简易风洞控制系统设计
简易风洞控制系统设计
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。
小型模拟风洞系统设计报告资料
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。
风洞油源控制系统的设计
?! 引 言
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施&油源系 统是风洞的动力系统&为风洞所有阀门和执行机构提供液压 动力&用于实 现 试 验 模 型 各 种 高 难 度 状 态 的 自 动 驱 动 和 控 制&是十分重要的组成部分%文中风洞是国内主力生产型风 洞&控制系统已非常老旧&故障频发&另外随着国内各新型 装备吹风试验对风洞的运行性能及功能要求进一步提高&原 控制系统 已 不 能 很 好 地 满 足 试 验 需 求%尤 其 是 油 源 控 制 系 统&长期处于高油高蚀的环境&各种部件和机构更易老化& 而且各种元件'机构和油液大都封闭在壳体和管道内&出现 故障时&故障寻找和排除工作都十分耗时和艰难%因此对风 洞油源控制系统的重新设计尤为重要&以彻底解决油源控制 系统的老化'功能缺陷和器件停产问题%
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计算 机 测 量 与 控 制 !"#"#!"$!%"! !"#$%&'( )'*+%('#',& - !",&(".!
控制技术
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简易风洞及控制系统设计
１ 设计 任务
本设 计 为我 指 导 的 ２ ０ １ ４年 电子 设 计 大 赛 题 目 ， 要 求 实现一 个 简易风 洞控 制 系统 。硬件 方 面 ， 我 们将 设 计 分为四个模块 ， 分别是 电机驱动模块 ， 超声波传感器模 块， 单 片机模 块 和液 晶显示模 块 。单 片机 和 电机 驱 动用 于控制风力的大小和稳定性 ， 超声波模块利用超声波传 感 器对 简易 风 洞 内乒 乓 球 的位 置进 行 判 断 。液 晶显 示 模 块可 以实 时监测 小 球 的运 动情 况 。软 件方 面 ， 我 们利 用Ｋ Ｅ Ｉ Ｌ软 件 进 行 单 片机 编 程 ， 利用 Ｐ Ｒ Ｏ Ｔ Ｅ Ｕ Ｓ软 件 实 现模 拟仿 真 。 ２ 方 案论证 ２ ． １ 圆管 的选择 方 案一 ： 使 用不 透 明 的 Ｐ Ｖ Ｃ管 ， 需 要 开凿 一个 ３ ０ ｃ ｍ 的 长 条 形槽 孔来 观 察 乒 乓 球 的位 置 ， 并 需 要 将 槽 用 胶 带 粘 好， 保证 密封 性 ， 但是 观察 不够 直观 ， 且容 易 出现密 封 不 好 的 现象 。 方 案二 ： 选择使用透明的有 机玻璃管 ， 透 明度好 ， 密封 良好 且 不 易损坏 ， 更 容易 加工 。 综上 ， 我们最终选择使用有机玻璃管。 ２ ． ２ 支架的 选择 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 ｍ ｍ 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 。
汽车风洞实验控制系统的设计
１风 洞控 制 系统 设计 构 思
１１ 控 制软 件 总 体 设计 构 思 ．
风 洞 控 制 系统 按 照 功 能 可 分 为气 动 一声 学 整 车 风 洞 （ Ａ 丁 ｓ 与热环境整车风洞（ ＷＴ Ｓ 两种 ； Ａ ｗ ｃ） Ｃ Ｃ） 按照设计结构可 以分为三个设计模块 ： 网络通讯模块 、 实时显示模块 、 数据管理
前 正 着 手 建 造 第 一 个 地 面 交 通 工 具 风 洞 中心 ， 年 内 将 建 成 两 气 动 一声 学 整 车 风 洞 、热 环境 整 车 风 洞 以 及 整 车 风 洞 试 验 与
１２ 通 ห้องสมุดไป่ตู้ 模 块 的设 计 构 思 ＿
此风 洞监 控系统规模 较大， 不同厂家生产 的现场设备的种 类较多， 由于不 同厂家所提供的现场设备的通讯 机制并不相 同，
管理中心 ； 地面交通工具 风洞中心建 成后 ， 可以为全国汽车 将 企业研发提供服务 ， 而且收费将 比国外便 宜一半 以上 。 而首座 汽车风洞 的建设 ， 将为我 国汽车 、 轨道交通车辆 整车 和零部件 核心技术 的本土化研 发提供公共技术服务平 台支撑 。本文 提 到的通讯模块即应用于此汽车风洞配套监控 系统 软件 中。
模 块 。 总 的控 制 流 程 如 图 １ 所示 ：
技术 ， Ｌ Ｏ Ｅ标准允许多 台微机之间交换文档、 图形等对象。
一
个 Ｏ ＣＣ ＩＮ Ｐ ＬＥ Ｔ可 以 连 接 一 个 或 多 个 Ｏ Ｃ服 务 器 ， Ｐ 而
多个 Ｏ Ｃ ＬＥ Ｔ也可 以同时连接一个 Ｏ Ｃ服务器。 ＰＣ Ｎ Ｉ Ｐ
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。
风洞控制系统设计及检定准则
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。
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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
[1]徐晓津.风洞实验室传感器3D定位装置的研究[D].昆明理工大学，2011.
[2]孟亮.基于MSP430的风洞数据采集系统的开发设计[D].山东大学，2008.
[3]施保华，赵娟，田裕康.MSP430单片机入门与提高：全国大学生电子设计竞赛实训教程[M].武汉：华中科技大学出版社，2013，11.。