簡易風洞及控制系統設計

楊子江

摘要本設計分為四個模塊，分別是電機驅動模塊，超聲波傳感器模塊，單片機模塊和液晶顯示模塊。單片機和電機驅動用于控制風力的大小和穩定性。超聲波模塊利用超聲波傳感器對簡易風洞內乒乓球的位置進行判斷。在簡易風洞上端利用傳感器和液晶顯示配合是本設計的一個亮點，乒乓球在運動過程中液晶屏幕可顯示乒乓球的運動高度。

關鍵詞風洞傳感器

1設計任務

本設計為我指導的2014年電子設計大賽題目，要求實現一個簡易風洞控制系統。硬件方面，我們將設計分為四個模塊，分別是電機驅動模塊，超聲波傳感器模塊，單片機模塊和液晶顯示模塊。單片機和電機驅動用于控制風力的大小和穩定性，超聲波模塊利用超聲波傳感器對簡易風洞內乒乓球的位置進行判斷。液晶顯示模塊可以實時監測小球的運動情況。軟件方面，我們利用KEIL軟件進行單片機編程，利用PROTEUS軟件實現模擬仿真。

2方案論證

2.1圓管的選擇

方案一：

使用不透明的PVC管，需要開鑿一個30 cm的長條形槽孔來觀察乒乓球的位置，并需要將槽用膠帶粘好，保證密封性，但是觀察不夠直觀，且容易出現密封不好的現象。

方案二：

選擇使用透明的有機玻璃管，透明度好，密封良好且不易損壞，更容易加工。

綜上，我們最終選擇使用有機玻璃管。

2.2支架的選擇

方案一：

直接使用四根長螺絲固定風扇，再用圓管和風扇連接固定。但密封性稍差，且當玻璃管上方加傳感器后，高度增加，導致重心不穩，穩定性不夠。

方案二：

使用4 mm2粗鐵絲制作圓盤底座，底座上加有鐵塊配重增加穩定性，底座上有支架分別支撐有機玻璃管的上部與風扇底部，穩定性較好。

綜合考慮各種因素，我們最終選擇方案二。

2.3電源的選擇

方案一：

使用干電池提供電源，攜帶方便，供電比較簡單，但是電機啟動瞬間電流很大，會造成電壓不穩、有毛刺等干擾，嚴重時可能會造成單片機系統掉電，且無法滿足系統的多種用電需求。

方案二：

使用直流穩壓電源來提供電源，可提供5 V、12 V等不同電壓值，這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動機驅動所造成的干擾徹底消除，提高了系統穩定性。

綜上，最后選擇方案二。

2.4感應系統的選擇

方案一：

HC-SR04超聲波傳感器。它的特點是：體積小無盲區，反應速度快，10 ms的測量周期，不容易丟失高速目標。發射頭、接收頭緊靠，和被測目標基本成直線關系，模塊上有LED指示，方便觀察和測試。

方案二：

TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電開關，穩定可靠。主要依據乒乓球經過時紅外反射的變化來判斷高度的變化。如采用該傳感器，需要在圓管上鉆洞，放置多個傳感器，操作復雜，連接的導線比較多，易出錯。

所以，綜上考慮，最終我們選擇HC-SR04超聲波傳感器。

2.5單片機的選擇

方案一：

STC89C51單片機，推出時間較長，比較穩定，操作簡單，但其功能比較少，無法實現過多的功能。且需要使用外部模塊來配合單片機使用。

方案二：

STC12C5A60S2單片機，運行速度快，功能相比STC89C51更加豐富，不需要過多的外部模塊配合，減少了出錯率。

由于兩種單片機成本都不高，易于采購，所以最終選擇使用方案二。

2.6風扇的選擇

方案一：

選用市面上常見的小風扇，體積小且價格便宜，但不能很好地控制風力的大小。

方案二：

采用電腦CPU散熱風扇，效率高且風速穩定，可以通過系統得知風扇的轉速進而實現控制。

由于本次設計需要改變風扇的轉速來改變球的位置，所以我們選擇使用臺式電腦上的風扇。

2.7電機驅動模塊的選擇

方案一：

A3972步進電機驅動模塊是自動收發卡機的設計，是基于雙工位（工作通道）的，所以本驅動模塊內部自帶電機切換電路，可以驅動分時工作的兩路電機，但是價格昂貴。

方案二：

本模塊采用的L298N是ST公司生產的芯片。主要特點是：驅動能力強，發熱量低，抗干擾能力強，工作電壓高，最高工作電壓可達46 V，電路簡單，使用比較方便。

經實驗比較，L298N驅動模塊運行可靠，電氣性能好，此設計最后選用L298N驅動模塊。

3理論分析與計算

風洞控制實現方法：

4.1測試儀器

4.2測試結果與分析

（1）控制小球向上達到BC段的時間和維持時間。 測試數據如下表：

次數要求到達

時間/s實際用時/s要求維持

時間/s實際用時/s1≤515≥5132≤59≥583≤56≥511

分析：實際用時比要求到達時間長，可能是圓管比小球直徑大，導致氣流不穩，小球上升慢。

（2）長形紙板遮擋風機進風口情況下， 測試數據如下表：

次數要求實際情況次數要求實際情況1維持在BCCD段上端4維持在BCCD端中部2維持在BCBC端底端5維持在BCCD端中部3維持在BCBC端中部6維持在BCCD端中部分析：長紙板遮住進風口，進風量受到影響，導致風力減弱，這時應加快風扇轉動，保持不住原因是程序沒有調好。

（3） LCD顯示小球高度位置及小球維持狀態計時，測試結果如下表：endprint

次數LCD顯示小球

高度/s實際小球

高度/sLCD維持

狀態計時/s實際計時/s1404155227266739777

分析：由以上數據得，超聲波測距工作不是太穩定，容易受外界因素影響。

（4）風機自動啟動部分測試數據如下表：

次數要求實際情況要求實際情況要求實際情況1球放入自

動啟動啟動較晚下落不超

過D超過D維持BC段管口A處2球放入自

動啟動啟動正常下落不超

過D超過D維持BC段管口A處3球放入自

動啟動啟動正常下落不超

過D超過D維持BC段管口A處

分析：小球放入后可以自動啟動，但是風力調整不好，主要是由于占空比調節不好導致風力過大，小球不能維持在BC段。

（5）小球AB-CD段往返運動

次數要求實際情況要求

時間/s實際

計時/s123AB維持3～5 s，CD維持3～5 s，再AB維持3～5 s，CD維持3～5 s，沖出圓管能上下運動，但不到規定段位，可以沖出能上下運動，但不到規定段位，可以沖出能上下運動，但不到規定段位，可以沖出3030301622255結論

（1）電機的選擇上出現了錯誤，開始選用步進電機，轉速不夠，在風洞系統中乒乓球無法被現在的風力吹起來，通過更換電機得到改善。

（2）風扇與有機玻璃管相連接的地方密封做的不到位，導致乒乓球的運動軌跡不規則且向同一方向滾動。改進方案：通過用玻璃膠粘結到風扇上得到改善。

（3） HC-SR04超聲波傳感器模塊的放置位置導致系統試驗錯誤。解決方案：把傳感器模塊的位置由風洞底部變為放置到風洞頂部，并且保持超聲波傳感器垂直對準風洞內部乒乓球，由此，問題得到改善。

參考文獻：

＼[1＼]陳堂敏，劉煥平.單片機原理與應用＼[M＼].北京：北京理工大學出版社，2007.

＼[2＼]肖洪兵. 跟我學用單片機＼[M＼]. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.

＼[3＼]趙曉安. MCS-51單片機原理及應用＼[M＼]. 天津：天津大學出版社，2001.

＼[4＼]李廣第.單片機基礎.第1版＼[M＼].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

＼[5＼]徐惠民，安德寧.單片微型計算機原理接口與應用.第1版＼[M＼].北京：北京郵電大學出版社，1996.

＼[6＼]夏繼強. 單片機實驗與實踐教程＼[M＼]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2001.endprint

次數LCD顯示小球

高度/s實際小球

高度/sLCD維持

狀態計時/s實際計時/s1404155227266739777

分析：由以上數據得，超聲波測距工作不是太穩定，容易受外界因素影響。

（4）風機自動啟動部分測試數據如下表：

次數要求實際情況要求實際情況要求實際情況1球放入自

動啟動啟動較晚下落不超

過D超過D維持BC段管口A處2球放入自

動啟動啟動正常下落不超

過D超過D維持BC段管口A處3球放入自

動啟動啟動正常下落不超

過D超過D維持BC段管口A處

分析：小球放入后可以自動啟動，但是風力調整不好，主要是由于占空比調節不好導致風力過大，小球不能維持在BC段。

（5）小球AB-CD段往返運動

次數要求實際情況要求

時間/s實際

計時/s123AB維持3～5 s，CD維持3～5 s，再AB維持3～5 s，CD維持3～5 s，沖出圓管能上下運動，但不到規定段位，可以沖出能上下運動，但不到規定段位，可以沖出能上下運動，但不到規定段位，可以沖出3030301622255結論

（1）電機的選擇上出現了錯誤，開始選用步進電機，轉速不夠，在風洞系統中乒乓球無法被現在的風力吹起來，通過更換電機得到改善。

（2）風扇與有機玻璃管相連接的地方密封做的不到位，導致乒乓球的運動軌跡不規則且向同一方向滾動。改進方案：通過用玻璃膠粘結到風扇上得到改善。

（3） HC-SR04超聲波傳感器模塊的放置位置導致系統試驗錯誤。解決方案：把傳感器模塊的位置由風洞底部變為放置到風洞頂部，并且保持超聲波傳感器垂直對準風洞內部乒乓球，由此，問題得到改善。

參考文獻：

＼[1＼]陳堂敏，劉煥平.單片機原理與應用＼[M＼].北京：北京理工大學出版社，2007.

＼[2＼]肖洪兵. 跟我學用單片機＼[M＼]. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.

＼[3＼]趙曉安. MCS-51單片機原理及應用＼[M＼]. 天津：天津大學出版社，2001.

＼[4＼]李廣第.單片機基礎.第1版＼[M＼].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

＼[5＼]徐惠民，安德寧.單片微型計算機原理接口與應用.第1版＼[M＼].北京：北京郵電大學出版社，1996.

＼[6＼]夏繼強. 單片機實驗與實踐教程＼[M＼]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2001.endprint

次數LCD顯示小球

高度/s實際小球

高度/sLCD維持

狀態計時/s實際計時/s1404155227266739777

分析：由以上數據得，超聲波測距工作不是太穩定，容易受外界因素影響。

（4）風機自動啟動部分測試數據如下表：

次數要求實際情況要求實際情況要求實際情況1球放入自

動啟動啟動較晚下落不超

過D超過D維持BC段管口A處2球放入自

動啟動啟動正常下落不超

過D超過D維持BC段管口A處3球放入自

動啟動啟動正常下落不超

過D超過D維持BC段管口A處

分析：小球放入后可以自動啟動，但是風力調整不好，主要是由于占空比調節不好導致風力過大，小球不能維持在BC段。

（5）小球AB-CD段往返運動

次數要求實際情況要求

時間/s實際

計時/s123AB維持3～5 s，CD維持3～5 s，再AB維持3～5 s，CD維持3～5 s，沖出圓管能上下運動，但不到規定段位，可以沖出能上下運動，但不到規定段位，可以沖出能上下運動，但不到規定段位，可以沖出3030301622255結論

（1）電機的選擇上出現了錯誤，開始選用步進電機，轉速不夠，在風洞系統中乒乓球無法被現在的風力吹起來，通過更換電機得到改善。

（2）風扇與有機玻璃管相連接的地方密封做的不到位，導致乒乓球的運動軌跡不規則且向同一方向滾動。改進方案：通過用玻璃膠粘結到風扇上得到改善。

（3） HC-SR04超聲波傳感器模塊的放置位置導致系統試驗錯誤。解決方案：把傳感器模塊的位置由風洞底部變為放置到風洞頂部，并且保持超聲波傳感器垂直對準風洞內部乒乓球，由此，問題得到改善。

參考文獻：

＼[1＼]陳堂敏，劉煥平.單片機原理與應用＼[M＼].北京：北京理工大學出版社，2007.

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＼[3＼]趙曉安. MCS-51單片機原理及應用＼[M＼]. 天津：天津大學出版社，2001.

＼[4＼]李廣第.單片機基礎.第1版＼[M＼].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

＼[5＼]徐惠民，安德寧.單片微型計算機原理接口與應用.第1版＼[M＼].北京：北京郵電大學出版社，1996.

＼[6＼]夏繼強. 單片機實驗與實踐教程＼[M＼]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2001.endprint