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简易风洞及控制系统(G题).doc
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简易风洞及控制系统(G题).doc
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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响到单片机中,实现转速闭环控制,到
达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 单片机进展处理。
关键词:ATMEGA328,MMA7455,PWM 波,PID 算法
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目录
1. 系统设计
1.1 任务与要求
1.1.1 主要任务
1.1.2 根本要求
1.1.3 说明
1.2 总体设计方案
1.2.1 设计思路·
1.2.2 方案论证与比拟
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 完毕语
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
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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,如下图。
圆管竖直放置,长度约 40cm,径大于 4cm 且壁 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 根本要求
(1) 小球置于圆管底部,启动后 5s 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 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 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〕。
(7) 风机停顿时用手将小球从 A 端放入风洞,小球进入风洞后系统自动启
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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;
(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) 每一个工程最多进展三次测试;对于任何测试工程,测试专家可要
求进展重复测试。
(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。圆管的直径必须大于 40mm,保
证小球〔直径为 40mm 的乒乓球〕在管能够自由运动。
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
去除管壁的残屑,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。剪去袋底封口局部,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
用透明胶带将重叠局部缠紧;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局部缠紧。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、直流风机局部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,将风洞的圆管局部固
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。
1.2 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,
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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 单片机进展处理到达设计所需的要求再
用键盘进展调整,用液晶显示屏进展显示。
1.2.2 方案论证与比拟
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
电压进展直流斩波调压,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 精细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,用输出电压进展角度位移的控制。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拟精细使其价格过高。
方案二、采用电位器进展调角:帆板转动时电位器跟着转动,电压随之发生
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 转化器进展转化与
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
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gjmm89
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