用于编程教学的简易风洞试验系统的制作方法

本实用新型涉及实验教学设备，具体涉及用于编程教学的简易风洞试验系统。

背景技术：

风洞实验可以帮助我们学习流体力学或观察一些基本直观的物理原理；目前的风洞控教学设备为开环控制，不仅风速容易失稳，且在失稳状态下往往需要借助外部设备或仪器才能检查出失稳原因，从而会对编程结果输出状态产生模糊判断，影响教学进程；另一方面，现有风洞试验装置结构复杂，成本较高，不利于学校推广使用；2014年TI杯大学生电子设计竞赛题提出了一种简易风洞及控制系统，但该风洞装置过于简单，乒乓球容易掉落风机上，损坏试验设备，不利于为了解决这个问题，有必要进行深入研究。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供了一种控制稳定，且成本较低的用于编程教学的简易风洞试验系统。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

用于编程教学的简易风洞试验系统，包含简易风洞试验装置，以及与简易风洞试验装置配合使用的控制系统，控制系统包含电源模块、控制模块、风机和交互单元，其中，控制模块包含单片机控制单元，单片机控制单元与交互单元相连，使得单片机控制单元根据交互单元的输入产生对应的PWM方波输出；交互单元与单片机控制单元电连接，还包含超声波风速传感模块；控制模块还包含电荷泵电路、微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路、基准单元、数字比较电路、第一驱动电路以及第二驱动电路；单片机控制单元与交互单元相连；超声波风速传感器的输出与单片机控制单元的输入相连；单片机控制单元的PWM 方波输出端与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连；第一驱动电路的输出与电荷泵电路相连；电荷泵电路的输出与微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路顺序相连，A/D 转换电路的输出与基准单元的输出分别与数字比较电路的输入相连，基准单元包含若干位数字电压；数字比较电路的输出与单片机控制单元的输入相连；第二驱动电路的输出与风机相连；电源模块提供控制模块、风机、超声波风速传感模块与交互单元的所需用电；

所述简易风洞试验装置包括支撑箱体、风管、连接头、洞体及防护组件，其中：所述支撑箱体为中空的长方体箱体，且所述支撑箱体的一个侧壁设有进风口，所述支撑箱体的顶部设有出风口；

所述风机安装在支撑箱体的进风口外侧；

所述风管一端连接在支撑箱体的进风口内侧，其另一端连接在支撑箱体的出风口内侧；

所述连接头安装在支撑箱体的出风口外侧，所述连接头内部设有连通其两端的第一阶梯内孔，所述第一阶梯内孔包括与出风口相通的较小段和具有内螺纹的较大段；

所述洞体为透明材质的管状结构并具有连通其两端的内孔，且所述洞体的上端和下端分别设有外螺纹并螺纹连接在连接头的上方；

所述防护组件包括筒状的安装头和防护网，其中安装头内部设有连通其两端的第二阶梯内孔，所述第二阶梯内孔包括依次连接且内径递减的第一段、第二段和第三段，第一段设有内螺纹，所述防护网为圆形片状结构，所述防护网的直径小于第二段内径并大于第三段和洞体内孔的内径，所述安装头螺纹连接在洞体的上端，所述防护网位于第二段内并位于洞体上方。

本实用新型的控制部分采取了两级监测的技术方案，其中一级由超声波风速传感器实现，使其监测风机所产生的风速大小，并反馈至单片机控制单元，从而调整对应风速大小；另外一级由第一驱动电路、电荷泵电路、微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路、基准单元与数字比较电路实现，通过单片机控制单元所产生的PWM波形控制电荷泵电路的电荷开关，并获得一个直流电压，在正常情况下，PWM波形的输出参数包括峰值大小，占空比大小、频率等均需要稳定才可实现风机的稳定输出，通过第一驱动电路及电荷泵电路，将单片机控制单元输出的PWM波形转为直流电压，当本该稳定的PWM波形发生变化时，则对应控制的电荷泵电路的直流电压也将发生变化，从而被微分电路所检测并输出，峰值检测电路能够获取微分电路的最大输出，以提高监控电路的冗余度，同时也为后续电路提供了反应时间；峰值检测电路的输出经过A/D转换电路转换后，与基准单元一起经数字比较电路比较后反馈回单片机控制电路，从而为单片机的进一步运算或控制提供了基础，实现风机的稳定控制。

本实用新型的简易风洞试验装置在使用时，可在洞体外部设置刻度或者标记，先将防护组件拆下并放入乒乓球，再将防护组件装上并开启风机，即可通过控制风机输出功率大小控制乒乓球高度而实现简易风洞试验，其整体结构简单、成本低廉。

附图说明

图1为控制系统的原理框图。

图2为简易风洞试验装置的结构爆炸图。

图3为简易风洞试验装置中防护网的结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型中的技术方案进一步说明。

用于编程教学的简易风洞试验系统，包含简易风洞试验装置，以及与简易风洞试验装置配合使用的控制系统，如图1所示，控制系统包含电源模块、控制模块、风机和交互单元，其中，控制模块包含单片机控制单元，单片机控制单元与交互单元相连，使得单片机控制单元根据交互单元的输入产生对应的PWM方波输出；交互单元与单片机控制单元电连接，还包含超声波风速传感模块；控制模块还包含电荷泵电路、微分电路、峰值检测电路、 A/D转换电路、基准单元、数字比较电路、第一驱动电路以及第二驱动电路；单片机控制单元与交互单元相连；超声波风速传感器的输出与单片机控制单元的输入相连；单片机控制单元的PWM方波输出端与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连；第一驱动电路的输出与电荷泵电路相连；电荷泵电路用于产生直流电压，此为现有技术；电荷泵电路的输出与微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路顺序相连，A/D转换电路的输出与基准单元的输出分别与数字比较电路的输入相连，基准单元包含若干位数字电压，可由若干电阻或分压器对应连接电源端、地端实现；数字比较电路的输出与单片机控制单元的输入相连；第二驱动电路的输出与风机相连；电源模块提供控制模块、风机、超声波风速传感模块与交互单元的所需用电。

如图2所示，简易风洞试验装置包括支撑箱体1、风管3、连接头4、洞体5及防护组件，其中：所述支撑箱体1为中空的长方体箱体1，且所述支撑箱体1的一个侧壁设有进风口10，所述支撑箱体1的顶部设有出风口11，所述支撑箱体1的下方设有支脚12；所述支撑箱体1具有开设在底部的第一开口13和开设在与进风口10相对侧壁的第二开口14，以便于将风管3安装在支撑箱体1内部或拆卸风管3；

所述风机2安装在支撑箱体1的进风口10外侧，用以提供风力；超声波风速传感模块在风机2的出风口一侧靠近安装。

所述风管3的两端分别设有法兰30并通过法兰30和螺钉分别固定在支撑箱体1的进风口10和出风口11内侧，所述两个法兰30与支撑箱体1内壁之间分别设有密封圈31，有利于拆装风管3且可保证风道的密封性；

所述连接头4安装在支撑箱体1的出风口11外侧，所述连接头4内部设有连通其两端的第一阶梯内孔，所述第一阶梯内孔包括与出风口11相通的较小段40和具有内螺纹的较大段41，其中较小段40的内径小于乒乓球8的直径，可有效避免乒乓球8落入风管3 内；

所述洞体5为透明材质的管状结构并具有连通其两端的内孔50，可使得实验结果更加直观，还可在洞体5外部设置若干刻度或标记以实现对乒乓球8高度的精准控制，且所述洞体5的上端和下端分别设有外螺纹并螺纹连接在连接头4的上方；

所述防护组件包括筒状的安装头6和防护网7，其中安装头6内部设有连通其两端的第二阶梯内孔，所述第二阶梯内孔包括依次连接且内径递减的第一段60、第二段61和第三段63，第一段60设有内螺纹；如图3所示，所述防护网7为圆形片状结构，所述防护网7包括圆环形的安装环70以及固定于安装环70内侧的网体71，所述安装环70的外径小于第二段61内径并大于第三段63和洞体5内孔50的内径，所述安装头6螺纹连接在洞体5的上端，所述防护网7位于第二段61内并位于洞体5上方，在进行风洞试验时可有效防止风力过大而将乒乓球8吹走。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。