小球懸浮實驗裝置的設計與實現

朱建軍，孫佳東，謝俊杰，李天順，姜衍超

(1.吉林化工學院，吉林吉林，132022；2.燕山大學，河北秦皇島，066004)

0 引言

PID[1]控制理論因其廣泛的工程應用性，在高校的實驗課程中占有較大比重，但是目前常見的PID控制實驗裝置多為溫度、液位調節系統，這類平臺普遍存在對實訓環境要求較高、參數設定困難、調節周期長等問題。該類實驗設備大都采購于教學儀器廠家，成本較高，維修升級麻煩。本文針對自動控制原理實驗課程，研制了小球懸浮實驗裝置[2]。該裝置操作簡單且便于維護，完全可以滿足自動化專業學生掌握PID原理、編程與應用的需要。

1 系統整體設計

本系統硬件系統主要由攝像頭、Arduino單片機、串口模塊、PWM調節器、玻璃筒、乒乓球、軸流風機等裝置組成，并在此基礎上設計軟件程序及上位機界面。乒乓球放置在下方安裝有軸流風機的豎直玻璃筒內，風機可吹動乒乓球在筒內沿豎直方向運動。上位機與單目攝像頭連接，通過OpenCV進行顏色識別，可測得乒乓球在筒內的位置信息，上位機通過PID算法處理位置信息，通過串口將輸出數據傳送給下位機，下位機接收到數據后，通過改變電機驅動板的輸入PWM波占空比，進而改變電機驅動板的輸出電壓，調整軸流風機風量，最終將乒乓球吹浮并穩定于設定高度值處。PID參數、浮球位置設定值的設置可在上位機中進行，并且通過上位機監視界面，還可以方便地觀察乒乓球位置實時變化情況。

2 硬件設計

小球懸浮實驗裝置硬件部分由攝像頭、PC機、Arduino微機、軸流風機、位置控制對象等組成。……