单片机风洞控制系统毕业设计.docx
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单片机风洞控制系统毕业设计
风洞控制系统
【摘要】
本论文主要阐述了风洞实验,它是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。
它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,随着工业空气动力学的发展,在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。
这种方法,流动条件容易控制,可重要依据是运动的相对性原理。
实验时,常将模型或实物固定在风洞中反复地、经济地取得实验数据。
本系由四部分组成,单片机控制模块、传感器采集模块、LCD1602液晶显示模块、电机模块。
单片机控制模块以STC12C5A60S2为核心,利用超声波传感测量物体的距离,由单片机分析处理,单片机利用PWM波通过控制电机转速,以适当的风力控制小球的高度,并记录在一定高度时小球运动所用的时间,显示模块应用LCD1602显示高度以及到达高度所用时间。
关键词:
直流电机;液晶显示;单片机;超声波传感器;电机驱动。
Windtunnelcontrolsystem
Abstract:
Thispapermainlyexpoundsthe windtunnelexperiment,itisintheworkofthedevelopmentofaircraftinanindispensablepartof.Itnotonlyinaviationandspaceengineeringplaysanimportantroleintheresearchanddevelopment,withthedevelopmentoftheindustrialairdynamics,inareassuchastransportation,buildings,windenergyisindispensable.Thisway,easytocontrolflowconditions,canbeimportantbasisistheprincipleofrelativityofsports.Experiment,oftenfixrepeatedlyinthewindtunnelmodel,orphysical,economicexperimentaldata.
Thedepartmentismadeupoffourparts,thesingle-chipmicrocomputercontrolmodule,sensoracquisitionmodule,LCD1602LCDdisplaymodule,motormodule.SCMSTC12C5A60S2asthecorecontrolmodule,anultrasonicsensortomeasurethedistanceoftheobject,analysisandprocessingbysingle-chipmicrocomputer,microcomputerusingPWMwavethroughthecontrolofmotorspeed,withproperwindcontroltheheightoftheball,andrecordedinacertainheightwhenusedintheballmovementtime,displayLCD1602displayheightandheightusedinapplication.
Keywords:
Dcmotor;Liquidcrystaldisplay;Singlechipmicrocomputer;Ultrasonicsensor;Motordrive
目录
1系统方案1
1.1整体方案的论证与选择1
1.2单片机的选择1
2系统理论分析与计算2
2.1高度测量分析2
2.2风力控制电路分析3
2.3PID控制的计算分析3
2.3.1PID的控制4
2.3.2PID的控制计算4
3电路与程序的设计5
3.1电路的设计5
3.1.1系统总体框图5
3.1.2系统电路图5
3.1.3超声波测量模块6
3.2单片机最小系统及单片机的资源分配6
3.2.1单片机最小系统介绍6
3.2.2STC12C5A60S2单片机的硬件结构8
3.2.3AT89C52管脚说明9
3.3液晶屏128*6411
3.3.1基本参数11
3.3.2电器特性12
3.4超声波测量模块12
3.5程序的设计13
3.5.1程序功能描述及设计思路13
3.5.2程序流程图14
4测试分析与测试结果15
4.1测试方法与测试仪器15
4.1.1测试原理15
4.1.2测试仪器15
4.2测试结果15
4.3测试分析与结论16
1系统方案
经过对此控制系统基本确立了两个方案。
1.1整体方案的论证与选择
方案一
利用红外测距传感器遇到障碍物距离的不同反射的红外强度不同的原理,进行障碍物远近的检测,经单片机的分析处理,控制直流电机转速。
方案二
利用超声波传感器,通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收的回波时间差,测小球距参照点的距离,经单片机对接收的数据分析处理,单片机通过PWM波控制电机转速来控制小球高度。
对于以上两种方案,我们经过对方案的仔细分析考虑其稳定性和简易性,以及可选择的元件,我们选择第二种方案。
1.2单片机的选择
方案一
89C52是80C51增强型单片机版本,集成了时钟输出和向上或向下计数器等多种功能,适用于类似的马达控制,但其不能进行A/D转换,没有PID的计算功能,控制能力强,但精确度不高。
方案二
STC12C5A60S2是STC,它是单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8—12倍,其中AD转换达到10位精度ADC读书精确,而且还具有超强的PID运算,控制能力强,精确度高。
通过以上两种方案的比较,方案二更有利于系统的控制,因此我们选择方案二中的单片机。
2系统理论分析与计算
2.1高度测量分析
本电路设计采用超声波测距作为高度测量传感器产生距离信号,并用单片机分析计算,最后通过液晶屏显示高度。
本电路采用实时数据采集,所以,随时都可以看到小球的高度。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
测距的公式表示为:
L=C×T(公式2-1)
L为测量的距离长度;
C为超声波在空气中的传播速度;
T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
2.2风力控制电路分析
电风扇风力的大小是通过电机的转速来决定的,本系统采用PWM波控制场效应管,场效应管控制电机的转速使其风扇风力增大或减小,从而使控制小球的高度使其达到设定的值。
风扇控制电路图如图2-1所示。
图2-1风扇控制电路图
2.3PID控制的计算分析
2.3.1PID的控制
PID控制就是根据系统系统的误差,利用是比例、积分、微分、计算出控制量进行控制的。
P为比例控制,能够加快调节速度,I为积分控制,它的作用是减小误差,从而消除静差,D为微分控制,它的作用是改善系统的动态性能。
本设计方案中应用到了PID的运算,达到稳定的调节风速,提高了测量的稳定性。
2.3.2PID的控制计算
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
是调节器的输入偏差,
是调节器输出的控制量,
(公式2-2)
其中
为比例系数;
为积分时间常数;
为微分时间常数。
3电路与程序的设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3-1所示。
图3-1系统总体框图
3.1.2系统电路图
系统电路图如图3-2所示。
图3-2系统电路图
3.1.3超声波测量模块
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
本模块性能稳定,测度距离精确,模块高精度,盲区小。
产品应用领域;机器人,避障,物体测距,液位检测,公共安防停车场检测。
3.2单片机最小系统及单片机的资源分配
3.2.1单片机最小系统介绍
单片机最小系统如图3-3所示。
单片机最小系统由单片机、晶振电路、复位电路三部分组成。
图3-3STC12C5A60S2单片机最小系统
(1)晶振电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振),就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反向放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器,并产生振荡时钟脉冲。
晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。
内部振荡方式如图3-4所示。
图中电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。
电容值一般为5~30pF。
内部振荡方式所得时钟信号比较稳定,实用电路中使用较多。
外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。
外部振荡方式电路如图3-5所示。
图3-4内部振荡方式图3-5外部振荡方式
(2)复位电路
单片机的复位是靠外电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平,单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位,通常是RST引脚保持10ms以上的高电平,根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。
上电或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。
上电后,由于电容C3的充电和反相门的作用,使RST持续一段时间的高电平。
复位电路连接如图2-5所示。
此电路仅用一个电容及一个电阻。
系统上电时,在RC电路充电过程中,由于电容两端电压不能跳变,故使RESET端电平呈高电位,系统复位。
经过一段时间,电容充电,使RESET端呈低电位,复位结束。
复位电路如图3-6所示。
图3-6复位电路图
3.2.2STC12C5A60S2单片机的硬件结构
如图3-7所示,为STC12C5A60S2的硬件结构图。
STC12C5A60S2单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。
CPU是由运算器和控制器所构成的。
运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。
控制器是单片机的指挥控制部件,主要任务的识别指令,并根据指令的性质控制单片机各功能部件,从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。
它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器,闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。
数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。
AT89C52单片机的指令系统和引脚功能与MCS-51的完全兼容。
STC12C5A60S2为8位通用微处理器,其引脚图如图3-8所示。
图3-7STC12C5A60S2硬件框图
图3-8STC12C5A60S2的引脚图
STC12C5A60S2单片机采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
主要性能参数有8K字节可重擦写Flash闪速存储器、1000次可擦写周期、全静态操作:
0Hz-24MHz、三级加密程序存储器、256×8字节内部RAM、32个可编程I/O口、3个16位定时/计数器、8个中断源、可编程串行UART通道、低功耗空闲和掉电模式。
3.2.3AT89C52管脚说明
VCC:
电源
GND:
接地
P0口:
P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0口端口写“1”时,引脚作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接受指令字节:
在程序效验时,输出指令字节。
程序效验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。
对P1口写“1”时,内部上拉电阻的原因,将输出电流ILL。
此外,与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输出(P1.1/T2EX)。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。
对P2口写“1”时,通过内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流ILL。
在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高8位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在Flash编程和校验时,P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。
对P3口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入端口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流ILL。
P3口除了作为一般、的I/O口线外,更重要的是它的第二功能,如表3-1所示。
表3-1P3口引脚第二功能
引脚号
第二功能
P3.0
RXD(串行输入)
P3.1
TXD(串行输出)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
RD(外部数据存储器读选通)
在Flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。
ALE/
:
地址锁存器控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时,此引脚(
)也使用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
:
外部程序储存器选通信号(
)是外部程序存储器选通信号。
当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时,
在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据储存器时,
将不被激活。
:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H—FFFFH的外部程序存储器读取指令,
端必须保持低电平(接地)。
为了执行内部程序指令,
应该接VCC。
在flash编程期间,
也接受12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.3液晶屏128*64
12864液晶是一种统称,只说明类屏的一个特征,就是128*64个点构成。
实物图如图3-9所示。
3.3.1基本参数
基本参数如表3-2所示。
表3-2显示屏参数
显示类型
STN
显示色彩
显示色:
白背景色:
蓝
偏振模式
透射/负性
视角
6点钟
驱动方式
1/64DUTY1/9BIAS
背光
LED
控制器
KS0108或兼容IC
数据总线
8位并口/6800方式
温度特性
工作温度:
-20C----+70C
点阵格式
128x64
点尺寸
0.39x0.55mm
点中心距
0.44x0.60mm
视域
62.0x44.0mm
有效显示区域
56.27x38.35mm
外形尺寸
78.0x70.0x12.5mmMax.
净重
65g
图3-912864实物图
3.3.2电器特性
电器特性如表3-3所示。
表3-3电器特性
项目
符号
最小
典型
最大
单位
电源电压
VDD-VSS
4.75
5.0
5.25
V
液晶驱动电压
VDD-VADJ
Ta=0
-11.0
-11.5
-12.0
Ta=25
-10.5
-11.0
-11.5
Ta=50
-10.0
-10.5
-11.0
输入信号电压
VIH
0.8VDD
-
VDD+0.3
VIL
0
-
0.2VDD
LCM工作电流
IDD
-
3
8
mA
背光驱动电流
ILED
-
60
80
液晶驱动电流
IEE
-
1.0
3.4超声波测量模块
超声波测距模块实物图如图3-10所示。
1)产品特点
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
2)基本工作原理:
(1)采用IO口TRIG触发测距,给最少10us的高电平信呈。
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))。
如图3-10接线VCC供5V电源,GND为地线,TRIG触发控制信号输入,ECHO回响信号输出等四个接口端。
图3-10超声波测距模块实物图
3.5程序的设计
3.5.1程序功能描述及设计思路
1)程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现模式的选择即键盘的设置和液晶显示。
(1)键盘实现功能:
控制电机转速、选择执行的模式。
(2)显示部分:
显示小球的高度位置、小球维持高度的计时、超声波测出的距离及选择的模式。
2)程序设计思路:
经LCD初始化后本系统主要实现的功能是将超声波测出的距离与键盘输入值之间应用PID算法调整电机转速使其跳到设定的模式执行相应的程序。
如电机加速电机减速、功能模式选择等,并通过LCD液晶显示其相应值得变化,达到实现小球可以随意控制。
3.5.2程序流程图
主程序流程图如图3-10所示。
图3-10主程序流程图
4测试分析与测试结果
4.1测试方法与测试仪器
4.1.1测试原理
1)键盘控制模式选择误差:
我们利用超声波测出的距离进行风力大小的不断改进,使其在一定模式下控制其风速,使小球在该模式下达到题目的要求,并稳定的处于指定高度。
2)键盘控制高度误差:
我们通过键盘的控制电机加速减速,来使小球升高一定的距离,用尺子测量其高度并与液晶显示屏上的显示数据进行比对。
以保证其反馈的数据可以及时进行改正。
4.1.2测试仪器
直流稳压电源、20cm尺子、数字万用表、秒表。
4.2测试结果
测试结果如表4-2所示。
表4-2测试结果
项目要求
完成情况
小球置于圆管底部,启动后5秒内控制小球向上到达BC段,并维持5秒以上
完成
当小球维持在BC段时,用长形纸板)遮挡风机的进风口,小球继续维持在BC
完成
以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时
完成
小球置于圆管底部,启动后5秒内控制小球向上到达圆管顶部处A端,且不跳离,维持5秒以上
完成
小球置于圆管底部,启动后30秒内控制小球完成如下运动:
向上到达AB段并维持3~5秒,再向下到达CD段并维持3~5;再向上到达AB段并维持3~5,再向下到达CD段并维持3~5;再向上冲出圆管(可以落到管外)
完成
风机停止时用手将小球从A端放入风洞,小球进入风洞后系统自动启动,控制小球的下落不超过D点,然后维持在BC段5秒以上
完成
4.3测试分析与结论
根据上述测试结果,可以看出本设计在控制中能够准确、快速的完成题目要求,由此可以得出以下结论:
1、在增加按键后更加能有效的完成题目要求并能直观的反应其完成内容。
2、清零后键盘设定一个模式,在一定时间完成该模式的程序,有效的控制风速,让小球完成该模式下的运动。
3、以C点为以C点的坐标为0cm、B点的坐标为10cm时,通过按键加减分速,可有效的控制其指定高度,并实时显示其高度。
综上所述,本设计达到设计要求。
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