摘 要： 設計并實現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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(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為帆板的轉角；d為風扇與帆板轉軸之間的間距。該系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)總體設計方案
設系統(tǒng)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(tài)顯示。系統(tǒng)總體結構如圖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根據帆板位置信息和運動狀態(tài)實時調整執(zhí)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(tǒng)上電復位后，根據按鍵輸入帆板轉角設定值，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，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(fā)出控制指令給執(zhí)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(tǒng)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(tǒng)硬件電路采用模塊化設計，主要包括：LM3S811最小系統(tǒng)、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(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(jié)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(tǒng)由蜂鳴器驅動電路和發(fā)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(xù)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(fā)聲，發(fā)光二極管亮；當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)軟件設計
系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)一調試[7]。限于篇幅，僅給出主程序流程圖和PID調節(jié)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(wěn)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(jié)，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(wěn)定性。系統(tǒng)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
[1] 寧秋平.基于AVR單片機帆板控制系統(tǒng)的設計[J].世界電子元器件，2012（12）：51-53.
[2] 崔鳴，尚麗.基于ARM的帆板控制系統(tǒng)設計與實驗分析[J].實驗室研究與探索，2012，9（1）：57-90.
[3] Luminary Micro Co. Ltd.LM3S811Microcontroller DataSheeet[EB/OL]．[2011-07-20]http：//focus.ti．com.cn/cn/docs/prod/folders/print/lm3s811.html.
[4] [英]姚文詳．ARMCortex-M3權威指南[M]．宋巖譯．北京：北京航空航天大學出版社，2009.
[5] 王效華，牛思先．基于單片機PWM控制技術的實現[J]．武漢理工大學學報，2010，32（1）：94-98．
[6] 李繁，曾煉成，嚴劍.基于LM3S811的時間觸發(fā)多任務調度器設計[J].計算機與現代化，2011（12）.