简易风洞及控制系统（专科组G题）
作者：王康、赵辉、张帅帅
赛前辅导教师：吉武庆
文稿整理辅导教师：吉武庆
摘要
本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案。本设计以 STC89C52R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，PW调速，闭环控制
Abstract
This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control
system.
The design STC89C52RCmicrocontroller 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 1、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：
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三2cm,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
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。
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：
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： PID 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2、系统理论分析与计算
2.1 、主要部件的分析
2.1.1、ST188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
LM339四路差动比较器，芯片内部装有四个独立的电压比较器，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、STC89C52R介绍
STC89C52R是STC公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS位微控制器，具 有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。
STC89C52R(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。
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 EEPRQMMAX81C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OHz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。
图 3 控制电路设计图
2.2、PW啲产生
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言号，即使用单片
机。
单片机STC89C52R有两个定时器TO和T1。通过控制定时器TO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言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：
式中，N---- —个机器周期的时钟数；Tw----定时器定时初值。
3、系统框图
3.1、系统结构框架图
如图4 系统结构框图3.2、程序流程图
4、系统功能测试方法、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。
4.2、 测试条件与测试仪
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
4.3、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 向整个系统提供各种电压 1
5、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2 cm 处小球缓慢上升，3S后，小球稳定在
BC段，稳定时间：6S
通过以上测试数据，可以得以下结论：
1. 用本系统可以控制小球悬停在风洞的任意位置，且悬停时间大于等于5S;
2. 本系统能实时显示小球所在的高度信息及状态保持时间；
综上所述，本设计已达到设计要求。
6参考文献
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[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.自动检测与转化技术 . 北京：机械工业出版社
⑸ 谭浩强.《C语言程序设计》.北京：高等教育出版社第三版