小型模拟风洞系统设计报告资料_教学系统设计复习资料
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综合电子设计
小型模拟风洞系统
2013.9
综合电子设计
小型模拟 风洞系统
刘石劬 22011231 尹哲浩 22011214 赵正扬 22011212 董元 22011207
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小型模拟风洞系统
2013.9
一、引言
二、设计思路
2.1 整体功能设想 2.2 模块实现方式确定
三、设计内容及部分电路仿真
3.1 输入模块设计部分
3.1.1 按钮功能电路实现与仿真
3.1.2 控制输入电路实现与仿真 3.2 控制模块设计部分
3.2.1 硬件选型及论证
3.2.2 风扇控制信号的分析 3.3 整体原理图与PCB设计
四、整体实物图即测试结果
五、课程收获与心得
六、参考文献
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一、引言
风洞是空气动力学研究的重要地面试验设备，通过对流体力学方法的计算，可以研究物体模型所受不同方向、不同大小的气动阻力影响，为汽车、高速列车等等的选型提供大量的参考依据。同时，风洞也是试验高速飞行器必不可少的一种设备，是保证一个国家航空航天处于领先地位的基础研究设施[1]。随着时代的发展，飞机研究制造业的竞争越加激烈，尤其在军事领域，现有风洞试验设备的模拟能力已经成为制约第四第五代战斗机的研制和未来高超声速飞行器发展的瓶颈。
这次课题设计，我们想以自己现有的能力和一些简单的器材来完成一个简易的小型风洞设计，用以模拟产生不同风力大小的气流。我们采用电脑CPU风扇作为风力的发生装置，以输入信号的占空比来调节风扇转速的大小，并可以根据风扇所发出的风力大小来实现结果的反馈。
二、设计思路 2.1 整体功能设想
风扇的输入信号可以控制风扇实现不同的转速，也可以让风扇的工作处于测试模式下，即风扇的转速按预定的延时变化，风力将由大至小，再由小变大循环往复。也可以通过键盘，让帆板到达指定高度。
2.2 模块实现方式确定
(1)输入模块：使用者将通过按钮进行输入信号的控制，工作时不会存在两个按钮同时有效的情况。本模块的大体部分会以门电路的形式构成，功能上通过计数器不同的计数值来形成不同的输入信号，但必须保证信号的频率一致。最后，所有档位的信号必须以同一个输出端口输送至风扇，对风扇进行相应的控制。
(2)控制模块：采用MSP430F6638作为主控芯片，它是由TI公司推出的16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。用LSM303作为检测角度的传感器，用AVC 8038风扇作为风力来源。
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三、设计内容及部分电路仿真 3.1 输入模块设计部分
输入模块是指将控制信号输入风扇前的所有电路，由档位控制按钮部分、档位实现部分、风扇输入部分等组成。通过对这些部分的整合，可以达成输出一个频率相同，占空比可变的方波信号的功能。输入模块的设计大多以简单的数字门电路来实现，使用的芯片也以74LS系列为主。
输入部分原理图如下：
3.1.1 按钮功能电路实现与仿真
我们所设想的的按钮具体有按下和悬空两种状态。当使用者按下一个按钮后，对应的档位就会开始工作，输出对应占空比的波形。若使用者第二次按同一按钮，则按钮将会弹起恢复悬空状态，对应的档位不再工作。在一个档位处于工作状态下，使用者按下其他按钮将不会起任何作用，必须将上一个按钮取消后，按下的新按钮才会正常开始工作。
如下图所示，button1到button3分别为风扇的3个不同档位的控制按钮，而button4则为测试模式的控制按钮。
这四个输入同时只能有一个有效。对每一个输入而言，其他3个输入的或非和它本身相与构成最后的输出。若在此之前，已经有按钮生效，则或非的值为0，新的按钮也就无从输出了。
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以button1和button4为例进行仿真，分别输入不同频率的方波。以下I/O分别为button1到button4和output1到output4，每一个output对应相应的button信号。
由图可见，即便输入信号存在高电平上的重叠，但是输出只会有一个信号为高电平，后出现上升沿的信号暂时无效，直至较早工作的信号降为低电平为止，才会开始工作。
3.1.2 控制输入电路实现与仿真
控制输入电路接入按键的输出，通过74161不同方式的计数产生不同的输出信号。本电路有4个输入，分别接至按钮部分的output1至output4；有2个时钟脉冲，分别控制档位1至档位3的计数器，和测试模式的额外计数部分；有3个输出，分别为档位1到档位3的输出，而档位4则对前3个输出同时进行利用，本身并不附加其他的输出。
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以button1、button3和button4为例，分别仿真单一档位和测试模式的输出波形。当button1有效时，button1始终置1，button4亦然。下图I/O分别为CLK1、CLK2、button1到button4以及output1到output3。
在button1有效下，output1的输出结果：
在button3有效下，output3的输出结果：
在button4有效下，测试模式的输出结果：
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通过对于CLK2的调节，可以控制测试模式下风扇转速由小到大再到小，在每个档位停留的时间，只需输入不同频率的方波即可。
最后，控制输入电路的3个输出将以三态门的形式进行线与作为最后输进风扇的输入信号。每个三态门的EN端接各自对74161的使能信号作为控制端。当对应的计数器工作时，该计数器的输出有效。
我们利用quartus ii5.0对以上电路与实现功能，在quartus ii 5.0中，我们可以直接通过其中所绘原理图进行仿真，同时也可以相应生成相关程序如下：
module windpit（button4,button1,button2,button3,CLK2, CLK1,output2,output1,output3,output4);
input
button4;input
button1;input
button2;input
button3;input
CLK2;input
CLK1;output output2;output output1;output output3;output output4;
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2013.9 wire
WIRE_71;wire
WIRE_72;wire
WIRE_73;wire
WIRE_74;wire
WIRE_8;wire
WIRE_75;wire
WIRE_10;wire
WIRE_76;wire
WIRE_77;wire
WIRE_78;wire
WIRE_15;wire
WIRE_19;wire
WIRE_24;wire
WIRE_25;wire
WIRE_79;wire
WIRE_27;wire
WIRE_28;wire
WIRE_29;wire
WIRE_30;wire
WIRE_31;wire
WIRE_32;wire
WIRE_36;wire
WIRE_37;wire
WIRE_38;wire
WIRE_39;wire
WIRE_80;wire
WIRE_81;wire
WIRE_82;wire
WIRE_83;wire
WIRE_84;wire
WIRE_57;
aign output2 = WIRE_79;aign output1 = WIRE_8;aign output3 = WIRE_73;aign WIRE_71 = 1;aign WIRE_74 = 0;
74161 b2v_inst(.CLRN(WIRE_71),.CLK(CLK1),.ENP(WIRE_72),.LDN(WIRE_73),.A(WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(WIRE_72),.B(WIRE_74),.C(WIRE_74),.QB(WIRE_28),.QA(WIRE_29));
aign output4 = WIRE_75 ? WIRE_8 : 1'bz;aign WIRE_37 = ~(WIRE_10 | WIRE_76 | WIRE_77 | WIRE_78);
aign WIRE_10 = ~button4;aign WIRE_19 = ~(WIRE_78 & WIRE_15);
aign output4 = WIRE_72 ? WIRE_73 :
1'bz;
74161 b2v_inst2(.CLRN(WIRE_71),.CLK(CLK2),.ENP(button4),.LDN(WIRE_19),.A(WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(button4),.B(WIRE_74),.C(WIRE_74),.QD(WIRE_78),.QC(WIRE_76),.QB(WIRE_77),.QA(WIRE_15));
aign WIRE_83 = ~(WIRE_24 & WIRE_25);
aign WIRE_57 = ~(WIRE_79 & WIRE_27);
aign WIRE_73 = ~(WIRE_28 & WIRE_29);
aign WIRE_72 = WIRE_30 | button3;aign WIRE_84 = WIRE_31 | button2;aign WIRE_75 = WIRE_32 | button1;aign WIRE_80 = ~WIRE_77;aign WIRE_81 = ~WIRE_76;aign WIRE_82 = ~WIRE_78;aign WIRE_32 = WIRE_36 | WIRE_37;aign WIRE_31 = WIRE_38 | WIRE_39;aign WIRE_36 = WIRE_78 & WIRE_80 & WIRE_81;
aign WIRE_38 = WIRE_77 & WIRE_76 & WIRE_82;
aign WIRE_8 = ~WIRE_83;
aign WIRE_39 = WIRE_77 & WIRE_81 & WIRE_82;
aign WIRE_30 = WIRE_80 & WIRE_76 & WIRE_82;
aign output4 = WIRE_84 ? WIRE_79 : 1'bz;
74161 b2v_inst6(.CLRN(WIRE_71),.CLK(CLK1),.ENP(WIRE_84),.LDN(WIRE_57),.A(WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(WIRE_84),.B(综合电子设计
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2013.9 WIRE_74),.C(WIRE_74),.QB(WIRE_79),.QA(WIRE_27));
74161 b2v_inst7(.CLRN(WIRE_71),.CLK(CLK1),.ENP(WIRE_75),.LDN(WIRE_83),.A(WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(WIRE_75),.B（WIRE_74),.C(WIRE_74),.QB(WIRE_24),.QA(WIRE_25));
endmodule
3.2 控制模块设计部分 3.2.1 硬件选型及论证
角度检测方案的选择与论证
方案一：采用LSM303 加速度传感器检测平台倾角。其核心为数字三轴加速度传感器和三轴磁力计，它体积小，价格低廉，工作可靠。并且其16位模式使其测量精度有保证，在测量微小的角度变化上误差很小。
方案二：采用电位器检测摆杆倾角。用电阻分压方式可以实现电位器对角度变化的感应，但必须经过模数转换才能将信号传给处理器处理。此时，电位器的灵敏度和模数转换器的精度都会对测量结果产生直接影响，误差一般很大。
方案三：采用增量式旋转编码器检测摆杆倾角。增量式旋转编码器的转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。需要提高分辨率时，可利用90 度相位差的A、B 两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。2000 线的编码器转轴旋转一周可以输出2000 个脉冲，可以实现极高精度的角度检测，但其价格较高。
综合以上三种方案，选择方案一。
风扇选型即与论证
由于本系统的风扇需要提供足够大的风力才能使帆板达到较高的角度。系统采用AVC 8038高转速暴力风扇，最高风量达到180.97CFM，可以满足设计需求。
电机控制算法的论证与选择
电机控制算法的选择直接影响到系统的性能和技术指标，在本系统的设计中起着关键的作用。较为可行的方案有：
方案一：采用最优控制算法【3】。最优控制算法是将控制要求转化成某个性能指标，使其达到最优的一种算法。但最优控制算法对过程的最优控制的一个重要前提就是最优化系统中的数学模型是完全正确的，而且其运算量较大，单片机很难满足要求。
方案二：采用PID控制算法【4】。PID控制算法是运用反馈求和后的误差信号的比例（0阶位置项）、积分（误差累积项）、微分（1阶速度项）进行系统校正的一种控制算法。可用于被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确数学模型的情况。其运算量较小，但系统控制器的结构和参数必须依靠经验和反复调试来确定。
综合考虑采用PID控制算法。
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3.2.2 风扇控制信号的分析
本系统采用PID控制算法来计算电机控制量PWM波的输出。
KP参数 纯比例系数作用下的系统有如下特点：
1)对于正作用的调节系统，顶点、谷底均发生在同一时刻。
2)对于负作用的调节系统，被调量的顶点就是输出的谷底，谷底就是输出的顶点。
3)对于正作用的调节系统，被调量的曲线上升，输出曲线就上升；被调量曲线下降，输出曲线就下降。两者趋势完全一样。
4）对于负作用的调节系统，被调量曲线和输出曲线相对。波动周期完全一致。
5)只要被调量变化，输出就变化；被调量不变化，不管静态偏差有多大，输出也不 会变化。
由于输出波动=被调量波动*比例增益，纯KP参数作用下就是一个比例作用。定义Error=目标角度-当前角度；电机的驱动信息在KP参数作用下 PWM=KP*Error。KI参数
仅靠比例系数调节非线性系统显然是不够的，故我们又引入KI参数。
I就是积分作用。一句话简述之：如果调节器的输如偏差不等于零，就让调节器的输出按照一定的速度一直朝一个方向累加下去。积分相当于一个斜率发生器。启动这个发生器的前提是调节器的输如偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：输入偏差的大小、积分时间。
在本系统中，我们将采样以及调节的程序放在定时中断内，故可认为每次的积分时间是保持不变的，考虑积分时间相当于在KI参数上乘以一个固定的比例参数，并不改变其本质。故在本系统中我们只考虑输入偏差的大小。
定义iError+=Error;同时采用P、I参数调节下有PWM=KI*Error+ KP*Error。KD参数
为了提高系统稳定性，在采用了P、I参数的基础上，我们再次引入D参数。D就是微分作用，根据微分作用的特点，咱们可以得出单纯微分作用下的推论：
1)微分作用与被调量的大小无关，与被调量的变化速率有关； 2)与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关；
3)如果被调量有一个阶跃，就相当于输入变化的速度无穷大，那么输出会直接到最小或者最大；
3.3整体原理图与PCB设计
原理图如下：
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PCB:
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四、整体实物图即测试结果
测试结果：帆板能在0度~75度范围内可调，满足设计要求。测试过程详见附件中的视频。
五、收获心得
这个短学期的综合电子课程设计这门课让我们接触到了较为贴近实际的电子设计方面内容，既包含模拟系统部分，也包括数字系统部分，从对它不是非常了解到大家一起合作完成一个设计项目，中间遇到了许许多多的困难，但也被我们一一解决。这个学习与锻炼的过程让我们受益匪浅，也让我从中感受到了综合电子设计的乐趣。
我们经过精心地讨论与选择，最后确定的题目是设计一个小型模拟风洞系统，其中输入的功能选择部分主要是由数字系统实现，并运用quartus进行仿真，而控制的模块主要是有模拟系统实现。因为这次混合系统的设计既需要用到protel软件，又需要用到quartus软件，而这两个软件以前我们接触的也不是很多，所以运用起来也遇到了很多困难，但我们从不放弃，通过与组员的思考讨论，从互联网上获取帮助，还有向同学老师请教等方法，我们克服了困难并最终完成了既定目标与任务。一种成就感与喜悦之情溢于言表。
这次的综合电子设计让我收获很多，也让我感悟很多。从中我们学到了许多关于电子设计和protel、quartus软件的知识，既锻炼了我们的实践动手能力，又增强了我们的团队合作精神，让我们了解如何更好地与他人合作从而完成一个项目。我们感受到了自学对于一个大学生是多么的重要，只有一个会充分利用网络与图书馆资源，善于请教老师与同学并喜欢努力刻苦思考钻研的人才能获得最多的收获。当然，我们也从这次实践中享受到很多乐趣，同时也让我们对电子设计产生极大的兴趣。我们会在以后的学习生活中，更主动积极地去汲取更多的相关知识，不断拓展自己的知识面，提高相应的专业技能。
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六、参考文献
【1】战培国.国外风洞试验的新机制_新概念_新技术.[J].液体力学实验与测量.2004.12。
【2】李东生等.Protel 99SE 电路设计教程[M].电子工业出版社.2007年7月。【3】最优控制理论与应用/邵克勇[M].化学工业出版社,2011 【4】PID控制器参数整定与实现[M]黄友锐.北京:科学出版社,2010
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