简易风洞及控制系统分解

1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2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31.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。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4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。51.2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6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。该传感器的优点：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。7图1.1.1系统组成框图8PID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)q1=-Kp(1+2Td/T)q2=KpTd/Tu(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.单元电路设计92.1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