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基于ATmega328P的简易风洞控制系统的设计方案

来源：

2025-08-20

类别：工业控制

拍明芯城

基于ATmega328P的简易风洞控制系统设计方案

一、系统设计背景与目标

风洞作为空气动力学研究的核心设备，广泛应用于航空航天、汽车工程、建筑风压测试等领域。传统风洞存在结构复杂、成本高昂、操作门槛高等问题，难以满足教学实验、小型科研等场景需求。本设计以ATmega328P微控制器为核心，结合低成本传感器与执行器，构建一套简易风洞控制系统，实现小球悬浮位置控制、风速闭环调节及实时数据显示功能。系统设计目标包括：

控制精度：小球位置波动不超过±1cm，悬浮时间稳定在5秒以上；
响应速度：风速调节响应时间小于0.5秒，满足动态控制需求；
成本优化：总硬件成本控制在200元以内，适配教学与科研场景；
可扩展性：预留通信接口与传感器接口，支持功能升级。

二、核心元器件选型与功能分析

1. 主控芯片：ATmega328P（Microchip Technology）

型号选择依据：
ATmega328P是一款基于AVR架构的8位高性能微控制器，其20MHz主频、32KB Flash存储器、2KB SRAM及1KB EEPROM的配置，可满足实时控制与数据存储需求。相较于STM32F103等32位芯片，ATmega328P在成本、功耗及开发便捷性上更具优势，其丰富的外设资源（6路PWM、8路10位ADC、UART/SPI/I2C接口）可简化硬件设计。

功能实现：

PWM风速控制：通过Timer1生成PWM信号，驱动TB6612电机驱动模块调节风机转速；
传感器数据采集：利用ADC读取VLX503激光测距模块的模拟信号，实现小球位置检测；
闭环控制算法：在SRAM中运行数字PID算法，动态调整PWM占空比；
通信与显示：通过UART接口与USART HMI触摸屏交互，实时显示控制模式、小球位置及悬浮时间。

2. 风机驱动模块：TB6612FNG（Toshiba）

型号选择依据：
TB6612FNG是一款双路H桥直流电机驱动芯片，支持1.2A连续电流（峰值3.2A），满足空心杯风机（额定电压12V，额定电流0.5A）的驱动需求。相较于L298N，TB6612FNG具有更低的导通电阻（0.1Ω）和更高的效率（90%以上），可减少发热并延长系统续航。

功能实现：

PWM调速：接收ATmega328P输出的PWM信号，通过IN1/IN2引脚控制风机转向与转速；
过流保护：内置过流检测电路，防止风机堵转损坏驱动芯片；
低功耗模式：支持Standby模式，降低系统待机功耗。

3. 位置传感器：VLX503激光测距模块（Velodyne）

型号选择依据：
VLX503是一款高精度激光测距传感器，量程为0.2-10m，分辨率达1mm，采样频率100Hz，可实时反馈小球位置信息。相较于超声波传感器（精度±3mm），VLX503在亚克力风洞管道内的抗干扰能力更强，且不受温度、湿度影响。

功能实现：

距离测量：通过TOF（Time of Flight）原理计算小球与传感器距离，输出模拟信号（0-5V对应0-10m）；
数据滤波：在ATmega328P中实现移动平均滤波算法，抑制测量噪声；
位置反馈：将滤波后的距离值转换为风洞坐标系中的高度值，作为PID控制输入。

4. 风机：7020空心杯直流风机（Sunon）

型号选择依据：
7020空心杯风机具有低惯量、高转速（最大12000RPM）和快速响应特性，其直径20mm、厚度7mm的紧凑尺寸可适配内径40mm的亚克力风洞管道。相较于轴流风机，空心杯风机在低风速下的可控性更优，适合小球悬浮实验。

功能实现：

风速调节：通过PWM信号控制风机转速，实现风速范围0-10m/s的连续调节；
气动设计：风机出口安装导流罩，优化气流均匀性，减少湍流对小球的影响。

5. 显示模块：USART HMI触摸屏（Nextion）

型号选择依据：
Nextion NX4832T035是一款3.5英寸串口触摸屏，支持UART通信协议，可独立显示文本、图表及按钮控件。相较于OLED屏幕，其大尺寸与图形化界面更适配实验操作需求，且开发难度低（仅需发送16进制指令）。

功能实现：

实时数据显示：显示小球当前高度、目标高度、悬浮时间及控制模式；
人机交互：通过触摸按钮切换手动/自动控制模式，设置目标高度参数；
故障报警：当小球偏离设定范围时，触发屏幕弹窗提示。

6. 电源模块：LM2596S-ADJ（Texas Instruments）

型号选择依据：
LM2596S-ADJ是一款开关型降压稳压器，输入电压范围4.5-40V，输出电压可调（1.23-37V），最大输出电流3A。相较于7805线性稳压器，其转换效率达75%以上，可减少发热并延长电池续航。

功能实现：

电压转换：将12V锂电池电压降至5V，为ATmega328P、VLX503及Nextion屏幕供电；
电流保护：内置过流保护电路，防止短路损坏电源芯片。

三、硬件系统设计与实现

1. 系统架构设计

系统采用分层架构，包括传感器层、控制层、执行层及显示层。传感器层（VLX503）负责数据采集；控制层（ATmega328P）运行PID算法并生成控制信号；执行层（TB6612FNG+风机）调节风速；显示层（Nextion屏幕）实现人机交互。各层通过UART、PWM及模拟信号接口通信，确保数据实时性与系统稳定性。

2. 电路原理图设计

关键电路设计：

ATmega328P最小系统：包括16MHz晶振电路、复位电路及ISP编程接口，确保芯片稳定运行；
TB6612FNG驱动电路：采用PWM_IN引脚接收控制信号，VM引脚连接12V电源，OUT1/OUT2引脚驱动风机；
VLX503接口电路：VCC接5V电源，GND接地，OUT引脚通过10kΩ上拉电阻连接至ATmega328P的ADC0引脚；
Nextion屏幕通信电路：TXD/RXD引脚分别连接至ATmega328P的PD0/PD1引脚，实现UART通信。

3. PCB布局与布线

设计要点：

电源隔离：将数字电路（ATmega328P）与模拟电路（VLX503）分区布局，减少电源噪声干扰；
信号完整性：PWM信号线采用45°折线布线，避免直角转弯导致信号反射；
散热设计：在TB6612FNG芯片下方铺设铜箔，并通过过孔连接至底层散热焊盘，提升散热效率。

四、软件系统设计与实现

1. 开发环境与工具链

IDE：Arduino IDE 2.0，支持ATmega328P代码编译与上传；
库文件：

PID_v1.h：实现数字PID控制算法；
Nextion.h：简化Nextion屏幕通信协议；
Wire.h：支持I2C接口扩展（预留传感器接口）。

2. 主程序流程设计

程序逻辑：

初始化阶段：配置定时器、PWM、ADC及UART外设，加载PID参数；
数据采集阶段：通过ADC读取VLX503距离值，并转换为小球高度；
控制算法阶段：运行PID算法计算PWM占空比，更新Timer1比较寄存器；
显示更新阶段：将小球高度、目标高度及悬浮时间封装为16进制指令，发送至Nextion屏幕；
故障检测阶段：监测小球是否偏离风洞管道，触发报警机制。

3. 关键代码实现

PID控制算法：

cpp
#include <PID_v1.h>
double Setpoint, Input, Output;
PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, 2.0, 0.5, 1.0, DIRECT);

void setup() {
Setpoint = 50.0; // 目标高度50mm
myPID.SetMode(AUTOMATIC);
myPID.SetOutputLimits(0, 255); // PWM占空比范围0-255
}

void loop() {
Input = readBallHeight(); // 读取小球高度
myPID.Compute();
analogWrite(PWM_PIN, Output); // 更新PWM占空比
delay(10); // 控制周期10ms
}

Nextion屏幕通信：

cpp
#include <Nextion.h>
NexButton btnSetHeight = NexButton(0, 1, "btnSetHeight");
NexText txtCurrentHeight = NexText(0, 2, "txtCurrentHeight");

void setup() {
nexInit();
btnSetHeight.attachPush(btnSetHeightPushCallback);
}

void btnSetHeightPushCallback(void *ptr) {
uint32_t targetHeight = 100; // 示例目标高度100mm
char buffer[20];
sprintf(buffer, "setHeight.val=%d", targetHeight);
Serial.print(buffer); // 发送指令至Nextion屏幕
}