(成都樹德中學(xué)高三九班,四川 成都 610031)
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,是指以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流,用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況,并可量度氣流對實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備[1]。該實(shí)驗(yàn)是飛行器研制工作中的一個(gè)不可缺少的組成部分,一款新的飛行器成功推出必須通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。由于風(fēng)洞的控制性佳,可重復(fù)性高,所以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不僅應(yīng)用于航空航天工程,而且在交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用等領(lǐng)域也廣泛地應(yīng)用。
2015年,在學(xué)校的職業(yè)生涯規(guī)劃課中,我有幸參觀了西南交通大學(xué)的XNJD-3風(fēng)洞并體驗(yàn)了風(fēng)洞的神奇效果,為此,我一直念念不忘自己設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的風(fēng)洞裝置。終于在暑假期間,在老師的指導(dǎo)下,網(wǎng)上購買器材和元件,搭建并編程制作了一個(gè)簡易風(fēng)洞裝置。
風(fēng)洞裝置由圓管、連接部與直流風(fēng)機(jī)構(gòu)成,如圖2.1所示。風(fēng)洞豎直放置,內(nèi)徑大約4.5cm且內(nèi)壁透明平滑,小球可以在其中上下運(yùn)動;管體外壁標(biāo)有A、B、C、D標(biāo)志線,BC段有1cm間隔的短標(biāo)志線;風(fēng)機(jī)在風(fēng)洞的底部,上面有防止小球落入的格柵。測試人員通過鍵盤輸入小球的位置信息,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)小球在風(fēng)洞中的位置控制。
按照控制要求,系統(tǒng)主要由主控模塊、測距模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊組成。系統(tǒng)控制框圖如圖2.2
圖2.1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖
圖2.2 系統(tǒng)控制框
系統(tǒng)主控模塊采用TI公司的MSP430F149,此款單片機(jī)功耗低、有看門狗(WDT)、模擬比較器、16位定時(shí)器、液晶驅(qū)動器、10/12位ADC、PWM等豐富的內(nèi)外設(shè),性價(jià)比高[2]。電源模塊通過降壓、整流濾波、穩(wěn)壓處理(如 7812、7805等)形成。
測距模塊選擇紅外對管陣列。通過并排的紅外接收管陣列對物體反射光的接受與否,搜索和跟蹤小球,確定其空間位置從而達(dá)到測距的目的。此系統(tǒng)中我們裝載4組紅外對管放置于A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)。圖2.3為一組紅外對管電路圖。
圖2.3 一組紅外對管電路圖
由圖可以看出:紅外對管是由一個(gè)紅外線發(fā)射管和一個(gè)光敏二極管組成的。當(dāng)小球擋住光線時(shí),光敏管不導(dǎo)通,只有很小的飽和反向漏電流(暗電流)。當(dāng)小球離開有光照時(shí),飽和反向漏電流馬上增加,形成光電流,在一定的范圍內(nèi)它隨著射光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大,這樣就可以判斷出小球的位置。
顯示模塊用選用12864顯示屏做顯示。顯示面積大,數(shù)字和漢字顯示容易實(shí)現(xiàn)。
風(fēng)機(jī)選用電吹風(fēng)電機(jī)。風(fēng)力大,且其圓形架子,直徑與風(fēng)洞的圓管的直徑相近,有利于安裝和保證氣密性。電機(jī)驅(qū)動模塊選用包含4通道邏輯驅(qū)動電路的電機(jī)專用驅(qū)動芯片L298N。電機(jī)驅(qū)動芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品,內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路,其電路如圖2.4所示。OUT1、OUT2和 OUT3、OUT4之間可以分別接 2個(gè)電動機(jī),5、7、10、12 腳接輸入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),ENA,ENB接控制使能端,利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號接到ENA,ENB端子,對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖2.4 直流電機(jī)驅(qū)動電路圖
3.1 程序功能描述
按控制要求,軟件主要涉及到鍵盤設(shè)定位置、實(shí)際位置與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配和液晶顯示部分的編程。
(1)小球初始狀態(tài):單片機(jī)接收到鍵盤設(shè)置的小球位置信號后,控制風(fēng)機(jī)輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速,防止小球波動過大
(2)小球穩(wěn)定狀態(tài):小球5s內(nèi)到達(dá)指定位置并穩(wěn)定3秒以上,上下波動不超過±1cm。同時(shí),小球也可以在有效范圍上下浮動。此環(huán)節(jié)中,單片機(jī)根據(jù)光電傳感器測出的高度信號,輸出占空比可調(diào)的PWM信號調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,從而調(diào)整小球在圓管中的位置。
(3)液晶顯示部分:液晶顯示小球高度位置及維持時(shí)間
3.2 程序流程圖
圖2.5 主程序流程圖
圖2.6 PWM控制電機(jī)子程序流程圖
3.3 PWM調(diào)速部分程序段
PWM調(diào)速信號的產(chǎn)生和控制是系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵,其占空比和周期需要根據(jù)實(shí)際裝置進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,本文給出調(diào)試的部分程序如下:
1.1 測試條件:在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下:白天、晴、白熾燈照射、無風(fēng),系統(tǒng)硬件電路無誤,程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。
1.2 測試儀器:高精度數(shù)字毫伏表、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、直尺、游標(biāo)卡尺。
2.1 測試結(jié)果
表1 PWM信號占空比與小球位置關(guān)系
表2 PWM信號占空比與小球?qū)嶋H位置
2.2 測試結(jié)果分析
上述測試數(shù)據(jù)表明:隨著占空比的增加,風(fēng)機(jī)的風(fēng)速逐漸加大,小球在圓筒中的位置由低端升到高端,在AB段、BC段、CD段可以維持3—5s,由此可以得出以下結(jié)論:風(fēng)洞中被測物體的狀態(tài)可以通過單片機(jī)控制并檢測。