一种风力测控装置及其控制方法与流程

本发明涉及风洞实测控技术领域，尤其是涉及一种风力测控装置及其控制方法。

背景技术：

目前，风力小球系统是进行空气动力实验最常用、最有效的一种管道状实验设备。风力小球系统是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并且可用于量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象。

现有技术中，风力小球系统的制作成本较高，通常采用超声波测距模块进行测距。超声波测距模块通过输出一个回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离，然而超声波测距模块应用于管道内小球的小距离测量，在相对误差比较小的情况下，其误差比明显测距的误差相对较大，导致难以检测到管道内小球的准确位置；而且管道内小球状态的控制不容易稳定，导致中间过程较长；因此，风力小球系统的实验准确率低，且不方便实验操作。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种风力测控装置及其控制方法，以解决现有的风力小球系统的实验准确率低，且不方便实验操作的技术问题，以有效地提高风力小球系统的实验准确率，同时提高实验操作的便捷性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风力测控装置，包括实验球、两端开口的测试管、单片机以及分别与所述单片机电连接的按键模块、显示模块、电源模块以及红外测距模块；所述实验球设于所述测试管的内腔内，所述红外测距模块的检测端靠近所述测试管的一端设置，所述测试管的另一端上设有与所述单片机电连接的风机，所述风机的出风口正对所述实验球；

所述红外测距模块，用于实时检测所述实验球在所述测试管的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机；

所述单片机，用于接收和处理所述红外测距模块的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机的转速；

所述按键模块，用于触发所述单片机设定和调节所述实验球在所述测试管的内腔内的位置；

所述显示模块，用于显示所述实验球的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球保持在同一位置上的时间；

所述电源模块，用于为所述单片机提供电源。

作为优选方案，所述风力测控装置还包括两端开口的第一锥形管和第二锥形管；

所述第一锥形管的一端连接在所述测试管的一端上，所述第一锥形管的一端的横截面积大于所述第一锥形管的另一端的横截面积，且所述红外测距模块的检测端靠近所述第一锥形管的另一端设置；

所述第二锥形管的一端连接在所述测试管的另一端上，所述第二锥形管的另一端的横截面积大于所述第二锥形管的另一端的横截面积，且所述风机安装在所述第二锥形管的另一端上。

作为优选方案，所述风力测控装置还包括底座、支架和固定环；

所述测试管套接在所述固定环内，所述固定环通过所述支架固定连接在所述底座上。

作为优选方案，所述支架为两个，所述固定环为两个；

两个所述支架平行设置，两个所述固定环平行设置，且所述测试管通过两个所述固定环分别与两个所述支架固定连接，且所述测试管设于两个所述支架之间。

作为优选方案，所述风力测控装置还包括支撑座，所述支撑座固定在所述底座上，且所述支撑座靠近所述测试管的一端设置，所述红外测距模块安装在所述支撑座上。

作为优选方案，所述红外测距模块包括控制板，所述红外测距模块的检测端包括发射端和接收端，所述控制板的控制端与所述发射端电连接，所述控制板的输入端与所述接收端电连接，所述控制板的输出端与所述单片机的测距信号端电连接。

作为优选方案，所述风力测控装置还包括声光报警模块，所述声光报警模块的输出端与所述单片机的报警控制端电连接。

作为优选方案，所述风力测控装置还包括电机驱动模块，所述电机驱动模块的输入端与所述单片机的风机控制端电连接，所述电机驱动模块的输出端与所述风机电连接。

作为优选方案，所述测试管的材料为透明材料。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种应用于上述的风力测控装置的控制方法，包括以下步骤：

开启所述电源模块；

实时检测所述实验球在所述测试管的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机；

接收和处理所述红外测距模块的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机的转速；

触发所述单片机设定和调节所述实验球在所述测试管的内腔内的位置；

显示所述实验球的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球保持在同一位置上的时间。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，本发明提供了一种风力测控装置，包括实验球、两端开口的测试管、单片机以及分别与所述单片机电连接的按键模块、显示模块、电源模块以及红外测距模块；所述实验球设于所述测试管的内腔内，所述红外测距模块的检测端靠近所述测试管的一端设置，所述测试管的另一端上设有与所述单片机电连接的风机，所述风机的出风口正对所述实验球；所述红外测距模块，用于实时检测所述实验球在所述测试管的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机；所述单片机，用于接收和处理所述红外测距模块的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机的转速；所述按键模块，用于触发所述单片机设定和调节所述实验球在所述测试管的内腔内的位置；所述显示模块，用于显示所述实验球的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球保持在同一位置上的时间；所述电源模块，用于为所述单片机提供电源。通过所述风机、所述测试管和所述实验球构成了简易风洞的测控系统，而所述单片机作为核心控制器，所述风机在所述单片机的控制下进行转速调节，以使所述实验球在空气动力下位于所述测试管的内腔内的不同位置，所述红外测控模块通过检测端发射激光到所述实验球上并接收返回光，从而实时检测到所述实验球在所述风机的吹动下的位置信息，相较于超声波测距模块，其具有响应速度快、准确率高且适用于小距离测量中的优点，从而大大提高了风力小球系统的实验准确率；同时，所述显示模块能够显示实时检测到的位置信息，从而方便用户直接获取所述实验球当前的位置信息并与预设的位置信息进行对比，通过所述按键模块触发所述单片机调节所述风机的转速，以使所述实验球达到预设的位置并保持一段时间，进而简单有效地达到实验目的，并提高了实验操作的可靠性。本发明还提供了一种风力测控装置的控制方法。

附图说明

图1是本发明实施例中的风力测控装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的风力测控装置的另一种角度的结构示意图；

图3是本发明实施例中的风力测控装置的电路结构图；

图4是本发明实施例中的风力测控装置的程序流程图；

图5是本发明实施例中的风力测控装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图3，本发明提供了一种风力测控装置，包括实验球23、两端开口的测试管22、单片机10以及分别与所述单片机10电连接的按键模块14、显示模块13、电源模块以及红外测距模块11；所述实验球23设于所述测试管22的内腔内，所述红外测距模块11的检测端靠近所述测试管22的一端设置，所述测试管22的另一端上设有与所述单片机10电连接的风机12，所述风机12的出风口正对所述实验球23；

所述红外测距模块11，用于实时检测所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机10；

所述单片机10，用于接收和处理所述红外测距模块11的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块13，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机12的转速；

所述按键模块14，用于触发所述单片机10设定和调节所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置；

所述显示模块13，用于显示所述实验球23的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球23保持在同一位置上的时间；

所述电源模块，用于为所述单片机10提供电源。

在本发明实施例中，通过所述风机12、所述测试管22和所述实验球23构成了简易风洞的测控系统，而所述单片机10作为核心控制器，所述风机12在所述单片机10的控制下进行转速调节，以使所述实验球23在空气动力下位于所述测试管22的内腔内的不同位置，所述红外测控模块通过检测端发射激光到所述实验球23上并接收返回光，从而实时检测到所述实验球23在所述风机12的吹动下的位置信息，相较于超声波测距模块，其具有响应速度快、准确率高且适用于小距离测量中的优点，从而大大提高了风力小球系统的实验准确率；同时，所述显示模块13能够显示实时检测到的位置信息，从而方便用户直接获取所述实验球23当前的位置信息并与预设的位置信息进行对比，通过所述按键模块14触发所述单片机10调节所述风机12的转速，以使所述实验球23达到预设的位置并保持一段时间，进而简单有效地达到实验目的，并提高了实验操作的可靠性。

在本实施例中，应当说明的是，所述单片机10为stm32f1系列单片机10，所述单片机10以pwm方式控制所述风机12的电机工作，从而控制所述风机12的转速，所述风力测控装置的程序流程图如图4所示。所述单片机10通过所述红外测距模块11实时检测所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置并进行处理，输出输出相应的pwm信号，由pwm信号控制所述风机12进行转动，从而产生不同速度的空气动力，以使所述实验球23到达预设的目标位置。所述单片机10成本较低，操作简单，从而降低所述风板控制装置的成本，并提高了所述风力测控装置用于教学实验的可靠性和便捷性。

可以理解的，stm32单片机10代表armcortex-m内核的32位微控制器，具有高性能，实时性强，低功耗，便于低电压操作等优点，同时还易于开发。其中增强型系列时钟频率达到72mhz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36mhz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32k到128k的闪存，不同的是sram的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72mhz时，从闪存执行代码，stm32功耗36ma，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5ma/mhz。而所述显示模块13包括但不限于oled液晶显示屏、led显示模块等。

此外，所述oled液晶显示屏与传统的lcd显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且oled显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能。

在本实施例中，所述风机12为直流轴流风扇，其结合l298n模块即可简单有效地通过所述单片机10的pwm方式进行控制，从而降低所述风力测控装置的成本，并且所述直流轴流风扇的转速控制较为准确，所述单片机10能够有效地控制直流轴流风扇的转从而达到控制所述实验球23到达预设的目标位置。

所述风机12的调速原理是通过所述单片机10控制输出不同占空比的pwm波，使得加在所述风机12的电机两端的等效电压与pwm波的占空比成比例。pwm波由stm32单片机10主控中的定时器输出，定时器工作在增计数模式下，由主控决定pwm波的周期和pwm波的占空比，因此所述单片机10可以控制输出可控占空比的pwm波，输出多大占空比的pwm波可使电机的转速得以精确控制。

参见图1和图2，在本发明实施例中，所述风力测控装置还包括两端开口的第一锥形管24和第二锥形管25；所述第一锥形管24的一端连接在所述测试管22的一端上，所述第一锥形管24的一端的横截面积大于所述第一锥形管24的另一端的横截面积，且所述红外测距模块11的检测端靠近所述第一锥形管24的另一端设置；所述第二锥形管25的一端连接在所述测试管22的另一端上，所述第二锥形管25的另一端的横截面积大于所述第二锥形管25的另一端的横截面积，且所述风机12安装在所述第二锥形管25的另一端上。所述第一锥形管24、所述第二锥形管25和所述测试管22构成了文丘里管结构，所述风机12靠近所述第二锥形管25设置，能够使得外部的空气经过所述第二锥形管25的横截面积较大的开口快速进入到所述测试管22的内腔内，从而满足实验要求。

参见图1和图2，在本发明实施例中，所述风力测控装置还包括底座20、支架26和固定环27；所述测试管22套接在所述固定环27内，所述固定环27通过所述支架26固定连接在所述底座20上。所述测试管22过盈配合套接在所述固定环27内，以使所述测试管22固定在所述底座20上，从而便于实验操作的进行。

参见图1和图2，在本发明实施例中，所述支架26为两个，所述固定环27为两个；两个所述支架26平行设置，两个所述固定环27平行设置，且所述测试管22通过两个所述固定环27分别与两个所述支架26固定连接，且所述测试管22设于两个所述支架26之间，从而使得所述测试管22能够稳定地固定在所述底座20上，进而提高实验操作的可靠性。

参见图1和图2，在本发明实施例中，所述风力测控装置还包括支撑座28，所述支撑座28固定在所述底座20上，且所述支撑座28靠近所述测试管22的一端设置，所述红外测距模块11安装在所述支撑座28上，从而使得所述红外测距模块11能够直接检测所述实验球23，进而提高实验的准确性。

参见图1至图3，在本发明实施例中，所述红外测距模块11包括控制板，所述红外测距模块11的检测端包括发射端和接收端，所述控制板的控制端与所述发射端电连接，所述控制板的输入端与所述接收端电连接，所述控制板的输出端与所述单片机10的测距信号端电连接。

在本发明实施例中，应当说明的是，所述红外测距模块11采用gy-53红外测距模块11。gy-53红外测距模块11是一款低成本数字红外策划传感器模块。其工作电压3-5v，功耗小，体积小，安装方便。所述红外测距模块11的工作原理是：所述所述红外测距模块11的发射端发出红外led发光，照射到被测物体后，返回光经过mcu接收，mcu计算出时间差，得到距离。直接输出距离值。此模块有两种方式读取数据，即串口uart(ttl电平)+pwm(一线)或者芯片iic模式，串口的波特率有9600bps与115200bps，可配置，有连续，询问输出两种方式，也可掉电保存设置。相对于现有技术中的超声波测距模块，其通过一个触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一个回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离，在测量小距离，在相对误差比较小的情况下误差比较明显，因此，所述红外测距模块11能够大大提高了风力小球系统的实验准确率。

参见图3，在本发明实施例中，所述风力测控装置还包括声光报警模块15，所述声光报警模块15的输出端与所述单片机10的报警控制端电连接。当所述红外测距模块11检测到所述实验球23的目标位置和实时检测到的位置一致并稳定时，所述声光报警模块15的蜂鸣器会发出报警提示，同时所述声光报警模块15的led灯也会点亮，以提示所述实验球23已达到目标位置。

参见图3，在本发明实施例中，所述风力测控装置还包括电机驱动模块17，所述电机驱动模块17的输入端与所述单片机10的风机12控制端电连接，所述电机驱动模块17的输出端与所述风机12电连接。

在本发明实施例中，所述电机驱动模块17工作电压为12v。所述单片机10及外围芯片电路的工作电压为5v，电流0.2a，电压相差较大，如果采用双电源6v和18-20v，可以满足需要，但需要分别整流、滤波、稳压。综上所述，本发明采用带有电源适配器电源供电，可以满足不同电压等级的工作需要。

参见图1和图2，在本发明实施例中，所述测试管22的材料为透明材料。所述透明材料包括但不限于透明亚克力板，从而便于用户观察所述测试管22中的所述实验球23的位置。

参见图1和图2，在本发明实施例中，所述风力测控装置还包括支撑板21，所述支撑板21的一端连接在所述底座20上，且所述支撑板21与所述底座20垂直。从而在实验时，用户直接将所述底座20和所述支撑板21竖起，以使所述测试管22与水平面垂直，所述实验球23位于所述测试管22的底部，当所述风机12启动时，吹动所述实验球23向上运动并保持在同一位置。

参见图4和图5，为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种应用于上述的风力测控装置的控制方法，包括以下步骤：

s1、开启所述电源模块；

s2、实时检测所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机10；

s3、接收和处理所述红外测距模块11的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块13，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机12的转速；

s4、触发所述单片机10设定和调节所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置；

s5、显示所述实验球23的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球23保持在同一位置上的时间。

在本发明实施例中，所述风力测控装置的实验步骤是：

开启所述电源模块；

实时检测所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机10；

接收和处理所述红外测距模块11的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块13，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机12的转速；

触发所述单片机10设定和调节所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置；

显示所述实验球23的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球23保持在同一位置上的时间。

所述单片机10结合pid控制算法，输出相应占空比的pwm波控制电机的转速以产生不同的风力，从而使所述实验球23完成设计的动作任务。pid控制的原理是根据系统误差，通过公式对比例p积分，i微分d进行运算，最终得到输出量。比例p能够实现系统的快速响应；积分i可以减小稳态误差；微分d能预测系统误差的变化趋势，进而超前调节。

综上，本发明提供了一种风力测控装置，包括实验球23、两端开口的测试管22、单片机10以及分别与所述单片机10电连接的按键模块14、显示模块13、电源模块以及红外测距模块11；所述实验球23设于所述测试管22的内腔内，所述红外测距模块11的检测端靠近所述测试管22的一端设置，所述测试管22的另一端上设有与所述单片机10电连接的风机12，所述风机12的出风口正对所述实验球23；所述红外测距模块11，用于实时检测所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置，并将检测到的位置信息传输到所述单片机10；所述单片机10，用于接收和处理所述红外测距模块11的位置信息，并将处理结果传输到所述显示模块13，以及使用pid算法和通过pwm信号控制所述风机12的转速；所述按键模块14，用于触发所述单片机10设定和调节所述实验球23在所述测试管22的内腔内的位置；所述显示模块13，用于显示所述实验球23的目标位置信息和实时检测到的位置信息，以及所述实验球23保持在同一位置上的时间；所述电源模块，用于为所述单片机10提供电源。通过所述风机12、所述测试管22和所述实验球23构成了简易风洞的测控系统，而所述单片机10作为核心控制器，所述风机12在所述单片机10的控制下进行转速调节，以使所述实验球23在空气动力下位于所述测试管22的内腔内的不同位置，所述红外测控模块通过检测端发射激光到所述实验球23上并接收返回光，从而实时检测到所述实验球23在所述风机12的吹动下的位置信息，相较于超声波测距模块，其具有响应速度快、准确率高且适用于小距离测量中的优点，从而大大提高了风力小球系统的实验准确率；同时，所述显示模块13能够显示实时检测到的位置信息，从而方便用户直接获取所述实验球23当前的位置信息并与预设的位置信息进行对比，通过所述按键模块14触发所述单片机10调节所述风机12的转速，以使所述实验球23达到预设的位置并保持一段时间，进而简单有效地达到实验目的，并提高了实验操作的可靠性。本发明还提供了一种风力测控装置的控制方法。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。