的设计其实也很有学问,像是架构师设计房子,得考虑到各种因素。
系统得简单易操作,毕竟谁也不想花大把时间去琢磨一个复杂的界面。
系统得稳定,像老黄牛一样,踏实可靠。
你想啊,风洞测试时一旦出现故障,那就麻烦了,模型可能会“飞”得无影无踪。
设计时还得考虑到后续的维护,这可不是小事儿,维护不好,就像房子漏水,麻烦不断。
在实施的过程中,团队的合作至关重要,大家得像一台精密的机器,各司其职。
一个环节出问题,整个流程都可能受到影响。
就像篮球赛,单靠一个人是赢不了的,得全队齐心协力。
团队成员之间的沟通也不能忽视,谁负责哪个环节,都得清楚明白。
大家一起努力,才能让风洞里的小模型飞得又稳又快。
一种简易风洞模拟控制系统设计
王晨;吴凡;王晓娜
【期刊名称】《大学物理实验》
【年(卷),期】2016(029)003
【摘要】介绍了简易风洞模拟系统的设计及制作。
本设计以XS128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CCD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,实现对风动系统的模拟。
【总页数】5页(P39-43)
【作者】王晨;吴凡;王晓娜
【作者单位】大连理工大学,辽宁大连 116024;大连理工大学,辽宁大连116024;大连理工大学,辽宁大连 116024
【正文语种】中文
【中图分类】O4-33
【相关文献】
1.一种简易风洞模拟控制系统设计 [J], 王晨;吴凡;王晓娜;
2.简易风洞测控系统设计 [J], 王敏敏;王瑞鹏
3.基于MSP430F5529的简易风洞控制系统设计 [J], 胡进德;付晓军
4.基于模糊PID的简易风洞控制系统设计 [J], 余云飞; 李中望; 邓旭辉; 段争光; 沈璐
5.基于模糊PID的简易风洞控制系统设计 [J], 余云飞; 李中望; 邓旭辉; 段争光; 沈璐
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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.系统设计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。
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AbstractThis 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目录目录 (1)1、系统方案 (2)测距模块选型: (2)方案一:超声模块测距法 (2)方案二:多重红外对管相对测距 (2)风机控制算法选择: (3)方案一:模糊控制 (3)方案二:PID控制 (3)2、系统理论分析与计算 (5)2.1、主要部件的分析 (5)2.1.1、ST188介绍 (5)2.1.2 LM339介绍 (5)2.1.3、STC89C52RC介绍 (6)2.2、PWM的产生 (8)3、系统框图 (10)3.1、系统结构框架图 (10)3.2、程序流程图 (10)4、系统功能测试方法、测量仪器型号、结果、整机指标 (12)4.1、软硬件连调 (12)4.2、测试条件与测试仪 (12)4.3、测试仪器: (12)5、测试结果与分析 (13)6、参考文献 (14)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。
风板控制装置(A题)一、任务设计并制作一个风板控制装置。
该装置能通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作,风板控制装置参考示意图见图1。
图1风板控制装置参考示意图二、要求1.基本要求(1)预置风板控制角度(控制角度在45°~135°之间设定)。
由起点开始启动装置,控制风板达到预置角度,过渡过程时间不大于10s,控制角度误差不大于5°,在预置角度上的稳定停留时间为5s,误差不大于1s。
动作完成后风板平稳停留在终点位置上;(2)在45°~135°范围内预置两个角度值(Φ1和Φ2)。
由终点开始启动装置,在10s内控制风板到达第一个预置角度上;然后到达第二个预置角度,在两个预置角度之间做3次摆动,摆动周期不大于5s,摆动幅角误差不大于5°,动作完成后风板平稳停留在起点位置上;(3)显示风板设置的控制角度。
风板从一个状态转变到另一个状态时应有明显的声光提示。
2.发挥部分用细线绳将一个重量为10g物体(可以用10g砝码代替),拴在小长尾金属夹的尾端上,小长尾金属夹与重物的总长度不小于50mm,并整体夹在图1所示风板对应位置上。
(1)预置风板控制角度(控制角度在45°~135°之间设定)。
由起点开始启动装置,控制风板达到预置角度,过渡过程时间不大于15s,控制角度误差不大于5°,在预置角度上的稳定停留时间5s,误差不大于1s,最后控制风板平稳停留在终点位置上;(2)在45°~135°范围内预置两个角度值(Φ1和Φ2)。
由终点开始启动装置,在15s内控制风板到达第一个预置角度上;然后到达第二个预置角度,在两个预置角度之间做4次摆动,摆动周期不大于5s,摆动幅角误差不大于5°,动作完成后风板平稳停留在起点位置上;(3)其他。
三、说明1. 给出的图1仅作参考,风板的外形尺寸要求为:高150mm×宽200mm,厚度和制作材料及风板支架的机械连接方式不做限定;风板上除安装风板转动轴、角度指示针和传感器外,不能安装其他任何装置;风机数量和控制风向方式可自行设计确定;可以设置风板起始位置、终点位置的限位装置,限定风板能在与水平线成30°~150°的夹角内摆动;2. 风板的运动状态,都要通过控制风机的风量来完成,不能受机械结构或其它外力的控制。
风洞水洞系统设计与制作
风洞水洞系统是现代实验室中常见的设备,用于模拟空气和水流动的情况,以研究物体在流体中的运动规律和性能。
本文将为大家介绍风洞水洞系统的设计和制作。
首先,风洞水洞系统的设计需要考虑多个因素,包括流体的速度、压力、温度、湿度等。
因此,在设计之前需要对研究对象以及实验条件进行详细的分析和研究。
然后,确定实验系统的基本参数和结构,包括实验室的尺寸、风机和水泵的选择、流体循环系统的设计等。
其次,在制作风洞水洞系统时,需要根据设计图纸进行工艺流程的制定。
风洞系统的制作需要注重风机的选型和安装,以及风道的制作和连接。
水洞系统的制作则需要注重水泵的选型和安装,以及水槽的制作和配管。
在制作过程中,需要考虑到流体流动的稳定性和均匀性,以及系统的密封性和安全性。
最后,在风洞水洞系统制作完成后,还需要进行严格的测试和调试。
测试内容包括流体速度和压力的测量、系统的稳定性和均匀性验证等。
在调试过程中,需要对系统的各个参数进行优化和调整,以保证实验结果的准确性和可靠性。
总之,风洞水洞系统的设计和制作是一项复杂的工作,需要注重各种细节和技术要求。
只有在设计和制作的过程中严格遵守相关要求,才能保证实验的成功和有效性。
简易风洞装置的设计本设计主要通过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞实验装置。
该装置用小球模拟飞行器,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,由单片机产生PWM信号控制直流风机的转速,使小球维持在设定的高度和状态,由12864液晶显示小球的高度及维持状态的时间,实现小球在简易风洞中的位置控制。
标签:风洞MSP430 PWM一、引言风洞实验室,是指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[1]。
该实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分,一款新的飞行器成功推出必须通过风洞实验。
由于风洞的控制性佳,可重复性高,所以风洞实验不仅应用于航空航天工程,而且在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域也广泛地应用。
2015年,在学校的职业生涯规划课中,我有幸参观了西南交通大学的XNJD-3风洞并体验了风洞的神奇效果,为此,我一直念念不忘自己设计一个简易的风洞装置。
终于在暑假期间,在老师的指导下,网上购买器材和元件,搭建并编程制作了一个简易风洞装置。
二、系统设计与实现1.方案设计风洞装置由圆管、连接部与直流风机构成,如图2.1所示。
风洞竖直放置,内径大约4.5cm且内壁透明平滑,小球可以在其中上下运动;管体外壁标有A、B、C、D标志线,BC段有1cm间隔的短标志线;风机在风洞的底部,上面有防止小球落入的格栅。
测试人员通过键盘输入小球的位置信息,调节风机的转速,实现小球在风洞中的位置控制。
按照控制要求,系统主要由主控模块、测距模块、显示模块、键盘输入模块、电机驱动模块、电源模块组成。
系统控制框图如图2.22.电路设计系统主控模块采用TI公司的MSP430F149,此款单片机功耗低、有看门狗(WDT)、模拟比较器、16位定时器、液晶驱动器、10 /12位ADC、PWM等丰富的内外设,性价比高[2]。
电源模块通过降压、整流滤波、稳压处理(如7812、7805等)形成。
专利名称:用于简易风洞实验的控制系统专利类型:实用新型专利
发明人:李文龙,王鑫春,钱真同
申请号:CN201721107151.2
申请日:20170831
公开号:CN207115128U
公开日:
20180316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型提供了用于简易风洞实验的控制系统,包含电源模块、控制模块、风机、交互单元与超声波风速传感模块;控制模块还包含电荷泵电路、微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路、基准单元、数字比较电路、第一驱动电路以及第二驱动电路;单片机控制单元与交互单元相连;超声波风速传感器的输出与单片机控制单元的输入相连;单片机控制单元的PWM方波输出端与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连;第一驱动电路的输出与电荷泵电路相连;电荷泵电路的输出与微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路顺序相连,A/D转换电路的输出与基准单元的输出分别与数字比较电路的输入相连,基准单元包含若干位数字电压。
本实用新型的有益效果在于控制更稳定。
申请人:重庆航天职业技术学院
地址:400021 重庆市江北区大石坝育航村1号
国籍:CN
代理机构:重庆中之信知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人:张景根
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简易风洞模拟控制系统组员:高明达田新兴阚亚进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SummaryThe system uses MSP430F149 SCM as the core control system; to stepper motor control flat turns, broken down by drive enhanced stepper motor precision; MMA7361 angle sensor chip module, acquisition of freedom pendulum displacement angle and 12,864 LCD display; controlled by photoelectric sensor plate where you stopped, Flat tilt angle happens to meet flat force on coin (supporting force and friction force) happen to provide the components of the coin horizontally in transverse acceleration force required; electromagnets are used to automatically free up swing. According to the foot of the step motor (1.8 °/STEP), precise control of stepping motor rotation corresponding steps. The system layout is reasonable, theoretical possible, actually run more smoothly, high control precision, meets the requirements of topics essential parts.Keywords: freedom pendulum .angle measurement. divided. driving balance control目录一、系统方案 (3)1.1方案选择与对比 (3)1.1.1角度测量方案 ...................................................................... 错误!未定义书签。
简易风洞设计需要的材料风机,小球,51单片机,风机驱动模块,液晶1602,超声波,电源设计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。
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。
设计要求(1)小球置于圆管底部,启动后5秒内控制小球向上到达BC段,并维持5秒以上。
(20分)(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。
(10分)(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3秒以上,上下波动不超过±1cm。
(10分)(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。
(10分)小球置于圆管底部,启动后5秒内控制小球向上到达圆管顶部处A端,且不跳离,维持5秒以上。
(10分)(5)小球置于圆管底部,启动后30秒内控制小球完成如下运动:向上到达AB段并维持3~5秒,再向下到达CD段并维持3~5;再向上到达AB段并维持3~5,再向下到达CD段并维持3~5;再向上冲出圆管(可以落到管外)。
(20分)(6)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5秒以上。
(10分)(7)其他自主发挥设计。
(10分)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。
简易风洞控制系统设计
【摘要】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】风洞;MSP430;控制系统
1.引言
风洞,是指在一个管道内,用动力设备驱动一股速度可控的气流,用以对模型进行空气动力实验的一种设备。
最常见的是低速风洞。
但由于风洞造价过高,导致对气流研究成本偏高。
所以本次设计为一个简单的风洞,可以在导管中研究小球漂浮时气流对它的影响。
2.总体设计方案
本系统主要由主控板模块、测距模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成,系统方框图如图1所示。
图中MSP430控制器模块为系统的核心部件,按键和液晶显示器用来实现人机交互功能,其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中,并通过控制器显示到液晶屏上。
在运行过程中控制器产生PWM 脉冲送到风机驱动电路中,控制直流电机转速,同时控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比,实现电机转速达到实时、准确控制的目的。
图1 系统总体框图
3.硬件设计
3.1 微控制器电路设计
MSP430是一个超低功耗的16位单片机,它处理速度快、运算能力强、功耗低、片内资源丰富、开发方便。
其最小系统如图2所示。
3.2 传感器电路设计
传感器部分采用红外对管进行小球位置点信息的采集。
红外分为两个部分,一个部分为发射,另外一部分为接收,每当小球穿过红外的时候,电路会给主控芯片送入低电平,从而达到判断小球位置的目的。
电路图如图4所示。
图2 MSP430单片机最小系统电路原理图
图3 红外测距模块电路原理图
3.3 直流风机驱动电路设计
电机驱动芯片L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。
L298可驱动2个电机,OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制电机的停转。
也利用单片机产生PWM信号接到ENA,ENB端子,对电机的转速进行调节。
直流风机驱动电路图如图5所示。
图4 直流风机驱动电路原理图
图5 主程序流程图图6 PID控制器流程图
4.程序设计
4.1 主程序流程图
整个系统要求在程序中执行各个子程序,按下相应的数字键则执行相应的要求对应的子程序。
通过PID的精确计算,控制乒乓球移动的距离。
主程序流程图如图6所示。
在本设计中,这个反馈就是速度传感器返回给单片机当前电机的转速。
简单的说,就是用这个反馈跟预设值进行比较,如果转速偏大,就减小电机两端的电压;相反,则增加电机两端的电压。
其流程图如图6所示。
4.2 PID流程图
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
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)式中积分的上下限分别是0和t 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。
PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。
这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较,然后把这个差别用于计算新的输入值,这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
和其他简单的控制运算不同,PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值,这样可以使系统更加准确,更加稳定。
5.结束语
本设计利用PID算法调节单片机产生PWM脉宽占空比来控制电机转速,以实现风量的大小控制。
通过对主控制模块、风机驱动模块、LCD显示模块、键盘模块、数字PID算法等进行组合优化,最终达到了设计要求。
参考文献
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