摘要：本设计分为四个模块，分别是电机驱动模块，超声波传感器模块，单片机模块和液晶显示模块。单片机和电机驱动用于控制风力的大小和稳定性。超声波模块利用超声波传感器对简易风洞内乒乓球的位置进行判断。在简易风洞上端利用传感器和液晶显示配合是本设计的一个亮点，乒乓球在运动过程中液晶屏幕可显示乒乓球的运动高度。

    1 设计任务
    本设计为我指导的2014年电子设计大赛题目，要求实现一个简易风洞控制系统。硬件方面，我们将设计分为四个模块，分别是电机驱动模块，超声波传感器模块，单片机模块和液晶显示模块。单片机和电机驱动用于控制风力的大小和稳定性，超声波模块利用超声波传感器对简易风洞内乒乓球的位置进行判断。液晶显示模块可以实时监测小球的运动情况。软件方面，我们利用KEIL软件进行单片机编程，利用PROTEUS软件实现模拟仿真。
    2 方案论证
    2.1圆管的选择
    方案一：
    使用不透明的PVC管，需要开凿一个30 cm的长条形槽孔来观察乒乓球的位置，并需要将槽用胶带粘好，保证密封性，但是观察不够直观，且容易出现密封不好的现象。
    方案二：
    选择使用透明的有机玻璃管，透明度好，密封良好且不易损坏，更容易加工。
    综上，我们最终选择使用有机玻璃管。
    2.2支架的选择
    方案一：
    直接使用四根长螺丝固定风扇，再用圆管和风扇连接固定。但密封性稍差，且当玻璃管上方加传感器后，高度增加，导致重心不稳，稳定性不够。
    方案二：
    使用4m扩粗铁丝制作圆盘底座，底座上加有铁块配重增加稳定性，底座上有支架分别支撑有机玻璃管的上部与风扇底部，稳定性较好。
    综合考虑各种因素，我们最终选择方案二。
    2.3电源的选择
    方案一：
    使用干电池提供电源，携带方便，供电比较简单，但是电机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能会造成单片机系统掉电，且无法满足系统的多种用电需求。
    方案二：
    使用直流稳压电源来提供电源，可提供5V、12V等不同电压值，这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。
    综上，最后选择方案二。
    2.4感应系统的选择
    方案一：
    HC一SR04超声波传感器。它的特点是：体积小无盲区，反应速度快，10 ms的测量周期，不容易丢失高速目标。发射头、接收头紧靠，和被测目标基本成直线关系，模块上有LED指示，方便观察和测试。
    方案二：
    TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关，稳定可靠。主要依据乒乓球经过时红外反射的变化来判断高度的变化。如采用该传感器，需要在圆管上钻洞，放置多个传感器，操作复杂，连接的导线比较多，易出错。
    所以，综上考虑，最终我们选择HC-SR04超声波传感器。
    2.5单片机的选择
    方案一：
    STC89C51单片机，推出时间较长，比较稳定，操作简单，但其功能比较少，无法实现过多的功能。且需要使用外部模块来配合单片机使用。
    方案二：
    STC 12 C5 A60 S2单片机，运行速度快，功能相比STC89 C51更加丰富，不需要过多的外部模块配合，减少了出错率。
    由于两种单片机成本都不高，易于采购，所以最终选择使用方案二。
    2.6风扇的选择
    方案一：
    选用市面上常见的小风扇，体积小且价格便宜，但不能很好地控制风力的大小。
    方案二：
    采用电脑CPU散热风扇，效率高且风速稳定，可以通过系统得知风扇的转速进而实现控制。
    由于本次设计需要改变风扇的转速来改变球的位置，所以我们选择使用台式电脑上的风扇。
    2.7电机驱动模块的选择
    方案一：
    A3972步进电机驱动模块是自动收发卡机的设计，是基于双工位（工作通道）的，所以本驱动模块内部自带电机切换电路，可以驱动分时工作的两路电机，但是价格昂贵。
    方案二：
    本模块采用的L298 N是ST公司生产的芯片。主要特点是：驱动能力强，发热量低，抗干扰能力强，工作电压高，最高工作电压可达46 V，电路简单，使用比较方便。
    经实验比较，L298 N驱动模块运行可靠，电气性能好，此设计最后选用L298N驱动模块：

    3 理论分析与计算
    风洞控制实现方法：
    （1）总体控制流程图
    （2）超声波测距框图
  
    4 测试结果与误差分析
    4.1测试仪器
    数字式万用表：一块；
卷尺：精度1 mm;
秒表：精度0.1 s，一块。
4.2测试结果与分析
    （1）控制小球向上达到BC段的时间和维持时间。测试数据如下表：

    分析：实际用时比要求到达时间长，可能是圆管比小球直径大，导致气流不稳，小球上升慢。
    （2）长形纸板遮挡风机进风口情况下，测试数据如下表：

    分析：长纸板遮住进风口，进风量受到影响，导致风力减弱，这时应加快风扇转动，保持不住原因是程序没有调好。
    （3） LCD显示小球高度位置及小球维持状态计时，测试结果如下表：

    分析：由以上数据得，超声波测距工作不是太稳定，容易受外界因素影响。
（4）风机自动启动部分测试数据如下表：

    分析：小球放入后可以自动启动，但是风力调整不好，主要是由于占空比调节不好导致风力过大，小球不能维持在BC段。
（5）小球AB-CD段往返运动

    5 结论
    （1）电机的选择上出现了错误，开始选用步进电机，转速不够，在风洞系统中乒乓球无法被现在的风力吹起来，通过更换电机得到改善。
    （2）风扇与有机玻璃管相连接的地方密封做的不到位，导致乒乓球的运动轨迹不规则且向同一方向滚动。改进方案：通过用玻璃胶粘结到风扇上得到改善。
    （3） HC-SR04超声波传感器模块的放置位置导致系统试验错误。解决方案：把传感器模块的位置由风洞底部变为放置到风洞顶部，并且保持超声波传感器垂直对准风洞内部乒乓球，由此，问题得到改善。