简易风洞及控制系统
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 STC89C52R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，PW调速，闭环控制
Abstract
This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control
system.
The design STC89C52RCmicrocontroller 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 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。小球的位置检测既可以采用超声测距又可 以采用红外对管，超声测距结构简单稳定性高；红外对管结构相对复杂，但在 一定情况下精度却比超声测距高。下面我们就测距模块的选型和风机控制算法 选择进行简要的分析和对比。
测距模块选型：
方案一：超声模块测距法
采用安装在顶部的超声测距模块来直接获取小球的相对位置。 很明显，此方
案最大的优点就是结构简单，使得整个系统更加稳定。但是由于超声模块的探
测距离S三2cm,但题中所规定的精度必须在 2cm的范围内，故不采用此方案 方案二：多重红外对管相对测距
采用多个对管分别安装在风洞一侧，当小球经过不同的对管时即代表小球所达 到的高度，因为红外对管在风洞上的位置是固定的，所以我们采用了定点检测 的方法，即在A,D点各安装一对管，在BC段通过6对管来将10cm的距离5等 份，使得在BC段各个相邻对管之间的距离小于
2cm从而保证了小球的精度误 差处于合理范围。
经系统分析与比较论证， 我们采用精度高、 误差小、性价比好的第二种方案， 即：多重红外对管相对测距方案。
风机控制算法选择：
方案一：模糊控制
模糊逻辑控制简称模糊控制 (Fuzzy Control) ，是以模糊集合论、模糊语言 变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一 种非线性控制智能控制技术，它能简化系统设计的复杂性，且不依赖于被控对 象的精确数学模型；它利用控制法则来描述系统变量间的关系；不用数值而用 语言式的模糊变量来描述系统，使得模糊控制器不必对被控制对象建立完整的 数学模式。
但是模糊控制尚处于研究阶段，如何获得模糊规则及隶属函数，完全凭经 验进行；对信息简单的模糊处理将会导致系统的控制精度的降低和动态品质变 差。若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速 度，甚至不能进行实时控制；方案二： PID 控制
PID 控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史， 现在仍然是应用最广 泛的工业控制器，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工 业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精 确的数学模型时，控制理论的其
它技术难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用
PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象， 或不能通过有效的测量手段来获得时， 最适合用PID控制技术。PID控制，实际
中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分 计算出控制量进行控制的。
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 ]
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。
经系统分析与比较论证， 风机的控制算法我们采用采用数学模型已知， 参数2、系统理论分析与计算
2.1 、主要部件的分析
2.1.1、ST188介绍
ST188 红外收发对管由高发射功率的红外光电二极管和高灵敏度的光电晶
体管二部分组成。在非接触条件下它的探测距离可达 4~13mm最大输出大流为
8mA实际应用时只需外接两个电阻即可正常工作，这极大地简化了 ST188的应
用难度，具体电路如图 1:
图1 ST188应用电路
2.1.2 LM339 介绍
LM339四路差动比较器，芯片内部装有四个独立的电压比较器，为 14管脚
DIP 封装，该电压比较器的特点是失调电压小、 电源电压范围宽、 对比较信号源
的内阻限制较宽、共模范围很大，为 0~ (Ucc-1.5V)Vo差动输入电压范围较 大等特点，具体应用电路如图 2：
图 2 电压比较电路
2.1.3、STC89C52R介绍
STC89C52R是STC公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS位微控制器，具 有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。
STC89C52R(使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传 统 51 单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52RC 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：8k字节Flash , 512字节RAM 32位I/O 口线，看门 狗定时器，内置4KB EEPRQMMAX81C复位电路，3个16位定时器/计数器，4 个外部中断， 一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ， 全双工串口。另外STC89C52RC可降至OHz静态逻辑操作，支持 2种软件可选 择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM定时器/计数器、串口、中断继续 工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止， 直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz。
图 3 控制电路设计图
2.2、PW啲产生
PWM信号的产生通常有两种方法：一种是通过软件编程来实现；另一种是 通过硬件电路来实现。由于后一种方法较复杂，对其也难以查证相应资料，操 作起来也麻烦。所以我们可以采用以软件的方法来产生 PWM言号，即使用单片
机。
单片机STC89C52R有两个定时器TO和T1。通过控制定时器TO和T1，赋 以相应的初值，就可以实现从89C52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。 因为PWM言号软件实现的核心部件是由单片机内部的定时器决定，而不同的单 片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选 择的定时器工作方式也会不同， 其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此，首先我们要明确定时器的定时初值与定时时间的关系 如果单片机的时钟频率为f,定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时
时间的关系为：
式中，N---- —个机器周期的时钟数；Tw----定时器定时初值。
3、系统框图
3.1、系统结构框架图
如图4 系统结构框图3.2、程序流程图
4、系统功能测试方法、测量仪器型号、结果、整机指标
4.1、 软硬件连调
先将焊接好的各个电路模块（电机驱动模块，光电传感器模块，电压比较 模块，显示模块等）进行分开调试。再将整个硬件系统搭建起来，软件烧写进 去，进行联调。
4.2、 测试条件与测试仪
测试条件：硬件焊接完好，各个模块功能测试正常，软件编译正常即可
4.3、测试仪器:
仪器名称 用途 数量
单片机下载器 仿真调试及下载程序 1
数字万用表 测量各电路工作情况 1
示波器 检测PWM波形 1
波形发生器 向电机驱动模块输入信号 1
学生电源 向整个系统提供各种电压 1
5、测试结果与分析
测试项目 测试结果
使小球稳定在风洞的BC段 BC段稳定时间：4S
使小球稳定在风洞的A点 A点的稳定和时间：无穷大
使小球在风洞内的高度可控 通过按键设置高度为 2cm,实测高度为
3.2cm，误差 1.2cm
使小球在风洞内可以上下移动 在AB端稳定时间：6S,在BC段稳定时
间：7S,总用时25S
在风机停止时，使小球从顶部落下， 风机自动启动，使小球在风洞内的最 低点不低于D点，最终稳定在BC段 小球落下，风机启动，在距D点2 cm 处小球缓慢上升，3S后，小球稳定在
BC段，稳定时间：6S
通过以上测试数据，可以得以下结论：
1. 用本系统可以控制小球悬停在风洞的任意位置，且悬停时间大于等于5S;
2. 本系统能实时显示小球所在的高度信息及状态保持时间；
综上所述，本设计已达到设计要求。
6参考文献
[1] 卢庆林.模拟电子技术•重庆：重庆大学出版社 [2] 卢庆林.数字电子技术.北京：机械工业出版社
[3] 李全利. 单片机原理及应用技术 .北京：高等教育出版社
[4] 梁森.自动检测与转化技术 . 北京：机械工业出版社
⑸ 谭浩强.《C语言程序设计》.北京：高等教育出版社第三版
风洞实验应用的是什么原理
风洞实验应用的是什么原理
1. 引言
风洞实验是一种非常重要的实验手段，广泛应用于航空、汽车工程、建筑等领域。通过模拟真实环境，在实验室中进行气流的模拟，可以帮助工程师们研究空气动力学问题，并优化设计，提高产品性能。在进行风洞实验时，我们需要了解风洞实验应用的基本原理。
2. 风洞的基本原理
风洞实验的基本原理就是通过空气流动来模拟实际的气流场。风洞是一个由细长的结构组成的容器，内部建造有与外部环境接触的入口和出口。通过控制入口处的风速和流量，可以模拟各种不同的实际气流条件。
3. 风速控制原理
风洞中的风速控制是风洞实验中最重要的一部分。通过调整入口处的风速，可以模拟不同的空气风速条件，以满足不同的实验要求。主要的风速控制原理包括下面几种：
• 风扇控制原理：通过调整风扇的转速，控制空气流动的速度。可以通过调整电机的电流或电压来改变风扇的转速，从而控制风速。
• 蜗轮蜗杆控制原理：通过调整蜗轮蜗杆传动的速度比例，来控制空气流动的速度。
• 变频器控制原理：通过调节变频器的输出频率，控制驱动风机的电机转速，从而控制风速。
4. 流场模拟原理
风洞实验不仅要求模拟空气的流速，还需要模拟真实的气流场。通过合理的设计和布置风洞内部的结构，可以使空气在风洞内产生平稳的流动，并尽可能地接近实际气流场。以下是常用的流场模拟原理：
• 入流条件仿真：通过设置合适的进口边界条件，使得入流的速度和流场分布与实际情况相符。
• 出流条件仿真：通过设置合适的出口边界条件，使得出流的条件与实际情况相符。
• 增加障碍物：在风洞内部设置相应的障碍物，以模拟实际场景中的建筑、车辆等物体对空气流动的影响。 5. 实验数据采集原理
风洞实验的另一个重要方面是实验数据的采集与记录。在风洞实验中，我们需要采集各种参数，如气流速度、压力分布、升力和阻力等相关数据。以下是常用的实验数据采集原理：
• 压力传感器：用于测量风洞壁面的压力分布。通过将压力传感器安装在风洞内部的壁面上，可以测量不同位置的压力值。
小型风洞实验报告总结(3篇)
第1篇
一、实验背景与目的
随着现代工业和航空技术的发展，对空气动力学特性的研究日益重要。风洞实验作为一种重要的空气动力学研究方法，能够有效地模拟真实飞行器或其他物体在空气中的运动状态。本实验旨在通过小型风洞实验，研究特定模型在不同风速和攻角下的空气动力学特性，为后续设计优化提供数据支持。
二、实验原理与设备
1. 实验原理：风洞实验基于流动相似原理，通过模拟实际飞行器或其他物体在空气中的运动状态，研究其空气动力学特性。实验过程中，通过控制风速、攻角等参数，观察模型在不同工况下的运动状态，分析其空气动力学特性。
2. 实验设备：
- 小型风洞：用于产生均匀气流，模拟实际飞行器或其他物体在空气中的运动状态。
- 模型：根据实验需求设计，用于模拟真实飞行器或其他物体。
- 数据采集系统：用于实时采集实验数据，包括风速、攻角、模型姿态等。
- 计算机软件：用于数据处理和分析。
三、实验过程
1. 实验准备：根据实验需求，设计模型并加工制作。安装数据采集系统，调试风洞设备。
2. 实验步骤：
- 调整风洞风速，使模型处于预定攻角。
- 记录风速、攻角、模型姿态等数据。
- 改变攻角，重复上述步骤。
- 分析实验数据，得出结论。
3. 实验数据：实验过程中，记录了风速、攻角、模型姿态等数据，并对数据进行整理和分析。 四、实验结果与分析
1. 实验结果：通过实验，得到了模型在不同风速和攻角下的空气动力学特性数据。
2. 数据分析：
- 随着风速的增加，模型的升力系数和阻力系数逐渐增大。
- 随着攻角的增加，模型的升力系数逐渐增大，阻力系数逐渐减小。
- 在特定风速和攻角下，模型具有最佳空气动力学特性。
五、结论与讨论
1. 结论：通过小型风洞实验，研究了特定模型在不同风速和攻角下的空气动力学特性，为后续设计优化提供了数据支持。
2. 讨论：
风洞实验报告
风洞实验报告
风洞实验报告
一、引言
风洞实验是一种重要的工程实验方法，可以模拟大气中的空气流动情况，用于测试和研究各种物体在气流中的性能和特性。本文将介绍一次针对某飞行器模型的风洞实验，包括实验目的、实验过程、实验结果和结论。
二、实验目的
本次实验的目的是通过风洞实验，对某飞行器模型在不同风速下的气动特性进行测试和分析，为飞行器的设计和改进提供参考依据。具体目标如下：
1. 测试飞行器在不同风速下的升力和阻力变化情况，了解其气动性能；
2. 研究飞行器在不同风速下的稳定性和操纵性，评估其适航性；
3. 分析飞行器在不同风速下的气动力分布，寻找潜在的改进方向。
三、实验过程
1. 实验设备准备：在实验室中搭建风洞装置，包括风洞本体、风速控制系统、数据采集系统等。确保设备正常运行和准确测量。
2. 实验样本制备：根据飞行器模型的设计要求，制作样本并进行必要的校正和调整，确保样本符合实验要求。
3. 实验参数设置：根据实验目的，确定实验参数，包括风速范围、采样频率、测量点位置等。
4. 实验数据采集：将样本放置在风洞中，通过数据采集系统记录风速、升力、阻力、气动力矩等数据，并实时监测飞行器的姿态。
5. 数据处理与分析：对采集到的数据进行处理和分析，得出实验结果，并与理论计算结果进行对比。
四、实验结果
1. 升力和阻力变化曲线：通过实验数据的分析，得到了飞行器在不同风速下的升力和阻力变化曲线。结果显示，在低速风洞实验中，飞行器的升力随着风速的增加而线性增加，而阻力则呈指数增加。在高速风洞实验中，升力和阻力的增长趋势逐渐趋于平缓。
2. 稳定性和操纵性评估：通过实时监测飞行器的姿态，得到了飞行器在不同风速下的稳定性和操纵性评估结果。结果显示，在较低风速下，飞行器的稳定性较好，操纵性较强；而在较高风速下，飞行器的稳定性和操纵性受到较大的挑战。
3. 气动力分布分析：通过实验数据的处理，得到了飞行器在不同风速下的气动力分布情况。结果显示，在低速风洞实验中，飞行器的气动力主要集中在机翼和尾翼上，而在高速风洞实验中，气动力分布更加均匀。
风洞飞行的技巧
风洞飞行的技巧
风洞飞行是指在模拟空气流动的风洞中进行飞行试验，以研究飞行器的气动特性。以下是一些风洞飞行的技巧：
1. 姿态控制：在风洞中进行飞行试验时，飞行器的姿态控制非常重要。通过调整飞行器的姿态，可以模拟不同飞行状态下的气动特性。飞行员需要熟练掌握操纵杆、脚蹬等操纵设备，以保持飞行器的稳定姿态。
2. 稳定性和操纵性评估：风洞试验的一个重要目标是评估飞行器的稳定性和操纵性。飞行员需要根据飞行器的姿态和风洞的气流情况，准确地评估飞行器的稳定性和操纵性，并对其进行调整和改进。
3. 纵向运动控制：飞行员需要控制飞行器的纵向运动，包括俯仰运动（上下运动）和纵向加速度。通过调整飞行器的迎角和升降舵的角度，可以控制飞行器的纵向运动特性。
4. 横向运动控制：飞行员还需要控制飞行器的横向运动，包括滚转（左右摇摆）和横向加速度。通过调整飞行器的滚转角度和副翼的角度，可以控制飞行器的横向运动特性。
5. 迎风角和侧滑控制：飞行员需要调整飞行器的迎风角和侧滑角，以模拟不同飞行状态下的气动特性。通过调整副翼和方向舵的角度，可以控制飞行器的迎风角和侧滑角。
6. 数据记录和分析：风洞飞行试验需要对飞行器的各种气动参数进行记录和分析。飞行员需要熟练运用数据记录设备，并对数据进行准确的分析和解释。
总之，风洞飞行需要飞行员熟练掌握姿态控制、稳定性和操纵性评估、纵向和横向运动控制、迎风角和侧滑控制等技巧，以确保飞行试验的准确性和有效性。
高超声速风洞试验介绍
高超声速风洞试验介绍
摘要
风洞即风洞实验室，是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。风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，这种实验方法，流动条件容易控制。实验时，常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风，通过测控仪器和设备取得实验数据。高超声速风洞是指马赫数大于 5的超声速风洞，主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。本文主要介绍常规高超声速风洞和实验所用高超声速风洞。
1. 引言
风洞（wind tunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气流的流动，并可量度气流对物体的作用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用、最有效的工具。风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。风洞种类繁多，有不同的分类方法。
风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速、高速和高超声速风洞。
2. 高超声速风动
高超声速风洞是指马赫数大于 5的超声速风洞，主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。实验项目通常有气动力、压力、传热测量和流场显示，还有动稳定性、低熔点模型烧蚀、质量引射和粒子侵蚀测量等。高超声速风洞主要有常规高超声速风洞、低密度风洞、激波风洞、热冲风洞等形式。
高超声速风洞如要在风洞中获得更高 M数的气流（例如M≥5）,一般来说单靠上游高压空气的吹冲作用还不能产生足够的压力差，这时在风洞下游出口处接上一只容积很大的真空容器，靠上冲下吸便可形成很大的压差，从而产生M≥5的高超音速气流。不过气流在经过喷管加速到高超音速的过程中会急剧膨胀，温度会随之急剧下降，从而引起气体的自身液化。为避免液化或模拟需要的温度，必须在高超音速风洞中相当于稳定段处装设加热装置。高超音速风洞依加热原理和用途的不同有多种型式。暂冲式常规高超音速风洞 较为典型，它很像常规的超音速风洞。其他型式的风洞有激波风洞、炮风洞、热冲风洞、长冲风洞、气体活塞式风洞、电弧风洞等（见超高速实验设备）。中国气动力研究和发展中心的高压－引射驱动的暂冲式常规高超音速风洞实验段直径为 0.5米。这个中心还建成一座实验段直径为2米的激波风洞。
利用自然低温的风力机结冰风洞实验系统设计
利用自然低温的风力机结冰风洞实验系统设计
李岩;王绍龙;郑玉芳;刘钦东;冯放;田川公太朗
【摘 要】A simple and low cost icing wind tunnel experiment system has
been designed in or-der to study the characteristics of wind turbine blade
icing and de-icing methods.The convention-al open j et wind tunnel has
been transformed by using the natural low temperature condition of the
northern winter,and a water spray system and the icing test section were
installed to provide the icing conditions.The verification experiments were
carried out in winter,and the three main parameters:the temperature
stability,the liquid water content and the medium volume droplet diameter
were tested and calibrated.The results show that the main indexes can
meet the re-quirements of the wind turbine icing test to a certain degree
at the relatively stable environment temperature.%为研究风力机叶片的结冰特性与防除冰方法，设计了一种简便、低成本的结冰风洞实验系统。利用北方冬季的自然低温条件，将常规的开口射流风洞加以改造，安装水雾喷射系统和结冰测试段以提供结冰环境条件。在冬季进行了结冰验证实验，对结冰风洞的3个主要参数：温度稳定性、液态水含量和过冷水滴平均直径进行了测试和标定。结果表明，在环境温度相对稳定的冬季时间段内，主要指标可在一定程度上满足风力机结冰实验要求。
风洞系统原理
风洞系统原理
嘿，大家知道风洞系统不？这玩意儿可神奇啦！
风洞系统，简单来说，就像是一个能制造人造风的大机器。想象一下，我们平时在大自然中感受到的风，现在可以在一个特定的地方被制造出来，是不是很有意思？
那风洞系统到底是怎么工作的呢？它主要有几个关键部分。首先得有个强大的风扇，这个风扇就像个大力士，能使劲地吹风。然后呢，还有一个长长的通道，风就在这个通道里流动。通道的设计很重要哦，它得保证风能够均匀、稳定地吹出来。
这就好像我们家里的风道，要把风送到各个房间一样。只不过风洞系统的风道可要复杂得多啦！
风洞系统有啥用呢？用处可大了去了！比如说，飞机设计师们就经常用到它。他们可以把设计好的飞机模型放到风洞里，然后通过观察风对模型的影响，来改进飞机的设计。这不就像是给飞机做了一次特别的测试吗？
再比如，赛车也会用到风洞。赛车手们想让赛车跑得更快，那就得让它受到的风阻更小。在风洞里就能很好地研究怎么让赛车的外形更符合空气动力学。
风洞系统是不是超级厉害？它就像是一个魔法盒子，能创造出各种不同的风，帮助我们探索和解决很多问题。
所以说啊，风洞系统真的是个了不起的发明！它让我们能更好地了解风的奥秘，也为很多领域的发展做出了巨大的贡献呢！
简易风洞的高层结构风振模拟实验
第２７卷第１期 ２０１１年２月 黄石理工学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＵＡＮＧＳＨＩ ＩＮＳＴＩＴＩｆｌ＇Ｅ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＣＹ Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２０１１
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—８２４５．２０１１．０１．００９
简易风洞的高层结构风振模拟实验
李鲁英 李 龚 程 涛
（黄石理工学院土木建筑２－－程学院，湖北黄石４３５００３）
摘要：高层建筑的横向风振现象（振动方向与风向垂直）是建筑设计师不得不考虑的因素。通过制 作简易风洞箱，成功模拟出高层建筑模型的横向风振现象，并采用不同高宽比的建筑模型进行实验， 测试出横向风振起主导作用的高宽比。运用矩形立面建筑模型与锯齿形转角立面模型的幅度对比实 验和简易烟风洞实验得出：锯齿形的转角立面可以削弱建筑物的振动频率。
关键词：风洞实验；横向振动；高宽比；涡旋；锯齿形转角立面 中图分类号：ＴＵ３１２ ．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—８２４５（２０１１）０１—０ｏ３２一Ｏ５
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｗｉｎｄ——ｉｎｄｕｃｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
ｏｆ Ｈｉｇｈ——ｒｉｓｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ
Ｌ／Ｌｕｔｉｎｇ ＬＩ Ｙａｈ ＣＨＥＮＧ Ｔａｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ Ｈｕｂｅｉ ４３５００３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｒｅｅ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ）ｉｓ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔ ｈａｓ ｔｏ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｍａｋｉｎｇ ｓｉｍｐｌｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｘ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｗｉｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ Ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｕｃｅｃｅｓｓｆｕｌｌｙ， ａｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｈａｋｅ Ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ． Ｔｈｅｎ，ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｆａｃａｄｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｚｉｇｚａｇ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｍｏｋｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｒａｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｚｉｇｚａｇ
简易风洞及控制系统设计
２０１４年第１２期 农 机 使 用 与 维 修 ３３
简易风洞及控制系统设计
杨子江
（黑龙江农业工程职业学院自动化学院，哈尔滨１５００８８）
摘要本设计分为四个模块，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。在简易风洞上端
利用传感器和液晶显示配合是本设计的一个亮点，乒乓球在运动过程中液晶屏幕可显示乒乓球的运动高度。
关键词风洞传感器
１设计任务 本设计为我指导的２０１４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ＫＥＩＬ软件进行单片机编程，利用ＰＲＯＴＥＵＳ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ＰＶＣ管，需要开凿一个３０ ｃｍ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 ｍｍ 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。 ２．３电源的选择
方案一： 使用干电池提供电源，携带方便，供电比较简单，但
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。