F题 自动控制升降旗系统实验报告.doc

2006年山东省大学生电子设计竞赛实验报告自动控制升降旗系统编号： F 甲 1037 设计者： 黄长伟、刘艳珍、孙静静 参赛单位： 山东大学控制学院 指导教师： 姚福安 万鹏 时 间： 2006年9月 目录一、方案论证31、总体方案论证32、供电电源部分4（1）方案一4（2）、方案二4（3）、方案三43、驱动电路部分5（1）、方案一5（2）、方案二6（1）、方案一6（2）、方案二761 控制电路762 声音装置863控制方式8（1）、方案一8（1）、方案二87、人机界面871 键盘接口872 无线遥控973 显示接口108、软件设计方案10方案一 ：采用闭环控制10方案二 ：采用开环控制102.1、系统的基本结构112.2系统硬件设计112.2.1系统电源电路122.2.2单片机最小系统板122.2.5大功率直流电压源132.3系统软件设计13三、调试141、硬件调试142软件调试16四、指标测试171、测试仪器172、指标测试172.1 误差范围：172.2负载改变时的性能测试：182.3 误差分析：19五、结 论19六、结束语21七、参考文献21自动控制升降旗系统摘要：本设计采用步进电机实现高精度控制国旗的升降和国歌的演奏，系统以89S52单片机为控制核心，通过电流放大电路驱动电机，带动国旗升降，再通过旗杆上的传感器进行精确定位，实现一种宽范围、高精度、低振荡、带负载能力强的控制系统。该系统可以利用键盘进行预置、调整高度和时间，并且可以实现无线遥控国旗的升降和升降半旗，且输出值能通过LCD液晶显示。并且可通过I2C总线与PC单片机进行通讯，实现远程控制。关键词：步进电机 精确定位 高精度 远程控制Abstract:The design can realize precise control of the rising or descending of the national flag and the recital of the national anthem. The 89S52 role as the core control component in the system. The stepper motor which is drivered by the current amplifier circuit transmits the national flag from bottom to top. The flag can be accurately positioned by the sensor adhesived on the flagpole, forming a wide range,hign precision, low oscillation, good Load capacity system. We can preset or modify the height and time through the keyboard. And can also realize Wireless Remote Control of the rising ,descending of the flag. The output can be showed on the LED and LCD.This system can communicate with the SCM through I2C Bus, achieving remote control.Keywords: stepper motor accurate positioning high precision remote control一、方案论证1、总体方案论证基于设计要求，我们可以采用的控制方案有开环控制和闭环控制两种方式；可以采用的电机有普通电机和步进电机两种，而可采用的步进电机又有三相六拍和四相八拍两种；可以采用的单片机控制芯片主要有8位的89S52和凌阳芯片。为满足本系统控制方便且控制精度高的要求，综合考虑，我们用四相八拍的步进电机和8位的89S52单片机，软件上实时对步进电机转动距离进行监控，最大限度地保证步进电机运行的稳定性和准确性。基本系统框图如下。单片机89S52键盘模块显示模块电机驱动电路步进电机无线控制音乐播放位置检测数据存储串行通讯89S52 高度显示图1 系统整体方案2、供电电源部分在设计电源和选择器件的时候，应该考虑电源的驱动能力，抗干扰能力和精确度。 （1）方案一 设计步进电机供电电源电路，通常可以直接使用大功率电源。但大功率电源一般都很昂贵，且有体积大，不便移动的缺点。基于设计要求，不宜采用此方案。（2）、方案二设计步进电机供电电路，首先应该考虑输出电流能驱动电机，另外由于本设计应用了继电器开关，继电器的浪涌电压干扰也是应该考虑的。基于以上问题,最新研制出的地漏电流的电压线性调整器，简称LDO满足抗干扰的要求，并且可以提供精确电流，但是成本过高。不宜采用此方案。（3）、方案三考虑到设计要求，步进电机控制电压要求在5伏左右，但在单片机应用系统中，往往需要多种直流电压，比如+5V,+12V。为了方便系统的扩展，我们做了+5V,+12V的直流电源。普通集成稳压器是常用器件，价格合理，适于作为实验室条件下系统设计的电源。此处采用CW7805，CW7812,CW7905和CW7912作为集成稳压器，这些稳压器使用电流限制、热关断和安全区补偿技术，使它们在工作条件下非常稳定可靠。如果采用合适的散热器，它们的输出电流可以超过0.5安。可以满足本设计电源要求。故采用此方案 (如下图所示) 图2 电源电路注：+12V的电源设计同上所示，只要把CW7805,CW7905分别换成CW7812，CW7912即可。3、驱动电路部分（1）、方案一利用9012、2SC8050、及电机构成驱动电路。如果单片机89C52控制口P1.7输出高电平，9012截止，2SC8050截止，电机停止运转。单片机89C52控制口P1.7输出低电平时，9012导通，2SC8050导通，电机开始运转。该电路比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极管性能非常稳定。但该方案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离，而电动机在切换时会产生巨大的反电动势，经常烧坏单片机。所以此方案不合适。（2）、方案二如下图所示，采用此方案电路连接简单，仅需要价格低廉的C9013三极管和IRF640场效应管即可完成，且效果不错。输出电压可满足步进电机对控制电流的要求。如果基准电压源的输出稳定性高，得到的驱动电路电流输出稳定度也会较高。而且在此电路中单片机部分与电机供电部分由二极管保护，使单片机不致被烧坏。故采用此方案比较合适。图3 电机驱动电路其中MOTOR的脚1至脚4是步进电机的A相,B相,C相,D相。4 、精确定位部分国旗上升时重力会加大传送带阻力，使传送误差减小，而下降时重力则会使国旗下降距离超过步进电机转动距离，产生误差。如此循环往复，则误差累计，国旗顶端和底端的位置不断变化。为了克服国旗下降时的重力作用导致的距离误差，需要对国旗底端的位置进行精确定位，以克服每次的误差累积。（1）、方案一在带动国旗上升或下降的拉绳两端负载相同重量的物品，以克服单侧物品重力导致的下降误差。此方法非常简单，但会加重步进电机的负担，使其多做很多无用功，耗费能量也多。且国旗的定位不够精确，误差仍然比较大。不宜采用此方案。（2）、方案二 在旗子底端加一个霍耳元件，在旗杆底端安装一个霍耳传感器，当国旗下降到底端的时候霍耳传感器会接到一个跳变信号送到单片机产生中断，在中断程序中使电机停止转动 。此方案虽使下降时间与上升时间相比有一点误差，但能保证国旗位置精确，且安装使用方便。我们在本系统中就采用此方案。 5、寄存器部分为了使国旗的位置在断电后再上电时能够显示出来，需要将国旗的确切位置用寄存器存储起来，等到上电时再读出来，以方便操控电机的下一步动作使国旗上升或下降。同时也记录断电前的设定值。（1）、方案一使用单片机中的内部存储器进行存储，可方便快速的进行，节约时间，但是此方案太占用内存，且断电数据不能保存，不宜采用。（2）、方案二使用24c02芯片与单片机连接，对国旗的位置进行实时存储，这样相当于扩大了单片机的外部存储空间，串行E2PROM是基于I2C-BUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不挥发等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。虽然占用时间多一点，但方便灵活，适宜在小系统中和试验室中使用。CPU不仅能通过指令将该功能单元电路挂上或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。可采用此方案。24c02与单片机连接电路如下所示：图4 24c02存储电路与单片机连接图6、声音控制部分61 控制电路 主要器件为继电器及其外围电路元件，电路图如下所示：图5 继电器电路62 声音装置 ISD AC0517芯片具有声音存储和播放功能，存储的声音播放时间最长可达两分钟，而国歌时间长度为43秒，完全满足要求。63控制方式国旗的上升需伴随着国歌的演奏，二者必须同步开始和停止。（1）、方案一 国旗的上升和国歌的演奏单独控制，在按下上升键的同时按下继电器开关使音乐开始播放。此方案很难达到同步，并且若两个按键不在相近位置的话，单个人无法控制。所以不宜采用此方案。（1）、方案二使用继电器控制国歌的播放。通过将继电器开关与单片机连接，在启动上升键后，在上升程序开始给继电器一个控制脉冲，使音乐开始播放。经检验，二者同步性非常好，误差几乎为零。所以采用此方案。7、人机界面71 键盘接口Intel 8279芯片是一款比较成熟的键盘与LED接口芯片，能同时控制64个按键和8个LED，40引脚。但是它需要8根数据线和其他一些控制线，对单片机来说其占用的资源较多。ZLG7289也是一个键盘与LED接口芯片，也能同时控制64个按键和8个LED，是具有SPI总线的28引脚芯片，同8279相比其具有的优势就是其外围电路简单，占用口线较少，操作简便，所以在系统中我们选用的是这个芯片，以便节省单片机资源。7289与键盘连接电路图如下：图6 7289电路图72 无线遥控 自动控制升降旗系统采用PT2262无线收发装置与PC机进行通讯，实现远程遥控升降旗和停止功能。单片机最小系统通过I2C总线与接收信号装置进行通信，根据接收的数据，采取相应的动作对电机进行相应的控制，实现了远程控制。 无线收发装置电路连接图如下所示：信号发送装置信号接收装置P3.0 单P3.1 片P3.5 机图7 无线遥控电路73 显示接口ZLG7289 本身就可以管理八个LED数码管，但是数码管符号给人一种很机械的感觉，能显示的信息量有限，不能满足该设计的需要。此处我们选用了内部自带字库的OCM4X8C液晶显示块，最多每行显示8个汉字，每屏四行显示。这种显示方式给人一种非常友好的界面。我们用液晶显示控制状态和预设值，仅使用LED显示当前旗帜高度。液晶模块与单片机连接图如下所示：液晶模块P0P1.2单片机P1.5 P1.7 图8 LCD电路8、软件设计方案本系统软件上可采用开环控制方式，也可采用闭环控制方式。方案一 ：采用闭环控制用键盘将设定的距离和时间输入单片机后确认，经液晶显示，驱动步进电机运行。系统软件设计中实时对国旗高度进行存储，占用时间很多，若采用闭环控制，则需实时对电机状态进行监控，耗费时间更多，步进电机本身稳定性已经很高，完全满足试验要求，采用闭环控制完全没必要，且会增加实验程序的长度，加重单片机的负担。方案二 ：采用开环控制自动控制升降旗系统硬件上采用步进电机带动国旗升降，步进电机具有快速起停、精确步进以及直接接收数字量的特点，完全满足本系统的设计要求。只要电机的软件控制参数设置准确，在开环控制下，就可以简单控制，且精度和系统稳定性较好。本系统软件设计采用此方案。 二、系统硬件组成及原理分析2.1、系统的基本结构单片机89S52键盘模块显示模块电机驱动电路步进电机无线控制音乐播放位置检测数据存储串行通讯89S52 高度显示图9 系统硬件示意图通过CPU来控制步进电机转动，利用步进电机的快速起停、精确步进、直接接收数字量的优点，带动国旗升降。软件上利用参数设置实现对电机转动圈数和时间的精确控制，这种方法设计的步进电机在稳定性、抗干扰能力以及控制要求等方面都能达到目标。但要注意参数的选择的合理性，以免引起步进电机的振荡，导致系统的不稳定！本软件中的参数经过多次实验所得，满足实验要求。系统的控制过程为：利用89S52单片机将被预置的距离值和时间值通过软件换算转换成步进电机步长和拍数，通过调用子程序调整步进电机的运行，并驱动显示电路显示当前的预置值、时间值和当前位置及状态等，同时判断是否为半旗状态，并根据此判断控制晶体管的亮灭。为了实现PC对电机的控制，我们在此处用C语言编写了管理软件，可以进行实时的通讯管理。单片机最小系统通过无线收发装置与控制器进行通信，根据接收的数据，采取相应的动作对步进电机进行相应的调控，实现了远程控制。2.2系统硬件设计本自动控制升降旗系统由系统电源电路、单片机最小系统板（包含液晶模块）、键盘（包含LED模块）、步进电机电路、电机驱动电路、外围电路（包括声音装置和无线控制）等组成。其结构图如下所示：系统电源键盘ZLG7289LED和LCD 显示块步进电机驱动电路步进电机 MCU AT89S52外围电路图 10 系统硬件示意图2.2.1系统电源电路本部分主要由小功率电源组成，包含+5V，+12V两部分，主要为控制电路提供电源。2.2.2单片机最小系统板利用与步进电机连接，实现一种可灵活调节、高精度、抗干扰能力强的自动控制电路。本部分是控制系统的核心所在，是MCU的一些基本的外围电路，其中包含液晶电路的数据通道，扩展存储器，时钟芯片，系统的扩展接口等等。在其中包含了I2C总线接口部件，可以作为掉电保护的重要存储器。但是在本系统中为了节省一些口线，掉电保护中我们选用了同62256完全兼容的24c02存储器，它可以将数据在掉电时保存完好。2.2.3键盘与显示电路使用ZLG7289管理24个按键和8个LED，其与单片机最小系统板有六根接线（其中包含VCC和GND）（见图6）。我们使用LED显示当前高度，使用LCD显示预设时间和高度值。在自动控制升降旗系统中，我们给每个按键定义的功能如下表所示。表格 1 按键功能定义表+100s+10s+1s标志位+1000mm+100mm+10mm+1mm上升下降确认2.2.4 外围电路与控制板这是步进电机的核心电路板。其中包含驱动电路及其外围配合电路组成的控制电路。结构图如图9所示。2.2.5大功率直流电压源该电压源主体是一个50W 的大功率变压器经整流滤波做成的+12V和+5V的直流电压源。主要为步进电机提供控制电压。输出电压中脉冲和噪声成分小，转换效率高，稳定效果好。2.3系统软件设计系统软件流程图如下图所示： 主要完成这几大功能：（1）系统的初始化，包括外围接口电路的初始化、步进电机的起始值的初始化或者掉电后重新加电时的初始化；（2）键盘检测，实现人机交互的重要部分，以便实现给定值或步进调整等，控制作用也可以通过PC机完成；（3）通过软件设置调整步进，实现步进电机运行的精确控制。本系统中，利用软件计算将步进电机的控制参数转化为步进电机可直接接收的数字量，通过改变设定值来改变传送给步进电机的数字量，从而改变步进电机的转动速度。具体控制过程为： 单片机通过ZLG7289 芯片读出设定值 ，然后进行换算，得出可控制步进电机的数字量 ，通过电机驱动电路驱动电机运行，同时带动国旗运动。步进电机的参数如下：齿距角：Qz2/ZZ-转子的齿数转子的齿数为150，则齿距角为Qz2/1501.8步距角转子走一步所转过的角度步距角：QnQz/N2/NZN-步进电机工作拍数步进电机转速：n60f/NZ（转/分）；f脉冲频率（Hz）步进电机为四相八拍运行状态时：电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-BA-A时为反转。 N=8 步距角：QnQz/N2/NZ360/8*1500.3 则步进电机转一圈所需步进数：360/0.31200（步进数）设定值包括时间和高度，其换算关系如下：t:设定时间 step:步数 high:高度(mm) step_per_mm:步/毫米 step=high*step_per_mm其中step_per_mm是多次试验得出的数值，经实际检验该数值误差满足设计要求。在程序中直接给定该数值。装入计数器的数值=65535-（t/step）/(12/晶振频率)三、调试1、硬件调试根据方案设计的要求，调试过程共分为三大部分：1硬件调试，2软件调试，3软硬件联调。系统按模块调试，各模块逐个调试通过后再联调。模拟电路部分要首先将计算好的电阻，电容等参数，通过试验板调试看看是否合适。然后看看每个模块能否正常工作，最后将各个模块连成一个系统。试验过程中一定要注意电压的范围、变化等，以免烧毁芯片。注意在断电后再拔插连线，以保护电路。（1）89s52单片机系统调试 系统中89s52单片机使用石英晶体振荡器，振荡周期稳定。将一个简单的小程序写入单片机，让单片机试运行，一切正常。 晶振电路图为：图11 晶振电路（2）键盘和显示调试首先检查芯片外围电路，然后根据自己的硬件连接图编写程序，写入单片机，再将键盘模块和液晶模块与单片机连接起来，让程序运行进行调试。 发现问题如下：若使用键盘则液晶不能正常显示，原因是液晶与键盘复用了单片机的两根口线，将键盘的控制线转移后问题解决。通过试验确定键值如下： 按键键值表654321071413121110 9815222120 19 18 17 16 23（3）步进电机驱动电路调试经检查无误后通电，但发现原来电路存在以下的主要问题： 原来使用的LM324的温度漂移很严重，将其变成IRF640后漂移现象明显消失。（4）传感器电路调试经检查无误后通电，发现问题及解决方法如下： 霍耳元件下降到霍耳传感器部位时，二者若不能正面相对则传感器不起作用，为保证信号的正确传输，我们将三个霍耳元件在不同方位连到一起，到达霍耳传感器位置时，总有一个可以与传感器通信，保证国旗到达底端时步进电机停止转动。（5）寄存器电路调试 经检查连线正确后通电，通过单片机将设定数值写入寄存器，关掉电源后再上电时，寄存器中保存的数值读出，经液晶模块显示，一切正常。但是无论怎样调整参数，电机转动速度始终很慢，无法满足实验要求。原因是单片机进行实时存储与显示耗时太多，为此我们使用两片单片机进行串口通讯，使从机专门进行数据的实时存储与显示。问题解决。（6）继电器启动电路调试 经检查无误后通电，发现问题如下： 继电器有效启动信号为上升沿脉冲，与MCU连接后，按下复位键继电器也启动，将其通过一个非门与MCU连接，则可以消除复位干扰。（7）无限收发电路调试经检查无误后通电，信号接收良好，满足实验要求。为求美观，我们将控制端进行了包装，与遥控器无异。（8）动力传送装置调试经检查无误后通电，但发现原来电路存在以下的主要问题： 传送带摩擦力不够大，导致传送距离小于步进电机转动的距离，使负载不能到达指定位置。将传送带换为摩擦力大一些的，防止传送带与步进电机之间打滑，问题得到较好解决。（9）电源调试 当通过1.6A电流时，电路若使用一个CW7812，则会严重发热。于是改为两个允许大电流的CW7812和CW7912并联使用。问题解决，并且可以得到-5伏电源。 原电路中使用了由LM353构成的电压跟随电路，经测量发现其输出电压总是有一个小范围的提高，但是由于系统作为控制用的电压要求很严格，这种提高是系统不允许的。应将其去掉。2软件调试本系统处理数据量大，要求很精确，所以使用C51编程。调试采用自下而上的方式，先单独调试好每一个程序模块，然后再链接成一个完整的系统调试。（1）初始化程序（2）延时子程序（3）键盘与显示子程序（4）串口通讯程序（5）数据存储与读取子程序（6）上升与下降子程序（7）半旗升降子程序（8）传感器中断程序（9）继电器中断程序3软硬联调该系统的软件和硬件之间的联系不是很复杂，所以调试相对简单，关键在于确定步进电机的转速和直径的值与设定值之间的换算关系，以便使步进电机带动国旗精确到达指定位置。经过参考资料，反复测试，确定换算关系为：t:设定时间 step:步数 high:高度(mm) step_per_mm:步/毫米 step=high*step_per_mm其中step_per_mm是多次试验得出的数值，经实际检验该数值误差满足设计要求。在程序中直接给定该数值。装入计数器的数值=65535-（t/step）/(12/晶振频率)四、指标测试1、测试仪器 10g,50g,100g,150g砝码4 1/2位数字万用表 秒表米尺2、指标测试2.1 误差范围：表格 2 设定值与实测值的误差范围序号负载重量设定高度设定时间国旗上升高度与设定高度之间的误差范围 cm国旗上升时间与设定时间之间的误差范围s 150g1800mm46s0.2-0.50.14-0.922100g1800mm46s0.3-0.80.32-0.743150g1800mm46s0.2-0.50.23-0.82由表可知：国旗上升高度与设定值之间的误差最大为.8cm，完全满足设计要求。 负载为50g时性能测试表格 3 负载为50g时控制系统性能测试表序号设定高度cm设定时间s实际到达高度cm实际使用时间s高度允许误差cm时间允许误差s11029.992.040.1110.022230329.853.010.3330.033350949.968.990.5560.1004702770.1226.980.7780.300510042100.0142.021.1110.466612060119.9660.081.3330.667715075150.0175.061.6670.833816080160.9679.991.7780.889917096171.0295.961.8891.06710180126180.01126.082.0001.400由表可见：实际上升高度和时间符合设定值，满足要求 负载为100g时性能测试表格 4 负载为100g时控制系统性能测试表序号设定高度cm设定时间s实际到达高度cm实际使用时间s高度允许误差cm时间允许误差s120519.995.060.2220.056250950.218.980.5560.1003701570.1914.960.7780.1674801979.8918.990.8890.2115902589.9925.061.0000.278610028100.0828.141.1110.311712032119.9732.121.3330.356813036129.9635.961.4440.400916040160.1240.131.7780.4441018046178.5646.852.0000.511从表中数据知：实际上升高度和时间符合设定值，满足要求 负载为150g时性能测试表格 5 负载为150g时控制系统性能测试表序号设定高度cm设定时间s实际到达高度cm实际使用时间s高度允许误差cm时间允许误差s115414.984.020.1670.044230929.998.980.3330.1003501250.1211.990.5560.1334702070.1320.030.7780.2225902589.9924.961.0000.278611030110.3229.991.2220.333713042129.4542.101.4440.467815050149.6950.211.6670.556917058171.0357.941.8890.6441018065180.0165.812.0000.722从表中数据知：实际上升高度和时间符合设定值，满足要求2.2负载改变时的性能测试： 表格 6 自动控制系统上升高度性能测试 负载重量（g） 实 测 高度设定高度 0105010015020cm20.2120.1220.1120.0119.9650cm50.3950.3250.2550.1249.9980 cm80.2380.1880.0279.9879.86130cm130.06130.02129.89129.86129.75180 cm180.08180.02180.01180.01178.96由上表可知：负载改变时，实际上升高度与设定高度误差很小。能满足实验要求。2.3 误差分析： 1. 负载上升时的重力作用能够导致误差，虽然可在软件编程中尽力减小，但不能消除。 2.电机轴线与传送带之间存在滑动误差。 3.定时器中断中的程序导致定时误差。 表格 7 自动控制系统上升时间性能测试 负载重量（g） 实 测 时间设定时间 0105010015030s29.8629.96