摘 要：设计并实现了一个帆板自动控制系统。以32位ARM微控制器LM3S811为控制核心，在设定的模式和间距（风扇与帆板之间的距离）下，对帆板转角的控制进行了实验分析与讨论。实验中采用PWM技术和PID控制器来调节风扇风力的大小，从而实现对帆板转角的实时控制。整个系统软硬件设计合理、操作简单方便，控制精度较高。实验结果进一步验证了设计方案的正确性，证实了所设计的系统具有一定的理论研究意义和实用性。
关键词：LM3S811；脉冲宽度调制；PID；占空比；帆板
帆板在行驶时，其动力是风。当帆面与风向一致时，帆不受力，缺乏动力；控制帆面转动，帆面与风有了夹角，帆面受到风力，从而驱动帆板行驶。因此，帆板行驶方向的改变是靠帆面位置的改变来实现对其的控制功能。根据以上帆板运动控制原理，自制实验调节装置，采用普通大功率散热风扇提供风力，自选一定材料和厚度的帆板，设计并制作一个帆板控制系统并进行实验分析，该控制系统的示意图如图1所示。图中，θ为帆板的转角；d为风扇与帆板转轴之间的间距。该系统实现的功能设定为：用手转动帆板时，能够数字显示帆板转角，显示范围为0°～60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°；设定d=10 cm时，通过操作按键控制风力大小，使θ能够在0°～60°内变化，并能被实时显示；进一步地，在此条件下，要求θ在5 s内达到设定值，并实时显示，且最大误差5°；在d=10 cm时，通过操作按键控制风力大小，在10 s内使θ稳定在45°±5°内，并实时显示θ，且测试时有声光报警提示；间距d在7～15 cm范围内任意选择，通过按键设定帆板转角θ，θ范围为0°～60°，要求θ在5 s内达到设定值，并被实时显示，同时最大误差≤5°[1-2]。
1 系统总体设计方案
设系统以LM3S811微控制器为核心控制器件，采用了PWM技术和PID控制算法通过对直流风扇转速大小的控制，实现了对帆板转角的实时控制和动态显示。系统总体结构如图2所示。本帆板控制系统中，精密角度传感器检测帆板运动转角的状态，并将帆板的位置信息传送给中央控制单元，中央控制单元LM3S811根据帆板位置信息和运动状态实时调整执行机构直流电机驱动电压的大小，从而实现对风扇风力大小的控制，最终完成对帆板运动转角的控制与显示。
系统上电复位后，根据按键输入帆板转角设定值，系统中央控制单元LM3S811发出启动指令，直流电机带动扇叶开始运转，产生的风力驱动帆板开始转动。其工作原理为：根据角度传感器输出的电压值变化信息，经微控制器处理后发出控制指令给执行电机驱动单元，通过改变电扇风力的大小，实现对帆板运动控制的实时检测和控制。
2 系统硬件设计
设计中，帆板采用2片15 cm×10 cm的KT板材料制成，板体轻盈，对风力的强度要求不高，可以减少对风扇力度的要求；帆板支架由三面带有凹槽的木质框架制成，支架底座、大功率风扇均固定在透明绝缘底板上，而且木质框架外侧粘有复印的刻度尺纸条，可以直观地看到风扇和转轴之间的距离；垂直的铝合金框上面安装量角器和刻度指针，根据指针可以明确地观察到帆板转角的大小。
系统硬件电路采用模块化设计，主要包括：LM3S811最小系统、角度检测电路模块、电机驱动模块、声光报警电路、键盘液晶LCD显示电路等。设计中分别对各个模块进行详细的分析制作与测试，使系统整体功能达到最佳状态。
2.1 LM3S811最小系统电路
LM3S811是基于Cortex-M3核心的低成本高性能嵌入式系统微处理器，32位RISC高性能微控制器，工作频率为50 MHz，内含64 KB单周期Flash和8 KB单周期访问的SRAM，3个通用定时器模块，1个支持SPI（串行外设接口）和Microwire的同步串行接口（SSI），多达32个通用I/O口[3-4]。该单元电路主要利用ARM实现工作模式选择、PID调节数据存储显示等功能。
2.2 帆板角度检测电路
图3所示为帆板动作示意图。传感器所测的角度为α，由图可知转角θ=α，传感器将被测量转换为电压量输出，转角θ与电压的关系式为sinθ=（Vout-V0）/2；其中Vout是当前显示的电压值，V0是θ为0°时的电压值。
2.4 声光报警模块电路
如图6所示，声光报警系统由蜂鸣器驱动电路和发光二极管驱动电路组成。蜂鸣器驱动电路由三极管、蜂鸣器、续流二极管和滤波电容、反相器组成，三极管在这里相当于开关，当PA4输出低电平时三极管饱和导通，蜂鸣器发声，发光二极管亮；当PA4输出高电平时三极管截止，蜂鸣器停止发声，发光二极管灭。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化程序设计，主要包括主控制程序、驱动电机子程序、角度检测子程序、键盘控制子程序、PID调节子程序、液晶LCD显示子程序等，各子程序单独调试正确后再进行统一调试[7]。限于篇幅，仅给出主程序流程图和PID调节子程序流程图，分别如图7和图8所示。
从以上数据可知，手动测量时，分辨率可达到1°，显示范围为0°～60°，绝对误差≤5°，达到设计要求。
4.2 间距10 cm时帆板转角基本测试
将帆板和风扇的距离调整到10 cm，通过按键控制风扇的转速来调整帆板的转角，同时观察量角器上显示的帆板角实际值和液晶显示器上的显示值，记下数据。结果如表2所示。
由上表数据可知，在d=10 cm处，θ能稳定在45°±5°范围内，θ值能实时显示，整个过程在5 s内完成，同时有声光提示，达到设计要求。
以LM3S811 ARM微控制器为控制核心，设计并实现了帆板的自动控制，并进行了详细的实验测试和数据分析；利用ARM芯片的智能控制，实现了PWM调压和PID转速调节，使得帆板能较快且较准确地达到设定角度，并具有较好的稳定性。系统软件设计简单，计算量小，测试角度误差小，完全满足设计要求。实验测试数据证实了该设计具有一定的理论研究意义和实用性[7]。
参考文献
[1] 宁秋平.基于AVR单片机帆板控制系统的设计[J].世界电子元器件，2012（12）：51-53.
[2] 崔鸣，尚丽.基于ARM的帆板控制系统设计与实验分析[J].实验室研究与探索，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]姚文详．ARMCortex-M3权威指南[M]．宋岩译．北京：北京航空航天大学出版社，2009.
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[6] 李繁，曾炼成，严剑.基于LM3S811的时间触发多任务调度器设计[J].计算机与现代化，2011（12）.