自动控制升降旗系统1

1、自动控制升降旗系统参赛学校：山东电力高等专科学校指导老师：朱传琴李泰岱付精诚杨露露刘源祺参赛学生：孟庆侠李德智张代玉编号：F乙15 02自动控制升降旗系统（F）针对题目要求，设计中提出了多个方案，通过论证选择了利用单片机 控制电机来实现国旗升降的方案。本设计包括控制和电机驱动模块、键盘 显示模块、系统检测模块、语音模块等四部分。其中控制驱动模块采用8031 单片机和CW220芯片，实现了对电机运行速度的控制，从而达到国旗 升降控制。通过8279通用键盘显示板，实现了国旗高度跟随显示。系统测 试模块实现了电机速度误差的校正，从而保证国旗在设定时间升降。在发 挥部分利用了一个不掉电RAM保护芯片，

2、保证掉电后不丢失数据，上电后 仍显示国旗的高度。通过键盘来实现升降国旗、半旗的切换及升降国旗的 速度调整。本设计还可通过无线遥控实现国旗升降控制。此外还增加数字 钟功能，当不执行国旗升降时能够显示当前的时间。经测试，本系统完全达到了题目要求的各项指标，具有可靠性高，精度高，功能多样化，响应速度快等优点。目录摘要21系统方案论证与选择31. 1系统基本方案31. 2各模块方案论证与选择31.2.1控制模块512 2键盘/显示模块61.2.3 电源模块71.2.4 电机模块81.2.5 步进电机原理91.2.6 驱动模块102. 系统的硬件设计与实现122.1 主要单元的电路设计132.1.1 电

3、源模块的设计132.1.2 控制器模块的设计142.1.3 电机驱动电路模块的设计142.1.4 系统总图163系统的软件设计173. 1升降国旗运动子程序183.1 升半旗子程序193.2 升旗可调子程序203.3 无线电遥控子程序213.4 主程序流程图213.5 系统的参数计算部分214系统测试224. 1测试仪器224.1 指示测试2342 1升国旗精度测试24422降国旗精度测试244.2.3显示高度测试254.2 结论255总结25参考文附录1主要器件清单附录2系统说明摘要：本设计包括控制和电机驱动模块、健盘显示模块、系统检测模块、语音模块等四部分。其中控 制驱动模块采用8031单

4、片机和CW 2 2 0芯片，实现了电机运行速度的控制，从而达到国旗升降控制。 通过8279通用键盘显示板，实现了国旗高度跟随显示。系统测试模块实现了电机速度误差的校正，从而 保证国旗在规定时间升降。本设计还可通过无线遥控实现国旗升降控制。此外还增加数字钟功能，当不执 行国旗升降时能够显示当前的时间。经测试，本系统具有可靠性高，精度高，响应速度快等优点。关键词：单片机控制，步进电机，键盘显示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 .系统方案论证与选择1.1 系统基本方案根据题目要求，系统可以分为控制模块、输入与显示模块信号检测模块 和电机驱动模块四个基本模块。为实现系统的功能，需

7、要对各个模块的方 案进行论证。系统方框图如下图1 2所示：11统基本方块图1.2 各模块方案论证与选择1.2.1 控制器模块根据题目要求，控制器的功能是根据由键盘键值或遥控器，使电动机带 动着旗帜升将或其它位置的停止或启动，并满足对计算精度的要求（因为 是开环系统，必须保证计算精度）使误差不大于两里米，能够对由键盘输 入的的数据进行精确运算，能对遥控器发出的指令快速的反映，并将其结 果输出精确控制电机转数来执行不同的结果。对题目中要求的控制现有两中可行方案如：方案一用硬件实现旗帜在顶端和在起始时防止因误键带来的错误结果，可在旗 杆的两头装一个金属片，当旗帜碰到金属时就会产生脉冲向单片机申请中

8、断使按其它键不起作用。当在0L8m内任意位置停止，可以用一根和旗杆 相同长度的电阻丝，通过计算电阻值与高度对应的关系来实现。此方案可以减少编程的复杂性，但是硬件部分交复杂且不够灵活精确度 不高。方案二用编程来控制，当旗帜到达最高点或在最底端时，通过比较计算来实现 单片机控制脉冲有无来避免误操作。在01.8m内的任意启停则通过数据之 间的计算处理，当达到预定的值时停止脉冲。此方案灵活性高、精度高、 避免了硬件的缺陷且不受外界干扰。通过两个方案的比较，选择方案二比较适合。对于控制器的选择，现有一可行方案如下：采用INTEL公司的8031作为系统控制器。单片机采用面向控制的指令 系统。其逻辑控制能力

9、要优于同等级的CPU,运算方法灵活，运算功能强 大，在软件对硬件的控制上，编程方便，自由度大，可实现各种算法和逻 辑控制，并且由于其功耗低、体积小，技术成熟和成本低等优点，使其在 各个领域应用广泛。因此可采用8031作为控制器。完全可以符合本系统对 数据运算的耍求。1.2.2 键盘/显示模块键盘显示模块主耍用按键来控制电机实现其功能且显示相应的数值。可 考虑以下两种方案。方案一使用液晶(LCD)显示屏显示数据以及影像稳定不闪烁，微功耗、平 板化、无射线和电磁辐射等优势，可视面积大、画面效果好、分辨率高、 抗干能力强、寿命长、被动显示。LCD本身不发光，而是靠调制外界光进 行显示，因此适合人的礼

10、堂习惯，不会使人眼睛疲劳，显示信息量大等特 点。但控制芯片较为复杂，资源占用较多，其成本也高。在使用时，不能 有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。12图方案二使用传统的数码管(LED)显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低 压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高温，对外界环境要求低， 易于维护。在这里采用最小系统板中的8279可编程键盘/显示器I/O接口芯 片，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下的键的键号，因而可代替徽 处理器完成对键盘和显示器的控制，从而减轻了 CPU的负担。可方便地进 行对某位数码管的显示与消隐操作，采用动态显示可减小硬件电路的规模, 减小系统出错的可能性，

11、8279自身具有锁存功能，使单片机可以方便地控 制数码的显示，而不必不断输出显示数据，有效地解决了动态显示占用CPU 时间较长的缺点且有自动去抖动作用。8279与MCS-51接口方便，因而 可采用此方案。1.1.1 源模块系统需要多个电源，单片机需要+5V稳压电源，驱动电路L298N需要 +12V的电压。可由交流220V市电通过变压，整流滤波后由稳压集成电路 7805和7824提供。此外，设计的电源可用直插上，可输出12v、1.5A电 流方便了使用。1.2.4 电机模块电机模块是本系统的重要部分，其功能是按照控制器的命令执行电机的 正转、反转，暂停等动作。根据此功能，可设计两个备选方案如下：方

12、案一使用直流电机完成本设计的功能。直流电机的驱动电路简单，易控制。 用霍尔传感器测量电机运行的转数，由此转数即可完成旗帜的上升、下降。 由单片机对霍尔传感器输出的脉冲信号进行计数，当计数值等于对应值（每 个电机对应的应转的转数）时，使对应的电机停转。该方案方框图1-3如 下：图1 一 3宜流驱动系统图图1一4平衡点调试方框图其中驱动可用图1-5实现，通过U1输入控制脉冲，即可控制电机的转 速。使用该方案基本上可以实现题目要求的功能，思路是使电机的转速较 低，不能使电机的总转速数超过对应值。该方案优点是电路简单，电路性 能容易保证。但是，当物块达到指定位置后，可根据该点位置计算得到平衡 时各电机

13、应输入的电压，使用PWM脉冲调制技术输出对应占空比脉冲即 可。而对于平衡点的稳定可通过软件编程实现，具体见方框图14。难以 实现对直流电机停转的控制。考虑到实际中极有可能会有超调，在超调之 后，该方案不能进行调节，【因I此精度不易保证，平衡点有可能需要连续正 反转，影响电机寿命，故不采取该方案。方案二采用步进电机带动旗帜。步进电机是一种易于控制的电机，由于其良 好的性能而受到广泛的应用。其控制方法也多种多样。单片机控制电机具 有功能灵活多样、惯性小、速度快、脉冲输出准确，实时性强，搞电磁特 性和抗干扰能力强等优点。步进电机是一种将电脉冲信号转变成相应的角位移或线位移的电磁机 械装置，是一种输出

14、与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动 和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩时，它就可能在 一瞬间实现启动和停止。它的步矩角不受电压波动和负载变化的影响，也 不受环境条件（如温度、气压、冲击和振动等）的影响，仅与脉冲频率有 关。它每转1周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不 会长期积累。步进电机还有一个特点是可以用脉冲的个数精确控制电机运 行的转数。可以方便地实现正转、反转、暂停。保证了运算结果的精度。在此方案中可以省去霍尔传感器的使用，由电机运行的转数可精确计算 得电机需转过的距离进而确定旗帜的点位置（起始点与终点之间的若干 点）。由此即可实现使物块沿预定

15、的位置移动。虽然此方案同方案一一样都 是开环控制，但由于可以精确控制电机的运行转数，此精度可以满足题目 的要求。为了在规定时间内完成规定距离的移动，可以通过提高控制脉冲 的频率提高步进电机的运行速度，即可达到对时间的要求，该方案可取。在确定了电机的类型之后，即使用步进电机带动旗帜，需要了解步进电 机的控制原理，以便对驱动模块进行进一步论证。1.2.5 步进电机控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲 信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机 可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合 式步进电机（简称HB）。对步进电

16、机的单片机控制系统中，能实现以下三个基本控制任务:控制换相顺序：步进电机的通电换相顺序要严格按照步进电机的工作方 式进行。也称为脉冲分配，实现脉冲分配的方法有两种：软件法和硬件法。 控制步进电机的转向：通过改变通电的相序来实现。控制步进电机的转速: 通过脉冲频率来实现。脉冲分配：软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通 过单片机的I/O 口向驱动电路发出控制脉冲。硬件法采用脉冲分配电路或 专用驱动电路，来控制通电换相。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基 本原理作用如下：(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式, 其

17、各相通电顺序为A-Bc-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控 制A,B,C, D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相, 则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再 转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的 脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。1.2.6 驱动模块：方案一：采用单电压控制。单压驱动是指电动机绕组在工作时，只采用 一个电压源对绕组供电基本电路图如图：特点是电路简单，电路中的限流 电阻R1决定了时间常数。但R1太大会使绕阻供电电流太小，电

18、动机的高 频性能下降。在R1端并联一个电容，可以使电流上升波形变陡。改善高 频特性又会使低频特性变差，同时R1要消耗电能，效率变低。1-5直流稳 压电源VCC输出+12电压，利用单片机输出的控制脉冲，使三极管T工作 在开关状态，其中的L是步进电机的一相绕组电感，R是外接电阻，D是 续流二极管。由Vn即可对电机输入一控制脉冲。a图1-5单绕组驱动电路方案二使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要 求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是两相的步进电机，就 需要对两路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机 的功率较大时运行起来

19、会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。方案三使用L298N芯片驱动步进电机L298N芯片可以驱动两个二相电机其内部结构（如图16）,也可以 驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输 出电压；可以直接用单片机的10 口提供信号；而且电路简单，使用比较方 便。.L298N是内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL 逻辑电平信号，可驱电压46V、每相2.5A及以下的步进电机。每个桥都具 有一个能输入端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作，每 个桥的两个桥臂低端三极管的发射极接在一起并引出，用以外接检测电阻。它设置了一附加电源输入端输入端使逻辑部分在低

20、电压下工作。图1-6 L298N内部逻辑电路图方案四：采用步进电机专用驱动芯片CW-220驱动。由于步进电机对控制信号的电压、电流要求都较高，单独靠单片机输出 的脉冲信号不能满足要求，需要另外接电路，且电路较为复杂，控制信号 较多，难以实现准确控制。因此可考虑使用专用驱动芯片CW-220驱动器电 机。采用此方案可大大减少控制信号的数量，由于采用了专用驱动电路， 硬件接线更少，单片机控制更为方便，准确。本方案可取.+12VGND1-7CW-220接线图2系统的硬件设计与实现系统硬件的基本组成部分本系统的硬件部分主要包括电源、单片机及其外围电路、步进电机驱动 电路、步进电机、被控旗帜、测试用的旗杆

21、、定滑轮、细绳等组成。1.2.7 单元电路的设计2.1.1电源模块的设计电源电路为了得到较为稳定的电压，可由交流220V市电通过变压，整 流滤波后由稳压集成电路、7805和7824提供。具体电路如卜.图:2ND图2-112 V电源电路2. 1. 2控制器模块的设计控制器模块可采用单片机最小系统实现，即除需要其最低要求的CPU、 ROM、RAM,、键盘、地址锁存器，译码器等之外，只需采用两片L298N 和两片74LS04即可。该模块主要用于对输入数值和对输出信号的处理上, 在该部分完成数据的处理。语音模块设计：语音模块是通过把录制的国歌，通过放大器（共放）播放出来。为了得 到清晰的音乐，再设计中

22、采用了 AV6532E型号的录音器，此方法简单减少 了硬件的复杂性，、可靠性。其原2. 1. 3电机驱动电路模块设计采用步进电机专用驱动芯片L298N驱动通过L298N构成步进电机的驱动电路，电路图如图24所示。通过单 片机8031的P10P15对L298N的IN1-IN4 口和ENA、ENB 口发送方波 脉冲信号，经74LS04放大信号使电机的力矩增大。起时序图如图2 5 所示。6 ENA,vcc1 型 NSEB15 空NSEA5 INI7 IN210 IN312 IN4图E-2L 2 9 8 N驱动电机图2. 1.4系统总图图24系统总图3.系统的软件设计系统的软件设计采用汇编语言编程，利

23、用单片机及其外围电路实现其功 能。本软件是在windows环境下采用WAVE 6000编写和调试的。WAVE 6000编程方便，调试过程简单，功能强大，有跟踪程序的执行、设置断点 和实时观察内存等基本功能，另有配合仿真器使用的部分特殊功能，使编 程与调试更为简便。本软件充分利用了单片机的运算功能强的特点，使系统在开环控制的情 况下也可以达到系统对精度的耍求。系统主耍通过控制输出控制脉冲的个 数来精确控制物块的位移。可完成在规定时间内移动距离180cm,实现旗 帜的升降，在规定的范围内移动。在设计中采用模块式编程，每一个模块 控制着一个功能使程序条理清楚。软件设计的主要问题是要把使步进电机的转数

24、与旗帜上升或下降的时 间准确地对应起来，因为该系统是一个开环系统，在完成设计误差范围内 计算的精度就显得尤为重要，为了满足精度的要求，一方面在编程计算中 采用三字节浮点数运算来提高运算精度且可方便地利用程序库提供的子程 序进行运算。另一方面采用十个脉冲控制电机一步，尽量减少配合步进电 机的准确旋转，即可达到较高的精度。3. 1升降国旗运动子程序将国旗从基点上升到最高点或从最高点下降到最底端时，且跟踪显示物 旗帜的上升高度，设定高度后.然后计算要到达该高度每个电机转子需要运 转的距离，并把它转化为电机电机应转的步数,最后将程序步数转化为应送 出脉冲的个数并输出.子程序程序流程图如图：顶点实物示意

25、图起始点程序流程图3-1图3. 2升半旗子程序当要使旗帜置半旗状态时，其原理与升降旗帜基本相同，但需要在程序 里设置标志位（开始时为一）。当旗帜上升到最高点时判断标志位的状态为 一时反转直到下降总长的1/3处停止，为零则停止。（其中2D是设置的标 志位）3. 3升降旗可调子程序此子程序需要改变一秒钟发出的脉冲数、（HZ）,当脉冲个数多时则电 机的转速快用的时间就少（不小与30秒）。通过键盘来设置时间的大小， 可用个加一（减一键）来实现步进值为一秒。3.1 4无线电遥控子程序用遥控器控制电机的快慢，是通过控制单片机的P1.4 （升国旗）、P1.5 （将国旗）。当遥控器按一键时，向单片机申请中断，

26、开启电机同时开启演奏国歌，向下则与升国旗程序一样。按其它键实现其它功能与之类似。3.5 主程序流程图3-2流程图3.6 系统的参数计算部分如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再 转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的 脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。步进电机步数及速度的确定方法如下：要想使步进电机按一定的速度精确地到达指定位置（角度或位移），步 进电机的步数N和延时时间DALAYA是两个重耍的参数。前者用来控制 步进电机的精度，后者用来控制其步进的速率。步进电机步数的确定本设计采用的步进电机的步距角5为1.8°,即电机转动一周实际

27、“走” 步数设为N,N=360/l.8=200（式 2-1）实际测量得，绕线轴周长C为4cm。确定电机要转动的实际里程S cm后，步进电机要“走”的实际步数， 设为NSJ,NSJ=（S/C） X 200（式 2-2 ）附：转子齿数设为Zi,由步距角（P =3600/ （MXZrXC） （式 23）C状态系数，G转子齿数，M相数Zr=3600/ （p XMXC） =3600/ （1.80X2X1） =100 （式 24）步进电机实际要“走”的步数，即为接收到的来自控制模块的脉冲数人升降国旗所需的脉冲数：升国旗一秒所走的距离：Sq=H/T= 180/43= 4.186cm/s（式 25）旗杆的高度

28、，T国歌的时间1.8°所走的路程：L= (CD1.80) /360° =0.02cnVs升国旗一秒所需的脉冲数：N=Sq/L=4. 186/0.02=205 个4.系统测试为了检验系统的性能是否合乎要求，需耍系统进行测试。1 .1测试仪器测量使用的仪器设备如下表41测试仪器表序号名称、型号及规格主要技术指标备注1H51/S仿真器南京伟 福2XJ14318OSCILLOSCPE20MHZ3XJ1631 DIGITAL0.1 Hz60 MHz4SS1791型直流稳定电源电压：030V由流：。2A无线电四厂5SS1792直流稳定电源电压：030V 电流：03A无线电四厂6POD-H8X5X仿真头南京伟 福7HILOCK-16 米尺长度：3.5米 精度:1mmJAPAN8CW-220B步进电机9遥控器0 2000m10秒表11工具包JAPAN12J1Z-JA21-10A220240VATLASCOPCO13语音播放器0-5V4 . 2指标测试4. 2.1升国旗精度测试表4 . 2测试次数运行时间上升度143S179 cm243S181 cm343S180 cm4. 2. 2将国旗测试表43测试次数运行时间卜降距离143S180cm243S181 cm3