TI杯简易风洞设计报告文档格式.docx
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1.3显示模块的选择2
1.4键盘选择2
1.5风机的选择2
2设计与论证3
2.1风洞控制实现方法3
2.1.1PID算法3
2.1.2PWM脉冲控制技术3
2.1.3风洞圆管的选取5
2.1.4圆管内空气的流动速度及流向5
2.2电路设计及参数计算6
2.2.1电源电路6
2.2.2风机驱动电路6
2.3程序设计7
2.3.1主程序流程图7
2.3.2PID流程图8
3测试方法与测试结果9
3.1测试仪器9
3.2硬件功能测试9
3.3性能测试9
3.4数据分析10
4总结11
1系统方案论证
根据系统设计的任务和要求,设计系统方框图如图1-1所示。
图中控制器模块为系统的核心部件,矩阵键盘和液晶显示器用来实现人机交互功能,其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中,并通过控制器显示到液晶屏上。
在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中,控制直流电机转速,同时控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比,实现电机转速达到实时、准确控制的目的。
图1-1系统总体结构图
1.1电源的选择
方案一:
采用普通的LM7812稳压管输出12V稳压电源。
普通的LM7812稳压管输出电压虽然能够满足,但是该管的输出电压小于1A,而选用风机的额定电压为12V,额定电流为1.35A无法驱动风机。
故不采用该方案。
方案二:
采用钢质外壳的LM7812K稳压管输出12V稳压电源。
该管的输出额定电流小3A,能够满足风机的驱动要求。
综上所述,故采用方案二。
1.2控制模块的选择
根据设计任务,控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲,并对电机当前速度进行采集处理,根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。
对于控制器的选择有以下两种方案。
采用STC89C52作为控制模块。
此类芯片资料多,程序易查找,使用容易。
但是其运算能力较低,速度较慢,功能相对单一,且没有PWM调制难以实现较复杂的任务要求。
故不采用此方案。
采用STC12C5A60S2作为控制模块。
该芯片指令代码完全兼容传统型8051,同时速度快8~12倍,还具有2路PWM,能够满足对风机驱动的控制,具有高速、低功耗、超强抗干扰的优点。
1.3显示模块的选择
采用1602液晶显示。
该方案成本低,程序简单,但占用I/O口多,显示数据少,无法满足本次设计要求。
采用12864液晶显示。
该显示器程序易移植,支持并口和串口传输,支持4行汉字显示,占用I/O口较少,符合本次设计要求。
综上所述,故选用方案二。
1.4键盘选择
采用独立键盘控制。
该键盘编程简单,但占用I/O口较多,浪费资源。
采用矩阵键盘控制。
该键盘占用I/O口少,简洁美观,使用方便,控制范围大。
1.5风机的选择
电脑机箱风扇,扇叶较大,电机转速慢,动力不足,不能满足设计需求。
高速直流电机风扇:
动力可以满足基本需求,且可控性强,性价比高且外围硬件结构简单,便于实际操作。
2设计与论证
2.1风洞控制实现方法
2.1.1PID算法
在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点;
而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象:
“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制。
控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法,分别是:
增量式算法,位置式算法,微分先行。
这三种PID算法虽然简单,但各有特点,基本上能满足一般控制的大多数要求。
PID参数计算公式如下:
un=KPen+
+Kd(en-en-1)
(1)
式中,Ki=KpT/Ti,Kd=KpTd/T为控制器输出的控制量,式
(1)即为数字PID控制器的直接算法,Kp、Ki、Kd的选取一般取决于经验以及实验现场的调整。
PID参数设定
(1)比例系数Kp对系统性能的影响
比例系数加大,使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小。
Kp偏大,振荡次数加多,调节时间加长。
Kp太大时,系统会趋于不稳定。
Kp太小,又会使系统的动作缓慢。
Kp可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。
(2)积分控制Ti对系统性能的影响
积分作用使系统的稳定性下降,Ti小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。
(3)微分控制Td对系统性能的影响
微分作用可以改善动态特性,Td偏大时,超调量较大,调节时间较短。
Td偏小时,超调量也较大,调节时间也较长。
只有Td合适,才能使超调量较小,减短调节时间。
2.1.2PWM脉冲控制技术
PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。
在采样控制理论中有一个重要的结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅立叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异。
例如图2-1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同,其中图2-1的a为矩形脉冲,图2-1的b为三角脉冲,图2-1的c为正弦半波脉冲,但它们的面积(即冲量)都等于1,那么,当它们分别加在具有惯性的同一环节上时,其输出响应基本相同。
当窄脉冲变为如图2-1的d所示的单位脉冲函数
时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图2-1冲量相同形状不同的各种窄脉冲
根据PWM控制的基本原理可知,一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效,那么如果在短时间T内脉冲宽度为t0,幅值为U,由图2-2可求得此时间内脉冲的等效直流电压为:
,若令
,
即为占空比,则上式可化为:
(U为脉冲幅值)
图2-2PWM脉冲
若PWM脉冲为如图2-3所示周期性矩形脉冲,那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同,即
(
为矩形脉冲占空比)
图2-3周期性PWM矩形脉冲
上述可知,要改变等效直流电压的大小,可以通过改变脉冲幅值U和占空比
来实现,因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的,所以通常通过控制占空比
的大小实现等效直流电压在0~U之间任意调节,从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。
2.1.3风洞圆管的选取
在本次简易风洞设计中,采用的是Φ39.8mm的乒乓球。
根据空气动力学中提出的附面层概念,空气的粘性或摩擦作用只在靠近物体表面很薄的一个区域内起主要作用,离开这个区域,粘性的影响急剧下降。
这样一个很小的区域为附面层(边界层)。
要想使乒乓球在圆管内的下落尽可能缓慢,必须要考虑到附面层对球的粘滞力。
所以圆管的选择必须是Φ值尽可能接近并大于39.8mm。
本设计选取的Φ为41mm透明圆管。
2.1.4圆管内空气的流动速度及流向
若未加百叶窗栅格图所示的空气流向,空气乱流,没有固定的流向,分散了风机的推力,如图2-4所示:
图2-4未加栅格的空气流向图
嵌入百叶窗栅格图所示的空气流向,空气流向全部朝上,集中了风机的推力,如图2-5所示:
图2-5嵌入栅格的空气流向图
由此可见,本次设计在圆管与风机的连接处嵌入百叶窗栅格,风洞试验效果会更好。
2.2电路设计及参数计算
2.2.1电源电路
将导线接入的220V/50HZ的正弦交流电源经变压器降压为18V/50HZ的正弦交流电压,经过开关SW1后,交流电经桥堆全波整流,变成脉动直流电,再经过C3、C4的滤波后得到平滑的约21V的直流电压。
再经过LM7812K的稳压后得到电流约为1A电压12V的直流电,经过C3、C4的进一步的滤波接入7805稳压输出5V直流电,可满足系统所需。
电路原理图如图2-6所示:
图2-6电源电路原理图
2.2.2风机驱动电路
驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁,在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机,只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行。
通过控制器的PWM寄存器产生一个46K的矩形波,由于矩形波的低电平,使得CSD19535导通,高电平使得该管截止,从而在MOS管的漏极形成一个电势,由于PWM的频率较高,从而形成的电势比较稳定(即在负载有一个稳定的电压),PWM的占空比可调,使得负载两端有电压可以在0V~12V可调。
前面一级电压跟随器增大了驱动电流,就可满足风机的驱动的要求。
电路原理图如图2-7所示:
图2-7风机驱动电路原理图
2.3程序设计
2.3.1主程序流程图
整个系统的的要求执行在程序中分为子程序,按下相应的数字键则执行相应的要求对应的子程序。
通过PID的精确计算,控制乒乓球移动的距离。
主程序流程图如图2-8所示:
图2-8主程序流程图
2.3.2PID流程图
PID流程图如图2-9所示:
图2-9PID算法流程图
3测试方法与测试结果
3.1测试仪器
所用仪器如表3-1所示:
表3-1测试仪器表
序号
名称
功能
1
万用表
四位半的数字万用表,实时测量驱动模块的电压电流值
2
示波器
可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值,实时显示输出PWM的脉宽。
3
秒表
对性能测试的时间进行计时
3.2硬件功能测试
本项测试主要是针对系统硬件所作出的功能测试,以评测硬件性能是否达标。
(1)电源模块上电后,输出电压监测正常,能够满足系统的正常供电。
(2)驱动模块上电后能够正常驱动风机的运转,驱动模块正常。
(3)风洞整体部件在风机驱动时,乒乓球能在圆管中正常升落。
3.3性能测试
本项测试主要是针对硬件和软件联调的整体性能的评测,通过测试数据来分析本设计是否符合设计要求。
1)对要求
(1)进行三次数据测量,具体数据如表3-2所示:
表3-2要求1测试数据
指定范围
到达耗时(S)
维持时间(S)
设计要求
实测值
BC
5
4.6
>
8
4.7
9
4.9
12
2)对要求(3)进行数据测量,如表3-3所示:
表3-3要求(3)测试数据
设定高度对C高度(单位:
cm)
维持时间(单位:
s)
波动距离(单位:
+1
4
6
-1
3)对要求(5)进行的数据测量,如表3-4所示:
表3-4要求(5)测量数据
测试次数
到达时间(单位:
3.8
3.2
4)对要求(6)进行的数据测量,如表3-5所示:
表3-5要求(6)测试数据
到达总时间(单位:
AB
30
32
3~5
7
CD
A
3.4数据分析
1、基本要求
1)依据测试结果和表3-2记录的数据,要求
(1)(3)能较好的完成;
2)依据测试结果和表3-3记录的数据,要求(5)能够很好的完成;
3)依据测试结果和表3-3记录的数据,要求(6)能够完成,在时间的限制上存在细微误差;
4)依据测试结果,要求(7)能够较好的完成。
2、发挥部分
1)设计了百叶窗栅格,用以稳定控制风向。
2)自制整机直流稳压电源,输出+12V和+5V,供单片机及风机工作使用。
总之,本系统的设计性能还是比较良好的。
虽然在一些时间要求的项目上略有误差,但是造成误差的因素如风、压差等环境的因素不是人为可控的.,所以存在一定的误差也是合理的。
4总结
本设计的目的在于利用PID算法调节单片机产生PWM脉宽占空比来控制电机转速。
通过对主控制模块、风机驱动模块、LCD显示模块、键盘模块、数字PID算法等进行组合优化,对硬件软件进行联调,最终软件方面利用C语言进行编程,
归纳起来主要做了如下几方面的工作:
1、PID算法与PWM控制技术有机的结合;
2、设计了风机驱动电路;
3、利用C语言进行程序设计
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