摘 要： 設計并實現了一個帆板自動控制系統。以32位ARM微控制器LM3S811為控制核心，在設定的模式和間距（風扇與帆板之間的距離）下，對帆板轉角的控制進行了實驗分析與討論。實驗中采用PWM技術和PID控制器來調節風扇風力的大小，從而實現對帆板轉角的實時控制。整個系統軟硬件設計合理、操作簡單方便，控制精度較高。實驗結果進一步驗證了設計方案的正確性，證實了所設計的系統具有一定的理論研究意義和實用性。
關鍵詞： LM3S811；脈沖寬度調制；PID；占空比；帆板
帆板在行駛時，其動力是風。當帆面與風向一致時，帆不受力，缺乏動力；控制帆面轉動，帆面與風有了夾角，帆面受到風力，從而驅動帆板行駛。因此，帆板行駛方向的改變是靠帆面位置的改變來實現對其的控制功能。根據以上帆板運動控制原理，自制實驗調節裝置，采用普通大功率散熱風扇提供風力，自選一定材料和厚度的帆板，設計并制作一個帆板控制系統并進行實驗分析，該控制系統的示意圖如圖1所示。圖中，θ為帆板的轉角；d為風扇與帆板轉軸之間的間距。該系統實現的功能設定為：用手轉動帆板時，能夠數字顯示帆板轉角，顯示范圍為0°～60°，分辨力為2°，絕對誤差≤5°；設定d=10 cm時，通過操作按鍵控制風力大小，使θ能夠在0°～60°內變化，并能被實時顯示；進一步地，在此條件下，要求θ在5 s內達到設定值，并實時顯示，且最大誤差5°；在d=10 cm時，通過操作按鍵控制風力大小，在10 s內使θ穩定在45°±5°內，并實時顯示θ，且測試時有聲光報警提示；間距d在7～15 cm范圍內任意選擇，通過按鍵設定帆板轉角θ，θ范圍為0°～60°，要求θ在5 s內達到設定值，并被實時顯示，同時最大誤差≤5°[1-2]。
1 系統總體設計方案
設系統以LM3S811微控制器為核心控制器件，采用了PWM技術和PID控制算法通過對直流風扇轉速大小的控制，實現了對帆板轉角的實時控制和動態顯示。系統總體結構如圖2所示。本帆板控制系統中，精密角度傳感器檢測帆板運動轉角的狀態，并將帆板的位置信息傳送給中央控制單元，中央控制單元LM3S811根據帆板位置信息和運動狀態實時調整執行機構直流電機驅動電壓的大小，從而實現對風扇風力大小的控制，最終完成對帆板運動轉角的控制與顯示。
系統上電復位后，根據按鍵輸入帆板轉角設定值，系統中央控制單元LM3S811發出啟動指令，直流電機帶動扇葉開始運轉，產生的風力驅動帆板開始轉動。其工作原理為：根據角度傳感器輸出的電壓值變化信息，經微控制器處理后發出控制指令給執行電機驅動單元，通過改變電扇風力的大小，實現對帆板運動控制的實時檢測和控制。
2 系統硬件設計
設計中，帆板采用2片15 cm×10 cm的KT板材料制成，板體輕盈，對風力的強度要求不高，可以減少對風扇力度的要求；帆板支架由三面帶有凹槽的木質框架制成，支架底座、大功率風扇均固定在透明絕緣底板上，而且木質框架外側粘有復印的刻度尺紙條，可以直觀地看到風扇和轉軸之間的距離；垂直的鋁合金框上面安裝量角器和刻度指針，根據指針可以明確地觀察到帆板轉角的大小。
系統硬件電路采用模塊化設計，主要包括：LM3S811最小系統、角度檢測電路模塊、電機驅動模塊、聲光報警電路、鍵盤液晶LCD顯示電路等。設計中分別對各個模塊進行詳細的分析制作與測試，使系統整體功能達到最佳狀態。
2.1 LM3S811最小系統電路
LM3S811是基于Cortex-M3核心的低成本高性能嵌入式系統微處理器，32位RISC高性能微控制器，工作頻率為50 MHz，內含64 KB單周期Flash和8 KB單周期訪問的SRAM，3個通用定時器模塊，1個支持SPI（串行外設接口）和Microwire的同步串行接口（SSI），多達32個通用I/O口[3-4]。該單元電路主要利用ARM實現工作模式選擇、PID調節數據存儲顯示等功能。
2.2 帆板角度檢測電路
圖3所示為帆板動作示意圖。傳感器所測的角度為α，由圖可知轉角θ=α，傳感器將被測量轉換為電壓量輸出，轉角θ與電壓的關系式為sinθ=（Vout-V0）/2；其中Vout是當前顯示的電壓值，V0是θ為0°時的電壓值。
2.4 聲光報警模塊電路
如圖6所示，聲光報警系統由蜂鳴器驅動電路和發光二極管驅動電路組成。蜂鳴器驅動電路由三極管、蜂鳴器、續流二極管和濾波電容、反相器組成，三極管在這里相當于開關，當PA4輸出低電平時三極管飽和導通，蜂鳴器發聲，發光二極管亮；當PA4輸出高電平時三極管截止，蜂鳴器停止發聲，發光二極管滅。
3 系統軟件設計
系統軟件采用模塊化程序設計，主要包括主控制程序、驅動電機子程序、角度檢測子程序、鍵盤控制子程序、PID調節子程序、液晶LCD顯示子程序等，各子程序單獨調試正確后再進行統一調試[7]。限于篇幅，僅給出主程序流程圖和PID調節子程序流程圖，分別如圖7和圖8所示。
從以上數據可知，手動測量時，分辨率可達到1°，顯示范圍為0°～60°，絕對誤差≤5°，達到設計要求。
4.2 間距10 cm時帆板轉角基本測試
將帆板和風扇的距離調整到10 cm，通過按鍵控制風扇的轉速來調整帆板的轉角，同時觀察量角器上顯示的帆板角實際值和液晶顯示器上的顯示值，記下數據。結果如表2所示。
由上表數據可知，在d=10 cm處，θ能穩定在45°±5°范圍內，θ值能實時顯示，整個過程在5 s內完成，同時有聲光提示，達到設計要求。
以LM3S811 ARM微控制器為控制核心，設計并實現了帆板的自動控制，并進行了詳細的實驗測試和數據分析；利用ARM芯片的智能控制，實現了PWM調壓和PID轉速調節，使得帆板能較快且較準確地達到設定角度，并具有較好的穩定性。系統軟件設計簡單，計算量小，測試角度誤差小，完全滿足設計要求。實驗測試數據證實了該設計具有一定的理論研究意義和實用性[7]。
參考文獻
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