一、设计背景和目标分析
1、设计背景
风洞是研究气流对物体影响的关键工具，其历史可追溯到19世纪。风洞实验通过模拟各种气流条件，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域，以优化设计、提高性能和安全性。然而，传统风洞通常是大型且昂贵的设备，仅适用于专业实验室和大型科研机构。随着科技的发展，教育和科研对小型、低成本风洞系统的需求逐渐增加，特别是在高校教学和小型实验室中。
这促使人们开始探索简易风洞系统的设计，利用嵌入式技术，实现小型化、低成本和高精度的风洞实验平台。嵌入式技术的飞速发展为简易风洞控制系统的实现提供了可能。单片机（MCU）作为嵌入式系统的核心，具有体积小、成本低、功耗低和高度集成等特点，广泛应用于各种控制系统中。通过利用MCU，可以构建一个高效的风洞控制系统，实现对气流和小球位置的精确控制。
2、设计目标
本设计的主要目标是构建一个简易风洞控制系统，使小球能够在风洞中稳定地悬浮和移动，并满足特定的控制要求。具体设计目标如下：
基本要求：
（1）小球从圆管底部启动，在5秒内上升到BC段，并能够稳定悬浮在此段至少5秒。
（2）在外界干扰（使用宽度为风机直径三分之一的纸板遮挡风机进风）情况下，小球仍能稳定在BC段。
（3）能通过键盘输入设定小球的高度位置（相对于C点的坐标），启动后小球稳定在设定高度3秒以上，波动不超过±1cm。
（4）小球从圆管底部启动，5秒内上升到圆管顶部A端，并在此位置稳定维持5秒以上。
进阶要求：
（1）实时监测并显示小球的高度位置，以及小球在指定位置维持的时间。
（2）复杂运动控制：小球从底部启动，在30秒内完成复杂的上下运动，包括在AB段和CD段各维持3-5秒，并最终冲出圆管。
二、设计方案论述
整体方案设计分为四个部分，分别是电源部分、检测部分、控制部分和机械结构部分。
1、电源部分
（1）电机供电：由于选用的风机的额定电压为12V，所以可以选择3s锂电池进行供电，但是装置本身不需要移动，所以最终选择使用非移动电源，通过PD诱骗芯片获取12V直流电源为风机供电。
PD诱骗芯片选用的是CH224K，根据芯片手册可以画出它的外围电路，电路图和PCB如下：
（2）单片机系统供电：单片机系统需要5V供电，因此需要设计降压模块。降压芯片选择是TPS54331，它是DC-DC降压芯片，可以满足需求，其电路设计如下图：
2、检测部分
预备方案有两种，一是使用K210，使用色块捕捉，通过建立模型，将色块位置变换后的数据发送给控制芯片，但经过试验后发现效果并不好，识别效果和精度都不算优秀。最终我们选择了另一种方案，使用STM32控制VL530L0x激光测距模块，将测得距离经过变换后发送至控制部分。
图1、测量任务代码框架
测试任务在定时器中断中进行，每100ms测量一次。每次测量后，先对数据进行滑动均值滤波，然后通过串口将滤波后的数据发送至控制部分，同时将数据显示到OLED屏幕上。
每次测量时会点亮板载led，用来观测程序是否正常进行。
VL530L0x有四种测量模式，默认模式能够满足需求，因此使用的是默认模式。
在测试例程的过程中，测量是放在main-while循环中进行的，测量的频率很低，后来发现最耗费时间的是模式配置，通过修改测量函数，让每次未修改测量模式时不再配置模式，提升了测量速度。
而main-while循环中进行的是OLED显示任务。OLED使用的是wouoUI框架，相比于u8g2能以更少的内存显示更有动态的画面和进行更具任务性的操作，同时封装程度更高，移植操作也更加方便。本设计中使用OLED以数字和波形显示小球位置，并且对波形显示进行了优化，使波形更加连贯和平滑。
3、控制部分
控制部分使用的是MSPM0L1306核心板，同时外接了OLED显示屏，按键以及蜂鸣器。
OLED同样使用的wouoUI框架，按键通过发送msg控制OLED完成菜单的显示。在UI框架中，不同界面会执行相应的回调函数来进行任务。
按键、串口以及位置状态控制均使用状态机思想。
对于按键，每10ms检测一次按键状态，初始状态为KEY_UP，当检测到按下时，状态转为KEY_CONFIRM；在KEY_CONFIRM状态下，再次检测到按下时，状态转为KEY_DOWN；若检测到未按下，则跳回KEY_UP，以此来完成消抖；在KEY_DOWN状态下，再通过变量cnt的累加来完成按下时间的记录，当检测到未按下时，按键状态转为KEY_RELEASE；在KEY_RELEASE状态下，根据cnt来返回短按或是长按指令，清零后再跳回KEY_UP。
图2、串口通信状态机流程
串口通信使用的是自定协议，使用状态机判断接收。数据通过验证后，会进行计算来得到小球的实际位置，然后再进行PID计算更新驱动风机的PWM占空比。小球的位置控制使用的是位置式PID算法，每更新一次目标位置（100ms周期），就会重新计算PWM_VAL，稳定小球在目标高度。
图3、控制任务流程
控制部分会一直接收并更新小球位置，小球的位置状态机在定时器中进行（100ms周期），当没有任务进行时，目标高度被设定在最低点，风机以最低转速运行；当有任务进行时，会根据小球实际位置和目标位置判断并更新任务状态，同时根据小球状态以及持续时间，蜂鸣器会以不同频率鸣叫。
4、机械结构部分
按照需求，我使用0.8mm亚克力板卷成一只透明外壳的直筒，可供小球顺利穿梭，电机通过纳米胶和塑料板粘到外壁上，再在对边固定激光测距模块，使模块大致在直筒中央。最后使用塑料薄膜完成电机和直筒之间的气密性连接。整个测距部分固定在直筒外侧，方便进行观测,并且使其和控制部分孤立开。
三、设计过程简述
在程序框架确定之后，需要解决的几个问题：
第一个是VL530L0x测得数据和实际位置的变换，同时在控制部分中，输入的目标位置对应的测得数据的转换。首先，通过手动固定小球位置，记录其在各个高度时的测量值与标定值，建立EXCEL表格，作图并求得对应函数，就完成了测得数据和实际位置的相互变换。
表1、测量距离转换为实际距离
表2、实际距离转换为测量距离
第二是PID参数的整定。通过实验，测得pwm_val等于1360左右时小球刚好离地，此时测距示数为52，在pwm_val等于1530左右时到达最顶端，测距示数为479，因此，
经过不断尝试后，确定了
在这样的PID参数下，能取得比较好的控制效果。
四、设计成果展示和优化分析
1、硬件展示
电源部分（降压模块和pd诱骗模块）
检测部分（stm32c8t6核心板和vl53l0x激光测距模块）
控制部分（msp430m0l1306套件）
硬件整体照片
2、控制效果展示
图4、Target_height = 15时的响应曲线
图5、Target_height = 20的响应曲线
图6、Target_height = 25的响应曲线
图7、Target_height = 30的响应曲线
上图为不同输入下的响应曲线，可以看到波形都非常的不错，但是很明显的是，目标位置越低（Target _height的值是相对于直管顶端的距离，因此越大，目标位置相对于地面就越低），超调量越大，这是因为积分限幅比较大，此时可以通过增大 Kp，减小积分限幅减小超调，但是实际效果不理想。这可能是因为用风力去“托起”小球的响应可能太滞后了，当 Kp较大时，会很容易出现震荡，目前的参数已经是比较不错的参数。
同时，还可以使用串级PID，增加一个对风扇转速的闭环控制，接口均已经写好，但是由于参数调整太复杂，并没有继续完善，是本设计的一个遗憾。
效果展示：
https://www.bilibili.com/video/BV1uw4m1i7Bt/
参考资料：
【1】https://www.wch.cn/products/CH224.html
USB PD受电协议芯片 CH224 数据手册 - 南京沁恒微电子股份有限公司 (wch.cn)
【2】https://www.ti.com.cn/product/cn/TPS54331
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