摘 要： 設(shè)計并實現(xiàn)了一個帆板自動控制系統(tǒng)。以32位ARM微控制器LM3S811為控制核心，在設(shè)定的模式和間距（風(fēng)扇與帆板之間的距離）下，對帆板轉(zhuǎn)角的控制進行了實驗分析與討論。實驗中采用PWM技術(shù)和PID控制器來調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)力的大小，從而實現(xiàn)對帆板轉(zhuǎn)角的實時控制。整個系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、操作簡單方便，控制精度較高。實驗結(jié)果進一步驗證了設(shè)計方案的正確性，證實了所設(shè)計的系統(tǒng)具有一定的理論研究意義和實用性。
關(guān)鍵詞： LM3S811；脈沖寬度調(diào)制；PID；占空比；帆板
帆板在行駛時，其動力是風(fēng)。當(dāng)帆面與風(fēng)向一致時，帆不受力，缺乏動力；控制帆面轉(zhuǎn)動，帆面與風(fēng)有了夾角，帆面受到風(fēng)力，從而驅(qū)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(xiàn)對其的控制功能。根據(jù)以上帆板運動控制原理，自制實驗調(diào)節(jié)裝置，采用普通大功率散熱風(fēng)扇提供風(fēng)力，自選一定材料和厚度的帆板，設(shè)計并制作一個帆板控制系統(tǒng)并進行實驗分析，該控制系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。圖中，θ為帆板的轉(zhuǎn)角；d為風(fēng)扇與帆板轉(zhuǎn)軸之間的間距。該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能設(shè)定為：用手轉(zhuǎn)動帆板時，能夠數(shù)字顯示帆板轉(zhuǎn)角，顯示范圍為0°～60°，分辨力為2°，絕對誤差≤5°；設(shè)定d=10 cm時，通過操作按鍵控制風(fēng)力大小，使θ能夠在0°～60°內(nèi)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(nèi)達到設(shè)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(fēng)力大小，在10 s內(nèi)使θ穩(wěn)定在45°±5°內(nèi)，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(nèi)任意選擇，通過按鍵設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角θ，θ范圍為0°～60°，要求θ在5 s內(nèi)達到設(shè)定值，并被實時顯示，同時最大誤差≤5°[1-2]。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
設(shè)系統(tǒng)以LM3S811微控制器為核心控制器件，采用了PWM技術(shù)和PID控制算法通過對直流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速大小的控制，實現(xiàn)了對帆板轉(zhuǎn)角的實時控制和動態(tài)顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本帆板控制系統(tǒng)中，精密角度傳感器檢測帆板運動轉(zhuǎn)角的狀態(tài)，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(jù)帆板位置信息和運動狀態(tài)實時調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)直流電機驅(qū)動電壓的大小，從而實現(xiàn)對風(fēng)扇風(fēng)力大小的控制，最終完成對帆板運動轉(zhuǎn)角的控制與顯示。
系統(tǒng)上電復(fù)位后，根據(jù)按鍵輸入帆板轉(zhuǎn)角設(shè)定值，系統(tǒng)中央控制單元LM3S811發(fā)出啟動指令，直流電機帶動扇葉開始運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的風(fēng)力驅(qū)動帆板開始轉(zhuǎn)動。其工作原理為：根據(jù)角度傳感器輸出的電壓值變化信息，經(jīng)微控制器處理后發(fā)出控制指令給執(zhí)行電機驅(qū)動單元，通過改變電扇風(fēng)力的大小，實現(xiàn)對帆板運動控制的實時檢測和控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
設(shè)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(fēng)力的強度要求不高，可以減少對風(fēng)扇力度的要求；帆板支架由三面帶有凹槽的木質(zhì)框架制成，支架底座、大功率風(fēng)扇均固定在透明絕緣底板上，而且木質(zhì)框架外側(cè)粘有復(fù)印的刻度尺紙條，可以直觀地看到風(fēng)扇和轉(zhuǎn)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(jù)指針可以明確地觀察到帆板轉(zhuǎn)角的大小。
系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計，主要包括：LM3S811最小系統(tǒng)、角度檢測電路模塊、電機驅(qū)動模塊、聲光報警電路、鍵盤液晶LCD顯示電路等。設(shè)計中分別對各個模塊進行詳細的分析制作與測試，使系統(tǒng)整體功能達到最佳狀態(tài)。
2.1 LM3S811最小系統(tǒng)電路
LM3S811是基于Cortex-M3核心的低成本高性能嵌入式系統(tǒng)微處理器，32位RISC高性能微控制器，工作頻率為50 MHz，內(nèi)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(shè)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(xiàn)工作模式選擇、PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)角θ=α，傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電壓量輸出，轉(zhuǎn)角θ與電壓的關(guān)系式為sinθ=（Vout-V0）/2；其中Vout是當(dāng)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(tǒng)由蜂鳴器驅(qū)動電路和發(fā)光二極管驅(qū)動電路組成。蜂鳴器驅(qū)動電路由三極管、蜂鳴器、續(xù)流二極管和濾波電容、反相器組成，三極管在這里相當(dāng)于開關(guān)，當(dāng)PA4輸出低電平時三極管飽和導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲，發(fā)光二極管亮；當(dāng)PA4輸出高電平時三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲，發(fā)光二極管滅。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計，主要包括主控制程序、驅(qū)動電機子程序、角度檢測子程序、鍵盤控制子程序、PID調(diào)節(jié)子程序、液晶LCD顯示子程序等，各子程序單獨調(diào)試正確后再進行統(tǒng)一調(diào)試[7]。限于篇幅，僅給出主程序流程圖和PID調(diào)節(jié)子程序流程圖，分別如圖7和圖8所示。
從以上數(shù)據(jù)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(shè)計要求。
4.2 間距10 cm時帆板轉(zhuǎn)角基本測試
將帆板和風(fēng)扇的距離調(diào)整到10 cm，通過按鍵控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來調(diào)整帆板的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。結(jié)果如表2所示。
由上表數(shù)據(jù)可知，在d=10 cm處，θ能穩(wěn)定在45°±5°范圍內(nèi)，θ值能實時顯示，整個過程在5 s內(nèi)完成，同時有聲光提示，達到設(shè)計要求。
以LM3S811 ARM微控制器為控制核心，設(shè)計并實現(xiàn)了帆板的自動控制，并進行了詳細的實驗測試和數(shù)據(jù)分析；利用ARM芯片的智能控制，實現(xiàn)了PWM調(diào)壓和PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使得帆板能較快且較準確地達到設(shè)定角度，并具有較好的穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件設(shè)計簡單，計算量小，測試角度誤差小，完全滿足設(shè)計要求。實驗測試數(shù)據(jù)證實了該設(shè)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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