简易风洞及控制系统

0 简易风洞及控制系统简易风洞及控制系统 专科组专科组 G G 题题 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 摘摘 要要 本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案 本设计以 STC89C52RC 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 PWM 调速 闭环控制 Abstract This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control system The design STC89C52RC microcontroller 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 0 目录目录 目录 1 1 系统方案 2 测距模块选型 2 方案一 超声模块测距法 2 方案二 多重红外对管相对测距 2 风机控制算法选择 3 方案一 模糊控制 3 方案二 PID 控制 3 2 系统理论分析与计算 5 2 1 主要部件的分析 5 2 1 1 ST188 介绍 5 2 1 2 LM339 介绍 5 2 1 3 STC89C52RC 介绍 6 2 2 PWM 的产生 8 3 系统框图 10 3 1 系统结构框架图 10 3 2 程序流程图 10 4 系统功能测试方法 测量仪器型号 结果 整机指标 12 4 1 软硬件连调 12 4 2 测试条件与测试仪 12 4 3 测试仪器 12 5 测试结果与分析 13 6 参考文献 14 1 1 1 系统方案 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 测距模块选型 方案一 超声模块测距法方案一 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 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 2 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 风机控制算法选择 方案一 模糊控制方案一 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 方案二 PID 控制控制 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 3 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系统参 数时 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 参数调校方便 实时性高的方案二 PID 控制算法 4 2 2 系统理论分析与计算 系统理论分析与计算 2 1 主要部件的分析 主要部件的分析 2 1 1 ST188 介绍介绍 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 5 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 STC89C52RC 介绍介绍 STC89C52RC 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52RC 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 6 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 EEPROM MAX810 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 0Hz 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 7 图 3控制电路设计图 2 2 PWM 的产生的产生 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 信号 即使用单片机 单片机 STC89C52RC 有两个定时器 T0 和 T1 通过控制定时器 T0 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 信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 8 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 6 1 10 2 f N Tt w n 式中 N 一个机器周期的时钟数 Tw 定时器定时初值 9 3 3 系统框图 系统框图 3 13 1 系统结构框架图系统结构框架图 控制模 块 驱动模 块 L298 检测模 块 光电开 关 显示模块 LCD1602 键盘输入 模块 如图 4系统结构框图 3 23 2 程序流程图 程序流程图 10 11 4 4 系统功能测试方法 测量仪器型号 结果 整机指标系统功能测试方法 测量仪器型号 结果 整机指标 4 14 1 软硬件连调 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 24 2 测试条件与 测试条件与测试仪测试仪 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 34 3 测试仪器 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 12 5 5 测试结果与分析测试结果与分析 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 处小球缓慢上升 后 小球稳定在 BC 段 稳定时间 通过以