自動控制升降旗系統(tǒng)1

1、自動控制升降旗系統(tǒng)參賽學校：山東電力高等?？茖W校指導老師：朱傳琴李泰岱付精誠楊露露劉源祺參賽學生：孟慶俠李德智張代玉編號：F乙15 02自動控制升降旗系統(tǒng)（F）針對題目要求，設計中提出了多個方案，通過論證選擇了利用單片機 控制電機來實現(xiàn)國旗升降的方案。本設計包括控制和電機驅動模塊、鍵盤 顯示模塊、系統(tǒng)檢測模塊、語音模塊等四部分。其中控制驅動模塊采用8031 單片機和CW220芯片，實現(xiàn)了對電機運行速度的控制，從而達到國旗 升降控制。通過8279通用鍵盤顯示板，實現(xiàn)了國旗高度跟隨顯示。系統(tǒng)測 試模塊實現(xiàn)了電機速度誤差的校正，從而保證國旗在設定時間升降。在發(fā) 揮部分利用了一個不掉電RAM保護芯片，

2、保證掉電后不丟失數(shù)據(jù)，上電后 仍顯示國旗的高度。通過鍵盤來實現(xiàn)升降國旗、半旗的切換及升降國旗的 速度調整。本設計還可通過無線遙控實現(xiàn)國旗升降控制。此外還增加數(shù)字 鐘功能，當不執(zhí)行國旗升降時能夠顯示當前的時間。經(jīng)測試，本系統(tǒng)完全達到了題目要求的各項指標，具有可靠性高，精度高，功能多樣化，響應速度快等優(yōu)點。目錄摘要21系統(tǒng)方案論證與選擇31. 1系統(tǒng)基本方案31. 2各模塊方案論證與選擇31.2.1控制模塊512 2鍵盤/顯示模塊61.2.3 電源模塊71.2.4 電機模塊81.2.5 步進電機原理91.2.6 驅動模塊102. 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)122.1 主要單元的電路設計132.1.1 電

3、源模塊的設計132.1.2 控制器模塊的設計142.1.3 電機驅動電路模塊的設計142.1.4 系統(tǒng)總圖163系統(tǒng)的軟件設計173. 1升降國旗運動子程序183.1 升半旗子程序193.2 升旗可調子程序203.3 無線電遙控子程序213.4 主程序流程圖213.5 系統(tǒng)的參數(shù)計算部分214系統(tǒng)測試224. 1測試儀器224.1 指示測試2342 1升國旗精度測試24422降國旗精度測試244.2.3顯示高度測試254.2 結論255總結25參考文附錄1主要器件清單附錄2系統(tǒng)說明摘要：本設計包括控制和電機驅動模塊、健盤顯示模塊、系統(tǒng)檢測模塊、語音模塊等四部分。其中控 制驅動模塊采用8031單

4、片機和CW 2 2 0芯片，實現(xiàn)了電機運行速度的控制，從而達到國旗升降控制。 通過8279通用鍵盤顯示板，實現(xiàn)了國旗高度跟隨顯示。系統(tǒng)測試模塊實現(xiàn)了電機速度誤差的校正，從而 保證國旗在規(guī)定時間升降。本設計還可通過無線遙控實現(xiàn)國旗升降控制。此外還增加數(shù)字鐘功能，當不執(zhí) 行國旗升降時能夠顯示當前的時間。經(jīng)測試，本系統(tǒng)具有可靠性高，精度高，響應速度快等優(yōu)點。關鍵詞：單片機控制，步進電機，鍵盤顯示Abstract: Tlie system includes control module, step motor, keyboard display module, and speech module. T

5、he control module uses 8031 microcomputer and CW-220 chip to control the speed of the motor, then the raising and lowering of the flag. The position of the flag and the risetime of the flag can be displayed on the keyboard. The flag can be raised and lowered by operating a remote contiol. In additio

6、n, a digital clock is designed to show the time when people do not raise or lower the national flag. The system is precise, stable, and quick to operation.Key words: step motor, single- chip microcomputer, keyboard display1 .系統(tǒng)方案論證與選擇1.1 系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以分為控制模塊、輸入與顯示模塊信號檢測模塊 和電機驅動模塊四個基本模塊。為實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，需

7、要對各個模塊的方 案進行論證。系統(tǒng)方框圖如下圖1 2所示：11統(tǒng)基本方塊圖1.2 各模塊方案論證與選擇1.2.1 控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器的功能是根據(jù)由鍵盤鍵值或遙控器，使電動機帶 動著旗幟升將或其它位置的停止或啟動，并滿足對計算精度的要求（因為 是開環(huán)系統(tǒng)，必須保證計算精度）使誤差不大于兩里米，能夠對由鍵盤輸 入的的數(shù)據(jù)進行精確運算，能對遙控器發(fā)出的指令快速的反映，并將其結 果輸出精確控制電機轉數(shù)來執(zhí)行不同的結果。對題目中要求的控制現(xiàn)有兩中可行方案如：方案一用硬件實現(xiàn)旗幟在頂端和在起始時防止因誤鍵帶來的錯誤結果，可在旗 桿的兩頭裝一個金屬片，當旗幟碰到金屬時就會產(chǎn)生脈沖向單片機申請中

8、斷使按其它鍵不起作用。當在0L8m內(nèi)任意位置停止，可以用一根和旗桿 相同長度的電阻絲，通過計算電阻值與高度對應的關系來實現(xiàn)。此方案可以減少編程的復雜性，但是硬件部分交復雜且不夠靈活精確度 不高。方案二用編程來控制，當旗幟到達最高點或在最底端時，通過比較計算來實現(xiàn) 單片機控制脈沖有無來避免誤操作。在01.8m內(nèi)的任意啟停則通過數(shù)據(jù)之 間的計算處理，當達到預定的值時停止脈沖。此方案靈活性高、精度高、 避免了硬件的缺陷且不受外界干擾。通過兩個方案的比較，選擇方案二比較適合。對于控制器的選擇，現(xiàn)有一可行方案如下：采用INTEL公司的8031作為系統(tǒng)控制器。單片機采用面向控制的指令 系統(tǒng)。其邏輯控制能力

9、要優(yōu)于同等級的CPU,運算方法靈活，運算功能強 大，在軟件對硬件的控制上，編程方便，自由度大，可實現(xiàn)各種算法和邏 輯控制，并且由于其功耗低、體積小，技術成熟和成本低等優(yōu)點，使其在 各個領域應用廣泛。因此可采用8031作為控制器。完全可以符合本系統(tǒng)對 數(shù)據(jù)運算的耍求。1.2.2 鍵盤/顯示模塊鍵盤顯示模塊主耍用按鍵來控制電機實現(xiàn)其功能且顯示相應的數(shù)值。可 考慮以下兩種方案。方案一使用液晶(LCD)顯示屏顯示數(shù)據(jù)以及影像穩(wěn)定不閃爍，微功耗、平 板化、無射線和電磁輻射等優(yōu)勢，可視面積大、畫面效果好、分辨率高、 抗干能力強、壽命長、被動顯示。LCD本身不發(fā)光，而是靠調制外界光進 行顯示，因此適合人的禮

10、堂習慣，不會使人眼睛疲勞，顯示信息量大等特 點。但控制芯片較為復雜，資源占用較多，其成本也高。在使用時，不能 有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護。12圖方案二使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管(LED)顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低 壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高溫，對外界環(huán)境要求低， 易于維護。在這里采用最小系統(tǒng)板中的8279可編程鍵盤/顯示器I/O接口芯 片，能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤上按下的鍵的鍵號，因而可代替徽 處理器完成對鍵盤和顯示器的控制，從而減輕了 CPU的負擔?？煞奖愕剡M 行對某位數(shù)碼管的顯示與消隱操作，采用動態(tài)顯示可減小硬件電路的規(guī)模, 減小系統(tǒng)出錯的可能性，

11、8279自身具有鎖存功能，使單片機可以方便地控 制數(shù)碼的顯示，而不必不斷輸出顯示數(shù)據(jù)，有效地解決了動態(tài)顯示占用CPU 時間較長的缺點且有自動去抖動作用。8279與MCS-51接口方便，因而 可采用此方案。1.1.1 源模塊系統(tǒng)需要多個電源，單片機需要+5V穩(wěn)壓電源，驅動電路L298N需要 +12V的電壓。可由交流220V市電通過變壓，整流濾波后由穩(wěn)壓集成電路 7805和7824提供。此外，設計的電源可用直插上，可輸出12v、1.5A電 流方便了使用。1.2.4 電機模塊電機模塊是本系統(tǒng)的重要部分，其功能是按照控制器的命令執(zhí)行電機的 正轉、反轉，暫停等動作。根據(jù)此功能，可設計兩個備選方案如下：方

12、案一使用直流電機完成本設計的功能。直流電機的驅動電路簡單，易控制。 用霍爾傳感器測量電機運行的轉數(shù)，由此轉數(shù)即可完成旗幟的上升、下降。 由單片機對霍爾傳感器輸出的脈沖信號進行計數(shù)，當計數(shù)值等于對應值（每 個電機對應的應轉的轉數(shù)）時，使對應的電機停轉。該方案方框圖1-3如 下：圖1 一 3宜流驅動系統(tǒng)圖圖1一4平衡點調試方框圖其中驅動可用圖1-5實現(xiàn)，通過U1輸入控制脈沖，即可控制電機的轉 速。使用該方案基本上可以實現(xiàn)題目要求的功能，思路是使電機的轉速較 低，不能使電機的總轉速數(shù)超過對應值。該方案優(yōu)點是電路簡單，電路性 能容易保證。但是，當物塊達到指定位置后，可根據(jù)該點位置計算得到平衡 時各電機

13、應輸入的電壓，使用PWM脈沖調制技術輸出對應占空比脈沖即 可。而對于平衡點的穩(wěn)定可通過軟件編程實現(xiàn)，具體見方框圖14。難以 實現(xiàn)對直流電機停轉的控制。考慮到實際中極有可能會有超調，在超調之 后，該方案不能進行調節(jié)，【因I此精度不易保證，平衡點有可能需要連續(xù)正 反轉，影響電機壽命，故不采取該方案。方案二采用步進電機帶動旗幟。步進電機是一種易于控制的電機，由于其良 好的性能而受到廣泛的應用。其控制方法也多種多樣。單片機控制電機具 有功能靈活多樣、慣性小、速度快、脈沖輸出準確，實時性強，搞電磁特 性和抗干擾能力強等優(yōu)點。步進電機是一種將電脈沖信號轉變成相應的角位移或線位移的電磁機 械裝置，是一種輸出

14、與輸入數(shù)字脈沖對應的增量驅動元件，具有快速啟動 和停止的能力。當負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉矩時，它就可能在 一瞬間實現(xiàn)啟動和停止。它的步矩角不受電壓波動和負載變化的影響，也 不受環(huán)境條件（如溫度、氣壓、沖擊和振動等）的影響，僅與脈沖頻率有 關。它每轉1周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不 會長期積累。步進電機還有一個特點是可以用脈沖的個數(shù)精確控制電機運 行的轉數(shù)?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)正轉、反轉、暫停。保證了運算結果的精度。在此方案中可以省去霍爾傳感器的使用，由電機運行的轉數(shù)可精確計算 得電機需轉過的距離進而確定旗幟的點位置（起始點與終點之間的若干 點）。由此即可實現(xiàn)使物塊沿預定

15、的位置移動。雖然此方案同方案一一樣都 是開環(huán)控制，但由于可以精確控制電機的運行轉數(shù)，此精度可以滿足題目 的要求。為了在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定距離的移動，可以通過提高控制脈沖 的頻率提高步進電機的運行速度，即可達到對時間的要求，該方案可取。在確定了電機的類型之后，即使用步進電機帶動旗幟，需要了解步進電 機的控制原理，以便對驅動模塊進行進一步論證。1.2.5 步進電機控制原理步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖 信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機 可分為反應式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合 式步進電機（簡稱HB）。對步進電

16、機的單片機控制系統(tǒng)中，能實現(xiàn)以下三個基本控制任務:控制換相順序：步進電機的通電換相順序要嚴格按照步進電機的工作方 式進行。也稱為脈沖分配，實現(xiàn)脈沖分配的方法有兩種：軟件法和硬件法。 控制步進電機的轉向：通過改變通電的相序來實現(xiàn)?？刂撇竭M電機的轉速: 通過脈沖頻率來實現(xiàn)。脈沖分配：軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通 過單片機的I/O 口向驅動電路發(fā)出控制脈沖。硬件法采用脈沖分配電路或 專用驅動電路，來控制通電換相。步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基 本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如:三相步進電機的三拍工作方式, 其

17、各相通電順序為A-Bc-D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控 制A,B,C, D相的通斷。(2)控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相, 則電機就反轉。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再 轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的 脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。1.2.6 驅動模塊：方案一：采用單電壓控制。單壓驅動是指電動機繞組在工作時，只采用 一個電壓源對繞組供電基本電路圖如圖：特點是電路簡單，電路中的限流 電阻R1決定了時間常數(shù)。但R1太大會使繞阻供電電流太小，電

18、動機的高 頻性能下降。在R1端并聯(lián)一個電容，可以使電流上升波形變陡。改善高 頻特性又會使低頻特性變差，同時R1要消耗電能，效率變低。1-5直流穩(wěn) 壓電源VCC輸出+12電壓，利用單片機輸出的控制脈沖，使三極管T工作 在開關狀態(tài)，其中的L是步進電機的一相繞組電感，R是外接電阻，D是 續(xù)流二極管。由Vn即可對電機輸入一控制脈沖。a圖1-5單繞組驅動電路方案二使用多個功率放大器件驅動電機通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要 求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是兩相的步進電機，就 需要對兩路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機 的功率較大時運行起來

19、會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復雜。方案三使用L298N芯片驅動步進電機L298N芯片可以驅動兩個二相電機其內(nèi)部結構（如圖16）,也可以 驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V,可以直接通過電源來調節(jié)輸 出電壓；可以直接用單片機的10 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方 便。.L298N是內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接受標準TTL 邏輯電平信號，可驅電壓46V、每相2.5A及以下的步進電機。每個橋都具 有一個能輸入端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，每 個橋的兩個橋臂低端三極管的發(fā)射極接在一起并引出，用以外接檢測電阻。它設置了一附加電源輸入端輸入端使邏輯部分在低

20、電壓下工作。圖1-6 L298N內(nèi)部邏輯電路圖方案四：采用步進電機專用驅動芯片CW-220驅動。由于步進電機對控制信號的電壓、電流要求都較高，單獨靠單片機輸出 的脈沖信號不能滿足要求，需要另外接電路，且電路較為復雜，控制信號 較多，難以實現(xiàn)準確控制。因此可考慮使用專用驅動芯片CW-220驅動器電 機。采用此方案可大大減少控制信號的數(shù)量，由于采用了專用驅動電路， 硬件接線更少，單片機控制更為方便，準確。本方案可取.+12VGND1-7CW-220接線圖2系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)系統(tǒng)硬件的基本組成部分本系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源、單片機及其外圍電路、步進電機驅動 電路、步進電機、被控旗幟、測試用的旗桿

21、、定滑輪、細繩等組成。1.2.7 單元電路的設計2.1.1電源模塊的設計電源電路為了得到較為穩(wěn)定的電壓，可由交流220V市電通過變壓，整 流濾波后由穩(wěn)壓集成電路、7805和7824提供。具體電路如卜.圖:2ND圖2-112 V電源電路2. 1. 2控制器模塊的設計控制器模塊可采用單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)，即除需要其最低要求的CPU、 ROM、RAM,、鍵盤、地址鎖存器，譯碼器等之外，只需采用兩片L298N 和兩片74LS04即可。該模塊主要用于對輸入數(shù)值和對輸出信號的處理上, 在該部分完成數(shù)據(jù)的處理。語音模塊設計：語音模塊是通過把錄制的國歌，通過放大器（共放）播放出來。為了得 到清晰的音樂，再設計中

22、采用了 AV6532E型號的錄音器，此方法簡單減少 了硬件的復雜性，、可靠性。其原2. 1. 3電機驅動電路模塊設計采用步進電機專用驅動芯片L298N驅動通過L298N構成步進電機的驅動電路，電路圖如圖24所示。通過單 片機8031的P10P15對L298N的IN1-IN4 口和ENA、ENB 口發(fā)送方波 脈沖信號，經(jīng)74LS04放大信號使電機的力矩增大。起時序圖如圖2 5 所示。6 ENA,vcc1 型 NSEB15 空NSEA5 INI7 IN210 IN312 IN4圖E-2L 2 9 8 N驅動電機圖2. 1.4系統(tǒng)總圖圖24系統(tǒng)總圖3.系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)的軟件設計采用匯編語言編程，利

23、用單片機及其外圍電路實現(xiàn)其功 能。本軟件是在windows環(huán)境下采用WAVE 6000編寫和調試的。WAVE 6000編程方便，調試過程簡單，功能強大，有跟蹤程序的執(zhí)行、設置斷點 和實時觀察內(nèi)存等基本功能，另有配合仿真器使用的部分特殊功能，使編 程與調試更為簡便。本軟件充分利用了單片機的運算功能強的特點，使系統(tǒng)在開環(huán)控制的情 況下也可以達到系統(tǒng)對精度的耍求。系統(tǒng)主耍通過控制輸出控制脈沖的個 數(shù)來精確控制物塊的位移。可完成在規(guī)定時間內(nèi)移動距離180cm,實現(xiàn)旗 幟的升降，在規(guī)定的范圍內(nèi)移動。在設計中采用模塊式編程，每一個模塊 控制著一個功能使程序條理清楚。軟件設計的主要問題是要把使步進電機的轉數(shù)

24、與旗幟上升或下降的時 間準確地對應起來，因為該系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在完成設計誤差范圍內(nèi) 計算的精度就顯得尤為重要，為了滿足精度的要求，一方面在編程計算中 采用三字節(jié)浮點數(shù)運算來提高運算精度且可方便地利用程序庫提供的子程 序進行運算。另一方面采用十個脈沖控制電機一步，盡量減少配合步進電 機的準確旋轉，即可達到較高的精度。3. 1升降國旗運動子程序將國旗從基點上升到最高點或從最高點下降到最底端時，且跟蹤顯示物 旗幟的上升高度，設定高度后.然后計算要到達該高度每個電機轉子需要運 轉的距離，并把它轉化為電機電機應轉的步數(shù),最后將程序步數(shù)轉化為應送 出脈沖的個數(shù)并輸出.子程序程序流程圖如圖：頂點實物示意

25、圖起始點程序流程圖3-1圖3. 2升半旗子程序當要使旗幟置半旗狀態(tài)時，其原理與升降旗幟基本相同，但需要在程序 里設置標志位（開始時為一）。當旗幟上升到最高點時判斷標志位的狀態(tài)為 一時反轉直到下降總長的1/3處停止，為零則停止。（其中2D是設置的標 志位）3. 3升降旗可調子程序此子程序需要改變一秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)、（HZ）,當脈沖個數(shù)多時則電 機的轉速快用的時間就少（不小與30秒）。通過鍵盤來設置時間的大小， 可用個加一（減一鍵）來實現(xiàn)步進值為一秒。3.1 4無線電遙控子程序用遙控器控制電機的快慢，是通過控制單片機的P1.4 （升國旗）、P1.5 （將國旗）。當遙控器按一鍵時，向單片機申請中斷，

26、開啟電機同時開啟演奏國歌，向下則與升國旗程序一樣。按其它鍵實現(xiàn)其它功能與之類似。3.5 主程序流程圖3-2流程圖3.6 系統(tǒng)的參數(shù)計算部分如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再 轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的 脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。步進電機步數(shù)及速度的確定方法如下：要想使步進電機按一定的速度精確地到達指定位置（角度或位移），步 進電機的步數(shù)N和延時時間DALAYA是兩個重耍的參數(shù)。前者用來控制 步進電機的精度，后者用來控制其步進的速率。步進電機步數(shù)的確定本設計采用的步進電機的步距角5為1.8°,即電機轉動一周實際

27、“走” 步數(shù)設為N,N=360/l.8=200（式 2-1）實際測量得，繞線軸周長C為4cm。確定電機要轉動的實際里程S cm后，步進電機要“走”的實際步數(shù)， 設為NSJ,NSJ=（S/C） X 200（式 2-2 ）附：轉子齒數(shù)設為Zi,由步距角（P =3600/ （MXZrXC） （式 23）C狀態(tài)系數(shù)，G轉子齒數(shù)，M相數(shù)Zr=3600/ （p XMXC） =3600/ （1.80X2X1） =100 （式 24）步進電機實際要“走”的步數(shù)，即為接收到的來自控制模塊的脈沖數(shù)人升降國旗所需的脈沖數(shù)：升國旗一秒所走的距離：Sq=H/T= 180/43= 4.186cm/s（式 25）旗桿的高度

28、，T國歌的時間1.8°所走的路程：L= (CD1.80) /360° =0.02cnVs升國旗一秒所需的脈沖數(shù)：N=Sq/L=4. 186/0.02=205 個4.系統(tǒng)測試為了檢驗系統(tǒng)的性能是否合乎要求，需耍系統(tǒng)進行測試。1 .1測試儀器測量使用的儀器設備如下表41測試儀器表序號名稱、型號及規(guī)格主要技術指標備注1H51/S仿真器南京偉 福2XJ14318OSCILLOSCPE20MHZ3XJ1631 DIGITAL0.1 Hz60 MHz4SS1791型直流穩(wěn)定電源電壓：030V由流：。2A無線電四廠5SS1792直流穩(wěn)定電源電壓：030V 電流：03A無線電四廠6POD-H8X5X仿真頭南京偉 福7HILOCK-16 米尺長度：3.5米 精度:1mmJAPAN8CW-220B步進電機9遙控器0 2000m10秒表11工具包JAPAN12J1Z-JA21-10A220240VATLASCOPCO13語音播放器0-5V4 . 2指標測試4. 2.1升國旗精度測試表4 . 2測試次數(shù)運行時間上升度143S179 cm243S181 cm343S180 cm4. 2. 2將國旗測試表43測試次數(shù)運行時間卜降距離143S180cm243S181 cm3