小型模擬風(fēng)洞系統(tǒng)設(shè)計報告

1、綜合電子設(shè)計-1小型模擬風(fēng)洞系統(tǒng)劉石劬22011231尹哲浩22011214一、引言二、設(shè)計思路2.1整體功能設(shè)想2.2模塊實現(xiàn)方式確定三、設(shè)計內(nèi)容及部分電路仿真3.1輸入模塊設(shè)計部分3.1.1按鈕功能電路實現(xiàn)與仿真3.1.2控制輸入電路實現(xiàn)與仿真3.2控制模塊設(shè)計部分3.2.1硬件選型及論證3.2.2風(fēng)扇控制信號的分析3.3整體原理圖與PCB設(shè)計四、整體實物圖即測試結(jié)果五、課程收獲與心得、鄉(xiāng)JI;卜八、參考文獻綜合電子設(shè)計小型模擬風(fēng)洞系統(tǒng)2013.9一、引言風(fēng)洞是空氣動力學(xué)研究的重要地面試驗設(shè)備，通過對流體力學(xué)方法的計算，可以研究物體模型所受不同方向、不同大小的氣動阻力影響，為汽車、高速列車

2、等等的選型提供大量的參考依據(jù)。同時，風(fēng)洞也是試驗高速飛行器必不可少的一種設(shè)備，是保證一個國家航空航天處于領(lǐng)先地位的基礎(chǔ)研究設(shè)施1。隨著時代的發(fā)展，飛機研究制造業(yè)的競爭越加激烈，尤其在軍事領(lǐng)域，現(xiàn)有風(fēng)洞試驗設(shè)備的模擬能力已經(jīng)成為制約第四第五代戰(zhàn)斗機的研制和未來高超聲速飛行器發(fā)展的瓶頸這次課題設(shè)計，我們想以自己現(xiàn)有的能力和一些簡單的器材來完成一個簡易的小型風(fēng)洞設(shè)計，用以模擬產(chǎn)生不同風(fēng)力大小的氣流。我們采用電腦CPU風(fēng)扇作為風(fēng)力的發(fā)生裝置，以輸入信號的占空比來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的大小，并可以根據(jù)風(fēng)扇所發(fā)出的風(fēng)力大小來實現(xiàn)結(jié)果的反饋。二、設(shè)計思路2.1整體功能設(shè)想風(fēng)扇的輸入信號可以控制風(fēng)扇實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，也

3、可以讓風(fēng)扇的工作處于測試模式下，即風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速按預(yù)定的延時變化，風(fēng)力將由大至小，再由小變大循環(huán)往復(fù)。也可以通過鍵盤，讓帆板到達指定高度。幣度檢測信號2.2模塊實現(xiàn)方式確定(1) 輸入模塊：使用者將通過按鈕進行輸入信號的控制，工作時不會存在兩個按鈕同時有效的情況。本模塊的大體部分會以門電路的形式構(gòu)成，功能上通過計數(shù)器不同的計數(shù)值來形成不同的輸入信號，但必須保證信號的頻率一致。最后,所有檔位的信號必須以同一個輸出端口輸送至風(fēng)扇，對風(fēng)扇進行相應(yīng)的控制。(2) 控制模塊：采用MSP430F6638作為主控芯片，它是由TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器。用LSM303

4、作為檢測角度的傳感器，用AVC8038風(fēng)扇作為風(fēng)力來源。三、設(shè)計內(nèi)容及部分電路仿真3.1輸入模塊設(shè)計部分輸入模塊是指將控制信號輸入風(fēng)扇前的所有電路，由檔位控制按鈕部分、檔位實現(xiàn)部分、風(fēng)扇輸入部分等組成。通過對這些部分的整合，可以達成輸出一個頻率相同，占空比可變的方波信號的功能。輸入模塊的設(shè)計大多以簡單的數(shù)字門電路來實現(xiàn)，使用的芯片也以74LS系列為主。輸入部分原理圖如下：3.1.1按鈕功能電路實現(xiàn)與仿真我們所設(shè)想的的按鈕具體有按下和懸空兩種狀態(tài)。當(dāng)使用者按下一個按鈕后，對應(yīng)的檔位就會開始工作，輸出對應(yīng)占空比的波形。若使用者第二次按同一按鈕，則按鈕將會彈起恢復(fù)懸空狀態(tài)，對應(yīng)的檔位不再工作。在一個

5、檔位處于工作狀態(tài)下，使用者按下其他按鈕將不會起任何作用，必須將上一個按鈕取消后,按下的新按鈕才會正常開始工作。如下圖所示，buttonl到button3分別為風(fēng)扇的3個不同檔位的控制按鈕，而button4則為測試模式的控制按鈕。這四個輸入同時只能有一個有效。對每一個輸入而言，其他3個輸入的或非和它本身相與構(gòu)成最后的輸出。若在此之前，已經(jīng)有按鈕生效，則或非的值為0,新的按鈕也就無從輸出了。綜合電子設(shè)計小型模擬風(fēng)洞系統(tǒng)2013.9以buttonl和button4為例進行仿真，分別輸入不同頻率的方波。以下I/O分別為buttonl到button4和outputl到output4，每一個output對

6、應(yīng)相應(yīng)的button信號。02L綽2甲Ph3&4us5Lfus6D5S譯2D.G3mzaJGZ5aibn.B01Lnr111r*1In.bairbn.B口ITbuba|LDU.ba|L1:|：；r甘DU.baaeu.BQaOQBQr1|L由圖可見，即便輸入信號存在高電平上的重疊，但是輸出只會有一個信號為高電平，后出現(xiàn)上升沿的信號暫時無效，直至較早工作的信號降為低電平為止,才會開始工作。3.1.2控制輸入電路實現(xiàn)與仿真控制輸入電路接入按鍵的輸出，通過74161不同方式的計數(shù)產(chǎn)生不同的輸出信號。本電路有4個輸入，分別接至按鈕部分的output1至output4；有2個時鐘脈沖，分別控制檔位

7、1至檔位3的計數(shù)器，和測試模式的額外計數(shù)部分；有3個輸出，分別為檔位1到檔位3的輸出，而檔位4則對前3個輸出同時進行利用,本身并不附加其他的輸出。以buttonl、button3和button4為例，分別仿真單一檔位和測試模式的輸出波形。當(dāng)button1有效時，button1始終置1，button4亦然。下圖I/O分別為CLK1、CLK2、button1到button4以及output1到output3。在button1有效下，output1的輸出結(jié)果：在button3有效下，output3的輸出結(jié)果:在button4有效下，測試模式的輸出結(jié)果:通過對于CLK2的調(diào)節(jié)，可以控制測試模式下風(fēng)扇轉(zhuǎn)

8、速由小到大再到小，在每個檔位停留的時間，只需輸入不同頻率的方波即可。最后，控制輸入電路的3個輸出將以三態(tài)門的形式進行線與作為最后輸進風(fēng)扇的輸入信號。每個三態(tài)門的EN端接各自對74161的使能信號作為控制端。當(dāng)對應(yīng)的計數(shù)器工作時，該計數(shù)器的輸出有效。7JF'-LDMQADQQENT3DENPrcqCLftNCIKLDMQACQBQGEhJTODENP尺8CLRZHCIK:''"""7416-""'"?LJInki工COUMTEn；-rtrt-r-.-wt.-!-：'LDM0'jinc門口Q

9、CiewtQDRCOiDLFtN11CLK74101_r:TOT我們利用quartusii5.0對以上電路與實現(xiàn)功能，在quartusii5.0中，我們可以直接通過其中所繪原理圖進行仿真，同時也可以相應(yīng)生成相關(guān)程序如下：modulewindpit(）；button4,inputbutton4;button1,inputbutton1;button2,inputbutton2;button3,inputbutton3;CLK2,inputCLK2;CLK1,inputCLK1;output2,outputoutput2;output1,outputoutput1;output3,outputou

10、tput3;output4outputoutput4;wireWIRE_71;assignoutput4=WIRE_75?WIRE_8:1'bz;wireWIRE_72;assignWIRE_37=(WIRE_10|WIRE_76|wireWIRE_73;WIRE_77|WIRE_78);wireWIRE_74;assignWIRE_10=button4;wireWIRE_8;assignWIRE_19=(WIRE_78&wireWIRE_75;WIRE_15);wireWIRE_10;assignoutput4=WIRE_72?WIRE_73:wireWIRE_76;1

11、9;bz;wireWIRE_77;wireWIRE_78;74161b2v_inst2(.CLRN(WIRE_71),wireWIRE_15;.CLK(CLK2),.ENP(button4),.LDN(WIRE_19),wireWIRE_19;.A(WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(button4),.B(WIREwireWIRE_24;_74),.C(WIRE_74),.QD(WIRE_78),.QC(WIRE_76),.wireWIRE_25;QB(WIRE_77),.QA(WIRE_15);wireWIRE_79;wireWIRE_27;assignWIRE_83=(W

12、IRE_24&wireWIRE_28;WIRE_25);wireWIRE_29;assignWIRE_57=(WIRE_79&wireWIRE_30;WIRE_27);wireWIRE_31;assignWIRE_73=(WIRE_28&wireWIRE_32;WIRE_29);wireWIRE_36;assignWIRE_72=WIRE_301button3;wireWIRE_37;assignWIRE_84=WIRE_311button2;wireWIRE_38;assignWIRE_75=WIRE_321button1;wireWIRE_39;assignWIRE

13、_80=WIRE_77;wireWIRE_80;assignWIRE_81=WIRE_76;wireWIRE_81;assignWIRE_82=WIRE_78;wireWIRE_82;assignWIRE_32=WIRE_361WIRE_37;wireWIRE_83;assignWIRE_31=WIRE_381WIRE_39;wireWIRE_84;assignWIRE_36=WIRE_78&WIRE_80&wireWIRE_57;WIRE_81;assignWIRE_38=WIRE_77&WIRE_76&assignoutput2=WIRE_79;WIRE_8

14、2;assignoutput1=WIRE_8;assignWIRE_8=WIRE_83;assignoutput3=WIRE_73;assignWIRE_39=WIRE_77&WIRE_81&assignWIRE_71=1;WIRE_82;assignWIRE_74=0;assignWIRE_30=WIRE_80&WIRE_76&WIRE_82;74161b2v_inst(.CLRN(WIRE_71),assignoutput4=WIRE_84?WIRE_79:.CLK(CLK1),.ENP(WIRE_72),.LDN(WIRE_71'bz;3),.A(

15、WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(WIRE_72),.B(74161b2v_inst6(.CLRN(WIRE_71),WIRE_74),.C(WIRE_74),.QB(WIRE_28),.QA(WIRE_29);.CLK(CLK1),.ENP(WIRE_84),.LDN(WIRE_57),.A(WIRE_74),.D(WIRE_74),.ENT(WIRE_84),.B(QA(WIRE_27);_25);endmodule74161b2v_inst7(.CLRN(WIRE_71),.CLK(CLK1),.ENP(WIRE_75),.LDN(WIRE_83),.A(WIRE_74

16、),.D(WIRE_74),.ENT(WIRE_75),.B(3.2控制模塊設(shè)計部分3.2.1硬件選型及論證角度檢測方案的選擇與論證方案一：采用LSM303加速度傳感器檢測平臺傾角。其核心為數(shù)字三軸加速度傳感器和三軸磁力計，它體積小，價格低廉，工作可靠。并且其6位模式使其測量精度有保證，在測量微小的角度變化上誤差很小。方案二：采用電位器檢測擺桿傾角。用電阻分壓方式可以實現(xiàn)電位器對角度變化的感應(yīng)，但必須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能將信號傳給處理器處理。此時，電位器的靈敏度和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度都會對測量結(jié)果產(chǎn)生直接影響，誤差一般很大。方案三：采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測擺桿傾角。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應(yīng)

17、的脈沖輸出，其計數(shù)起點任意設(shè)定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。需要提高分辨率時，可利用90度相位差的A、B兩路信號進行倍頻或更換高分辨率編碼器。2000線的編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周可以輸出2000個脈沖，可以實現(xiàn)極高精度的角度檢測，但其價格較高。綜合以上三種方案，選擇方案一。風(fēng)扇選型即與論證由于本系統(tǒng)的風(fēng)扇需要提供足夠大的風(fēng)力才能使帆板達到較高的角度。系統(tǒng)采用AVC8038高轉(zhuǎn)速暴力風(fēng)扇，最高風(fēng)量達到180.97CFM，可以滿足設(shè)計需求。電機控制算法的論證與選擇電機控制算法的選擇直接影響到系統(tǒng)的性能和技術(shù)指標，在本系統(tǒng)的設(shè)計中起著關(guān)鍵的作用。較為可行的方案有：方案一：采用最優(yōu)控制算法【3】。最優(yōu)控制算法

18、是將控制要求轉(zhuǎn)化成某個性能指標，使其達到最優(yōu)的一種算法。但最優(yōu)控制算法對過程的最優(yōu)控制的一個重要前提就是最優(yōu)化系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型是完全正確的，而且其運算量較大，單片機很難滿足要求。方案二：米用PID控制算法。PID控制算法是運用反饋求和后的誤差信號的比例(0階位置項)、積分(誤差累積項)、微分(1階速度項)進行系統(tǒng)校正的一種控制算法?？捎糜诒豢貙ο蟮慕Y(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確數(shù)學(xué)模型的情況。其運算量較小，但系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和反復(fù)調(diào)試來確定。綜合考慮米用PID控制算法。322風(fēng)扇控制信號的分析本系統(tǒng)采用PID控制算法來計算電機控制量PWM波的輸出。KP參數(shù)純比例系數(shù)作用

19、下的系統(tǒng)有如下特點：1）對于正作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，頂點、谷底均發(fā)生在同一時刻。2）對于負作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量的頂點就是輸出的谷底，谷底就是輸出的頂點。3）對于正作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量的曲線上升，輸出曲線就上升；被調(diào)量曲線下降，輸出曲線就下降。兩者趨勢完全一樣。4）對于負作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)量曲線和輸出曲線相對。波動周期完全一致。5）只要被調(diào)量變化，輸出就變化；被調(diào)量不變化，不管靜態(tài)偏差有多大，輸出也不會變化。由于輸出波動=被調(diào)量波動*比例增益，純KP參數(shù)作用下就是一個比例作用。定義Error=目標角度-當(dāng)前角度；電機的驅(qū)動信息在KP參數(shù)作用下PWM=KP*Error。KI參數(shù)僅靠比例系數(shù)調(diào)節(jié)非線

20、性系統(tǒng)顯然是不夠的，故我們又引入KI參數(shù)。I就是積分作用。一句話簡述之：如果調(diào)節(jié)器的輸如偏差不等于零，就讓調(diào)節(jié)器的輸出按照一定的速度一直朝一個方向累加下去。積分相當(dāng)于一個斜率發(fā)生器。啟動這個發(fā)生器的前提是調(diào)節(jié)器的輸如偏差不等于零，斜率的大小與兩個參數(shù)有關(guān)：輸入偏差的大小、積分時間。在本系統(tǒng)中，我們將采樣以及調(diào)節(jié)的程序放在定時中斷內(nèi)，故可認為每次的積分時間是保持不變的，考慮積分時間相當(dāng)于在KI參數(shù)上乘以一個固定的比例參數(shù)，并不改變其本質(zhì)。故在本系統(tǒng)中我們只考慮輸入偏差的大小。定義iError+二Error;同時采用P、I參數(shù)調(diào)節(jié)下有PWM=KI*Error+KP*Error。KD參數(shù)為了提高系統(tǒng)

21、穩(wěn)定性，在采用了P、I參數(shù)的基礎(chǔ)上，我們再次引入D參數(shù)。D就是微分作用，根據(jù)微分作用的特點，咱們可以得出單純微分作用下的推論：1）微分作用與被調(diào)量的大小無關(guān)，與被調(diào)量的變化速率有關(guān)；2）與被調(diào)量的正負無關(guān)，與被調(diào)量的變化趨勢有關(guān)；3）如果被調(diào)量有一個階躍，就相當(dāng)于輸入變化的速度無窮大，那么輸出會直接到最小或者最大；3.3整體原理圖與PCB設(shè)計原理圖如下:綜合電子設(shè)計小型模擬風(fēng)洞系統(tǒng)2013.9-二二IHliiHIII-十PCB:'NI'II'II'II'=二綜合電子設(shè)計小型模擬風(fēng)洞系統(tǒng)2013.9測試結(jié)果：帆板能在0度75度范圍內(nèi)可調(diào)，滿足設(shè)計要求。測試過程詳見附件中的視頻。五、收獲心得這個短學(xué)期的綜合電子課程設(shè)計這門課讓我們接觸到了較為貼近實際的電子設(shè)計方面內(nèi)容，既包含模擬系統(tǒng)部分，也包括數(shù)字系統(tǒng)部分，從對它不是非常了解到大家一起合作完成一個設(shè)計項目，中間遇到了許許多多的困難，但也