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TI杯最终报告 导读：西安邮电大学电子竞技大赛自动升降旗系统参赛组编号：34本小组参赛队员：周飞飞 徐乐 王喜明2012/5/27摘要本系统为一个简易的国旗自动升降模拟系统，主要由单片机STC89C52作为 自动控制升辽宁省ti杯题目西安邮电大学电子竞技大赛自动升降旗系统参赛组编号：34本小组参赛队员：周飞飞 徐乐 王喜明2012/5/27摘要本系统为一个简易的国旗自动升降模拟系统，主要由单片机STC89C52作为 自动控制升降旗系统的检测和控制核心。控制系统用直流电机作为动力拉动国旗 上升，控制国旗的自动升降。该系统也没有过多的复杂电路，主要电路为一个直 流电机驱动控制模块、键盘与显示模块、超声波测距模块。电机驱动控制模块采 用集成驱动芯片L298，控制与显示部分分别采用键盘作为控制和液晶RT1602C 作为显示，国歌演奏部分由于没有买到合适的语音芯片，用蜂鸣器代替完成，外 加一个芯片UIN2003使得语音更加清晰。测距采用超声波原理测距。基于这些完 备而可靠的硬件设计，使用了一套完善的软件编程，实现了自动升降旗的基本功 能及发挥部分的一些基本功能。关键字：直流电机 自动控制 语音 液晶显示目录第1节 系统方案论证与比较第2节 电路图框图设计第3节 系统的具体的设计第4节 测试方法与仪器第5节 测试数据及测试结果分析第6节 结果第 1 节 系统方案论证与比较1.1 设计思路本题目要求设计一自动控制升降旗系统，该系统能够自动升降旗和自动升降 半旗,能够在指定位置停止，升降旗的时间可在30120秒的范围内自行调整，升 降旗时间与国歌演奏时间相等，为43秒，且数字即时显示旗帜所在的高度和系统 时间，增设一个开关，控制是否为半旗状态。1.2 方案选择与论证1.2.1、电机的选择与论证 方案一：采用普通的直流电机。普通直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围，过载、起动、制动转矩大，易于控制，可靠性高，调速 时的能量损耗较小。方案二：采用步进电机。相对普通电机来说，他可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。 因为在本系统中需要精确的转换速度和转换时间且启停要迅速，而且180cm的旗杆要在43秒内匀速上升达顶端，就需要很快的速度约4.186cm/s. 所以在本设计中我们选择方案一。1.2.2、电机驱动方案的选择与论证 方案一：用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，可精确调整电动机的运动状态（前进，后退，左转，右转）。这种电路由于工作在管 子的饱和截至模式下，效率很高。H桥电路保证了可以简单的实现转速和方向的 控制，但不能很精确的控制步距和速度。方案二：采用集成驱动芯片L298。L298是恒压恒流双H桥集成电机芯片，利用该芯片是实现驱动步进电机的一种简单方法, 可时控制四相电机，且输出电流 可达到2A，可精确控制步距和速度，利用该方法设计的步进电机驱动系统具有 硬件结构简单、软件编程容易的特点.所以综上所述我们采用方案二。 1.2.3、显示部分方案的选择与论证方案一：采用LED数码管显示旗帜所在的高度以及升降旗所用的时间。此系 统需要用到6只LED数码管进行动态显示才可以达到要求。数码管具备数字接口， 可以很方便地和单片机系统连接，体积小，重量轻，功耗低，是亮度高，醒目， 价格便宜，寿命长；但是只能显示09的数字和一些简单的字符，电路复杂，占 用资源较多且信息量小。方案二：用1602液晶显示，其优点是能显示更多的字符，工作电流比LED小 几个数量级，故其功耗低，体积小，功耗极低、显示操作简单。基于上述考虑，所以我们选择方案二。1.2.4、测距仪的选取方案论证： 方案一：红外线测距。测距原理基本可以归结为测量光往返目标所需要的时间，然后通过 c = 299792458m/s 和大气折射率数 n 计算出距离 D 。由于直接 测量时间比较困难，通常是测定连续波的相位，称为测相式测距仪。需要注意， 测相并不是测量红外的相位，而是测量调制在红外上的信号相位。红外线测距测 量结果精确，适合精度较高的测量，但测量仪价格相对比较昂贵。方案二：激光测距。激光测距（即电磁波，其速度为 30 万公里/秒）,是通过 对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定 被测物体与测试点的距离。该测距方法精度极高，而且激光的单色性和相干性好，方向性强，通常用于高精度的计量和检测。 方案三：超声波测距。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间之差就可以知道距离了。 （超声波在空气中的传播速度为 340m/s，记录时间 t，就可以计算出发射点 距障碍物之间的距离(s)，即：s=340t/2）综合分析，对于本系统，精度要求不是很高，超声波测距仪足以满足， 而且价格相对便宜，故选择方案三，采用超声波测距。第 2 节 电路框图设计2.1 总体框图设计根据设计要求，本系统可由图2-1-1所示的几个部分组成：液晶显示 直流电机 语音电路单 片 机电源电路 键盘输入超声波测距2.2 整体程序流程图通电初始化掉电处理显示国旗先前所在高度键盘扫描 否是否有键按下是 升旗直流电机正转， 放国歌，升到顶 部 否是否降旗？半旗状态国歌响国旗上升到至顶 端，国歌停奏，国旗自动 降到三分之二处是 否降旗键？国旗从三分之二处上 升到顶部，再自动降 到底部后停止，国歌 停奏是直流电机反转将国 旗降到底部，且不 演奏国歌结束结束第 3 节 系统的具体设计3.1 系统的硬件设计本系统由单片机AT89S52作为升降旗系统的控制核心，实现键盘控制、液晶 显示及超声波测速等几个部分，即该系统主要包括电机驱动模块、键盘与显示模 块、超声波测速模块等几个部分。现分别对各模块进行分析。3.1.1、电机驱动模块 在本设计中采用集成驱动芯片L298作为电机驱动的核心，L298是恒压恒流双H桥集成电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可达到2A，驱动力很强。 因为在本设计中我们使用的是一般直流电机，所以L298完全符合要求。其电路 原理图如图3-1-1所示。3.1.2、键盘及显示模块图3-1-1 电机驱动电路在本设计中使用了三个按键，分别用来控制升降旗和升降半旗及其切换，高 度及时间的调节显示部分采用液晶1602因为在本设计中只要求显示时间与高度， 可以不用中文显示，所以1602已完全满足要求。键盘中三个键的安排，一二号键都有多种功能，三号键是功能切换。一号 键升旗，2号旗降旗。 3.1.3、超 声 波 测 速 模 块要测出发射点到旗之间的距离，只需要测出发射波和接受波之间的时间 差，因为超声波的速度已知，故其距离很容易测出。本系统中采用 HC-SR04 芯片具体实现模块功能，具体原理图如下：HC-SR04 芯片原理图3.1.4、语 音 模 块 本系统在蜂鸣器上多加一个芯片 UIN2003，使得语音更加清晰，该芯片的特点及功能如下： 该电路的特点如下： ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑 缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可 500mA， 并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还 可以在高负载电流并行运行。ULN2003 采用 DIP16 或 SOP16 塑料封装。原理图如下：3.2 系统的软件设计整个系统的主要任务是执行升降旗、时间调整、高度调整四种运动，这样系 统软件设计就可以分块完成。主程序部分，主要是查键盘，通过查键，检测应该 做什么运动，键值不同调用不同的子程序。子程序包括上、下运动、时间调整和 高度调整等。下面就按照各模块的功能写出程序流程图如下所示。3.2.1、各部分程序流程图升旗步进电机正转 国歌响国旗上升到顶N 降旗键？Y 国旗下降到底半旗国歌响国旗上升到顶 国歌停响下降到三分之二处N 降旗键？Y 国旗从三分之二处上 升到顶端，然后下降到底返回 图3-2-2 升旗处理子程序流程图返回 图3-2-2 升旗处理子程序流程图第 4 节 测试方法与仪器4.1 测试设备1、双路跟踪稳压稳流电源 2、仿真器：Multisim 10.0 破解版 3、KILE uVision2 4、EDA设计软件：Proteus 7.12完美破解版 5、UT61A数字万用表 6、TDS2012B数字示波器 7.秒表 8.米尺 9.游标卡尺4.2 测试方法1、将一定滑轮固定在高为大于180cm的支架上，将一根绳子穿过定滑轮，挂在 滑轮上，其一端放100克左右的旗帜，另一端绕在步进电机的定轴上，并将步 进电机放在支架的底端。2、一切准备工作都做好后，将180cm的距离调整好，再接通电源，进行调试。 3、对升降旗部分进行调试（按标准规定），将旗帜放到0cm处（即参考点处），按上升旗键，看国歌是否能响起，旗帜是否能在43秒中到达180cm处并停止； 按下降旗键，看国歌是否不会响起，旗帜是否能在43秒中降到0cm处并停止。第 5 节 测试数据及测试结果分析一、检测升旗运动时，是不是匀速运动，其实际位置和理论位置是否对应， 升旗43s到达180cm的位置和时间是否精确。其记录数据如表5-1所示。表5-1 升旗时间和位置测试数据记录表（位置以cm为单位，时间以s为单位）实际位置 180180180180180180所测位置 180180180180180180实际时间 434343434343实测时间二、降旗时间和位置测试 检测降旗运动时，是不是匀速运动，其实际位置和理论位置是否对应，降旗43s到达0cm的位置和时间是否精确。其记录数据如表5-2所示。 表5-2 降旗时间和位置测试数据记录表（位置以cm为单位，时间以s为单位）实际位置 000000所测位置 000000实际时间 434343434343实测时间三、高度调整测试设定不同的高度，检测所到达位置是否精确，时间是否是在按比例（即以 43s经过180cm的比例计算）所算得的时间到达。（以升旗为例）如表5-3所示表5-3 高度调整数据记录表（位置以cm为单位，时间以s为单位）实际位置 30 所测位置 30 理论时间 7.16 实测时间60 60 14.333100 100 23.8915017018015017018035.833 40.611 43上述的各项运动测试中，都存在着一定的误差，现在我们就从以下几个方面 对误差产生的原因进行分析：（1）机械制作工艺上的其他部分除了上述分析的因素外，还有诸如电机安装时的位置不合理，电机绕线时的 斜绕的问题，叠绕的问题等，都会引起最后物体运动定位精度不够的结果。（2）人为引起的误差 能很精确的读出所量得的距离，以及用秒表测试时，不能很精确的与电机 的起停时间同步。第 6 节 结论在本次比赛之前，我们以为不会难做，就像以前做物理实