简易风洞及控制新版系统.doc

简易风洞及控制系统(专科组G题)

作者：王康、赵辉、张帅帅
赛前教导老师：吉武庆
文稿整理教导老师：吉武庆

摘 要
本文介绍了简易风洞控制系统设计方案。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运动提供动能。经过在风洞表面安装8个光电式光线传感器来检测小球位置，以后经过PID算法对轴流风机抽风量进行深入调校.从而形成一个完整闭环控制系统。

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

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、系统理论分析和计算 5
2.1、关键部件分析 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产生 8
3、系统框图 10
3.1、系统结构框架图 10
3.2、程序步骤图 10
4、 系统功效测试方法、测量仪器型号、结果、整机指标 12
4.1、软硬件连调 12
4.2、测试条件和测试仪 12
4.3、测试仪器： 12
5、 测试结果和分析 13
6、参考文件 14

1、系统方案
该简易风洞控制系统关键由控制模块，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。小球位置检测既能够采取超声测距又能够采取红外对管，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选型和风机控制算法选择进行简明分析和对比。
测距模块选型：
方案一：超声模块测距法
采取安装在顶部超声测距模块来直接获取小球相对位置。很显著，此方案最大优点就是结构简单，使得整个系统愈加稳定。不过因为超声模块探测距离S≧2cm,但题中所要求精度必需在2cm范围内，故不采取此方案。
方案二：多重红外对管相对测距
采取多个对管分别安装在风洞一侧，当小球经过不一样对管时即代表小球所达成高度，因为红外对管在风洞上位置是固定，所以我们采取了定点检测方法，即在A,D点各安装一对管，在BC段经过6对管来将10cm距离5等份，使得在BC段各个相邻对管之间距离小于2cm。从而确保了小球精度误差处于合理范围。

经系统分析和比较论证，我们采取精度高、误差小、性价比好第二种方案，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一个计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一个非线性控制智能控制技术，它能简化系统设计复杂性，且不依靠于被控对象正确数学模型；它利用控制法则来描述系统变量间关系；不用数值而用语言式模糊变量来描述系统，使得模糊控制器无须对被控制对象建立完整数学模式。
不过模糊控制尚处于研究阶段，怎样取得模糊规则及隶属函数，完全凭经验进行；对信息简单模糊处理将会造成系统控制精度降低和动态品质变差。若要提升精度就肯定增加量化级数，造成规则搜索范围扩大，降低决议速度，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控制器已经有近百年历史，现在仍然是应用最广泛工业控制器，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关键技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或得不到正确数学模型时，控制理论其

它技术难以采取时，系统控制器结构和参数必需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，或不能经过有效测量手段来取得系统参数时，最适适用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是依据系统误差，利用百分比、积分、微分计算出控制量进行控制。
其输入e (t）和输出u (t）关系为：
u(t) = kp [ e(t) + 1/TI∫e(t)dt + TD * de(t)/dt ]
所以它传输函数为：G(s) = U(s) / E(s) = kp [ 1 + 1 / (TI*s) + TD * s ]
其中kp为百分比系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。
经系统分析和比较论证，风机控制算法我们采取采取数学模型已知，参数调校方便，实时性高方案二——PID控制算法。

2、系统理论分析和计算
2.1、关键部件分析
2.1.1、ST188介绍
ST188红外收发对管由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管二部分组成。在非接触条件下它探测距离可达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应用难度，具体电路图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电压比较器，为14管脚DIP封装，该电压比较器特点是失调电压小、电源电压范围宽、对比较信号源内阻限制较宽、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，具体应用电路图2：

图2 电压比较电路
2.1.3、STC89C52RC介绍
STC89C52RC是STC企业生产一个低功耗、高性能CMOS8位微控制器，含有8K在系统可编程Flash存放器。
STC89C52RC使用经典MCS-51内核，但做了很多改善使得芯片含有传统51单片机不含有功效。
在单芯片上，拥有灵巧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、超有效处理方案。
含有以下标准功效： 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个外部中止，一个7向量4级中止结构（兼容传统515向量 2级中止结构），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，许可RAM、定时器/计数器、串口、中止继续工作。掉电保护方法下，RAM内容被保留，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中止或硬件复位为止。最高运作频率35MHz。

图3 控制电路设计图
2.2、PWM产生
PWM信号产生通常有两种方法：一个是经过软件编程来实现；另一个是经过硬件电路来实现。因为后一个方法较复杂，对其也难以查证对应资料，操作起来也麻烦。所以我们能够采取以软件方法来产生PWM信号，即使用单片机。
单片机STC89C52RC有两个定时器T0和T1。经过控制订时器T0和T1，赋以对应初值，就能够实现从89C52任意输出口输出不一样占空比脉冲波形。因为PWM信号软件实现关键部件是由单片机内部定时器决定，而不一样单片机定时器含有不一样特点，即使是同一台单片机因为选择晶振不一样，选择定时器工作方法也会不一样，其定时器定时初值和定时时间关系也不一样。所以，首先我们要明确定时器定时初值和定时时间关系。
假如单片机时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值和定时时间关系为：

式中，N----一个机器周期时钟数；Tw----定时器定时初值。

3、系统框图
3.1、系统结构框架图
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

图4 系统结构框图
3.2、程序步骤图

4、 系统功效测试方法、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、测试条件和测试仪
测试条件：硬件焊接完好，各个模块功效测试正常，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
向整个系统提供多种电压
1

5、 测试结果和分析
测试项目
测试结果
使小球稳定在风洞BC段
BC段稳定时间：4S
使小球稳定在风洞A点
A点稳定和时间：无穷大
使小球在风洞内高度可控
经过按键设置高度为2cm,实测高度为3.2cm，误差1.2cm
使小球在风洞内能够上下移动
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，风机自动开启，使小球在风洞内最低点不低于D点，最终稳定在BC段
小球落下，风机开启，在距D点２ｃｍ处小球缓慢上升，３Ｓ后，小球稳定在BC段，稳定时间：６Ｓ
经过以上测试数据，能够得以下结论：
1.用本系统能够控制小球悬停在风洞任意位置,且悬停时间大于等于5S；
2.本系统能实时显示小球所在高度信息及状态保持时间；
总而言之，本设计已达成设计要求。

6、参考文件
[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.自动检测和转化技术.北京：机械工业出版社
[5] 谭浩强.《C语言程序设计》.北京：高等教育出版社第三版