G题风洞控制系统
风洞的原理和应用
风洞的原理和应用风洞是一种模拟大气环境和气流特性的实验设备，通过在绝对静止或运动的气流中放置被测试物体，可以模拟飞行、航天、汽车、建筑等领域中的气流以及相关物理特性的实验和研究。
风洞的原理主要包括原始气流产生、气流加热和冷却、气流控制和测量等几个方面。
1.原始气流产生：风洞需要产生足够的气流速度和压力，以模拟真实环境的风。
在风洞的入口部分，使用风机或压缩机产生一定的气流，然后通过管道输送到测试区域。
气流的产生需要考虑流量、速度、压力等参数的控制。
2.气流加热和冷却：由于测试物体的实际工作条件可能会随温度的变化而发生改变，为了模拟这种情况，风洞需要对气流进行加热和冷却。
加热可以通过电加热器、燃烧器等方式实现，而冷却则可以通过制冷机或传热系统实现。
3.气流控制：为了精确控制气流在测试区域中的速度和方向，风洞需要使用各种气流控制装置。
常见的气流控制装置包括风门、风管、喷口等。
这些装置可以改变气流的流动速度和方向，以满足实验的需要。
4.气流测量：为了对气流的速度、压力、温度等参数进行准确测量，风洞需要配备一系列的传感器和测量设备。
常见的气流测量设备有风速仪表、压力传感器、温度传感器等。
风洞的应用广泛，常见的应用领域包括：1.航空航天领域：风洞可以用于模拟飞机在不同速度、高度和气流条件下的飞行状态，以测试飞机的气动性能和飞行稳定性。
通过风洞实验，可以研究和改进飞机的气动外形设计、翼型、舵面的形状和位置等。
风洞还可用于模拟火箭、导弹等飞行器在大气层内的气动特性，以提高其飞行的安全性和效率。
2.汽车工程领域：风洞可以模拟汽车在不同行驶速度、风速和风向条件下的空气动力学特性。
通过风洞实验，可以优化汽车的外形设计、减轻阻力、降低风噪声等，提高汽车的燃油效率和行驶稳定性。
此外，风洞还可以用于测试两车相遇时的气流效应，研究车内风噪声和空调系统的性能。
3.建筑工程领域：风洞可以模拟风荷载对建筑物的作用，包括风压、风速和风向等。
简易风洞及控制系统设计
过D超过D维持BC段管口A处2球放入自
动启动பைடு நூலகம்动正常下落不超
过D超过D维持BC段管口A处3球放入自
动启动启动正常下落不超
过D超过D维持BC段管口A处
分析：小球放入后可以自动启动，但是风力调整不好，主要是由于占空比调节不好导致风力过大，小球不能维持在BC段。
（5）小球AB-CD段往返运动
方案一：
直接使用四根长螺丝固定风扇，再用圆管和风扇连接固定。但密封性稍差，且当玻璃管上方加传感器后，高度增加，导致重心不稳，稳定性不够。
方案二：
使用4 mm2粗铁丝制作圆盘底座，底座上加有铁块配重增加稳定性，底座上有支架分别支撑有机玻璃管的上部与风扇底部，稳定性较好。
综合考虑各种因素，我们最终选择方案二。
（3）LCD显示小球高度位置及小球维持状态计时，测试结果如下表：
次数LCD显示小球
高度/s实际小球
高度/sLCD维持
状态计时/s实际计时/s1404155227266739777
分析：由以上数据得，超声波测距工作不是太稳定，容易受外界因素影响。
（4）风机自动启动部分测试数据如下表：
次数要求实际情况要求实际情况要求实际情况1球放入自
次数要求实际情况要求
时间/s实际
计时/s123AB维持3～5 s，CD维持3～5 s，再AB维持3～5 s，CD维持3～5 s，冲出圆管能上下运动，但不到规定段位，可以冲出能上下运动，但不到规定段位，可以冲出能上下运动，但不到规定段位，可以冲出3030301622255结论
（1）电机的选择上出现了错误，开始选用步进电机，转速不够，在风洞系统中乒乓球无法被现在的风力吹起来，通过更换电机得到改善。
所以，综上考虑，最终我们选择HC-SR04超声波传感器。
简易风洞及控制系统设计报告模板
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。
风洞的参数
标题：风洞参数详解
风洞是一种用于模拟空气流动的实验室设备，广泛应用于航空航天、汽车工程、建筑研究等领域。
以下是风洞的主要参数及其含义：
1. 风洞尺寸：风洞的尺寸通常用洞径或洞长来表示。
洞径是指风洞的圆形截面直径，洞长则是指风洞的直线距离。
这些参数决定了风洞的容量和功率，是风洞设计中的重要因素。
2. 气流速度：气流速度是风洞的主要参数之一，它决定了风洞模拟空气流动的能力。
一般来说，更高的气流速度意味着更高的模拟精度和更大的动态范围。
3. 气流温度：气流温度是指进入风洞的气体温度。
在某些领域，如航空航天和汽车工程，气流温度对空气动力学性能有重要影响。
4. 气流密度：气流密度是指单位体积内气体的质量。
气流密度对空气动力学性能有重要影响，因此在某些领域，如汽车工程中，需要精确控制气流密度。
5. 驱动功率：驱动功率是指驱动风洞运转所需的能量。
它取决于风洞的尺寸、气流速度和温度等多个因素。
6. 稳定性：稳定性是衡量风洞性能的重要参数，它决定了风洞在高速运行时的稳定性和精度。
7. 控制系统：风洞控制系统负责控制气流速度、温度、密度等参数，以确保模拟结果的准确性。
总之，了解和掌握风洞的参数对于正确使用和优化风洞性能至关重要。
通过合理选择和调整这些参数，我们可以获得更准确、更可靠的模拟结果，从而推动相关领域的研究和发展。
简易风洞及控制系统
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。
电赛校赛题目资料
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。
风洞的结构和原理
风洞的结构和原理
风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。
洞体中有一个能对模型进行必要测量和观察的实验段，实验段上游有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管，下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排出段或导回到风洞入口的回流段。
有时为了降低风洞内外的噪声，在稳定段和排气口等处装有消声器。
驱动系统是由可控电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成。
风扇旋转或压缩机转子转动使气流压力增高来维持管道内稳定的流动。
改变风扇的转速或叶片安装角，或改变对气流的阻尼，可调节气流的速度。
风洞的工作原理是：当飞机在空中移动时，会产生空气阻力。
因此，当空气流过静止的模型时，也会产生同样的阻力。
风洞使物体周围的空气流动，使物体看起来像真的在飞行。
在最基本的情况下，风洞本质上是一个巨大的管道，里面有一个强大的风扇，可以将空气吹到管道的中间。
隧道有些地方更宽，有些地方更窄。
在管道较窄的地方，空气必须加快速度才能通过。
管子越窄，空速就越快。
被测试的物体，无论它是一个小模型、一个交通工具的部件，还是一架全尺寸的飞机，都被固定在隧道里，使它不会移动。
静止物体周围的空气显示了物体在空气中移动时会发生什么。
以上信息仅供参考，如有需要建议查阅关于风洞的书籍或者咨询工程师。
风洞控制系统测试性的优化-精品文档
风洞控制系统测试性的优化测试性（Testability）影响装备的可用性、可靠性和维修性，因而是影响装备战备完好性的重要因素。
测试性良好的系统，能够减少装备维修保障过程中的繁琐而杂乱的维修活动，缩短故障检测和诊断的时间，降低对维修人员的技能要求。
风洞控制系统，作为确保整个风洞运行的基础，具有重要的作用，它包含多个工控机、PLC以及人机操作系统等多个设备，具有结构复杂，器件繁多，涉及面广等特点。
而目前风洞控制系统在研制阶段对故障诊断考虑较少，（往往仅在智能部件或者网络节点处增加了故障自检能力）导致控制系统故障诊断效率低，经费高，降低了风洞的效能。
因此，必须重视风洞控制系统的故障检测和故障诊断能力的提升，而只有从控制系统研制开始就进行测试性设计，才能从根本上解决这个问题。
1 测试性分析及诊断策略优化理论目前，基于相关性模型的测试优化设计方法成为国内外研究的热点，测试性分析是测试性设计的关键。
测试性分析主要用于解决导致诊断能力降低的系统拓扑逻辑缺陷。
测试性分析结束后可以得到模型的测试性参数，将这些参数与系统测试性指标要求比较，分析是否满足指标和实际需要，如果不满足，需要对故障模糊组、不可检测故障、冗余测试、反馈回路等内容进行分析，并考虑修改系统测试方案和调整测试性模型。
风洞控制系统测试性分析流程为：首先对控制系统进行相关性建模，得到相关性矩阵，然后通过测试性分析该系统的测试性指标是否满足要求，如果满足则可以进行诊断策略优化设计，如果不满足则需要考虑改进系统结构，直到满足测试性指标为止。
据统计，在实际系统中，电子设备发生单故障的概率是故障总数的70%-80%，发生多故障的概率较低，且一些多故障往往又是相互联系的，因此多故障可以看作单故障的简单组合，另外，一般来说多故障更多表现在卫星等长时间在太空运行而无人维护的航天器上，对于风洞等定期维护的设备来说以单故障结论居多。
因此，本课题主要针对单故障情况进行研究。
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2014年黑龙江赛区TI杯大学生电子设计竞赛
G题：简易风洞及控制系统（高职）
1.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，如右所示。
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。
2.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。
（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3s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）（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。
（10分）
（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）。
（20分）（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。
（10分）
（8）其他自主发挥设计。
（10分）
（9）
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。