毕业设计47青岛大学自动控制升降旗系统设计

自动控制升降旗系统 设计报告 F 甲 05 11 青岛大学自动化工程学院 参赛学生：高亭 尹强 石婷婷 指导教师：马艳 宫鹏 周建春 摘要 本系统采用凌阳公司的 SPCE061A 十六位单片机作为主控单元，步进电机作为运动驱动电路， 4X4 键盘和红外无线遥控器作为系统的输入 ,通过液晶显示器输出系统信息。本系统的工作过程首先在液晶显示器上显示操作的提示信息，通过有线或者红外无线键盘选择功能键和数字键输入单片机，系统发出信号到电机控制器控制步进电动机的动作，通过滑轮的传动完成升旗和降旗。升降旗过程中能实时显示国旗的高度和时间，且升降旗的速度可调；国旗能在指定位置自动停止 。可由按键控制半旗状态，具有无线遥控升降旗及停止功能，并用单片机的FLASH 存储器实现掉电保护。 本系统可实现以下功能： 1、 按上升键后，国旗匀速上升，同时演奏国歌，上升到最高端自动停止，国歌停奏。按下降键后，国旗匀速下降，下降到最低端自动停止。升降旗的时间均为 43S。 2、可以避免误动作，国旗在最高端时按上升键不起作用；在最低端时，按下降键不起作用。 3、能在指定位置停止，且停止后能继续通过按键控制国旗继续升或降。 4、旗帜的高度及升降旗的时间可实时显示。能在指定位置停止。 5、可由开关控制半旗状态，并有 一发光二极管显示。升旗时，按上升键，奏国歌，国旗由最低端上升到最高端之后，国歌停奏，然后自动下降到 2/3 处停止。降旗时，按下降键，国旗先由 2/3 高度处上升到最高端，再自动从最高端下降到最低端后自动停止。 6、关断电源后再重新上电，旗帜所在的高度数据显示不变。 7、升降旗的速度在 30S-120S 内可调， 步进 1S。 8、具有无线遥控升、降旗及停止功能。 关键词： SPCE061A 电机控制 红外遥控 Abstract This system uses SPCE061A single-chip as the main control unit. We use a step motor as the driving circuit.The 4x4keyboard and wireless infrared keyboard as the input.The LCD shows the information of the system。 Firstly, it can rise or lower the national flag through wire or infrared wireless keyboard and showed the operations on the LCD, then the control unit deals with the data, and controlls the national flag by step motor.In the process,the LCD shows the time and the height of the national flag.The speed of riseing or lowering the national flag can be verified.The national flag can stop at the allocated position.The half mast can be controlled by a key.We can use wireless infrared keyboard to control.the system.The FLASH memory of the single-chip can protect the message of the unit. This system completes the following functions: 1.When push the rising key,the national flag rises at a same speed.At the same time ,the system play the national song.It stopps automaticly when it arrives at the highest point.When push the lowing key,the national flag lowers at a same speed.It stopped at the lowest point.The time is 43s. 2.The system can avoid the wrong actions.The rising key is useless when the national flag in the highest point.The lowering key is useless when the national flag at thelowerest point. 3.The height of the flag and the time can be showed in real time. 4.The national flag can be stopped at the allocated position.And it can rise or lower by the key. 5.The half mast is controlled by a key and can be showed by a LED.When push the rising key,the system play the national song.The national flag rises to the highest point,then lower to the 2/3point of the flagpole.When push the lowering key,the national flag rises from the 2/3 point to the highest point,then lowers to the lowerest point. 6.When turn off the power source,the information of the LCD is invariable. 7.The time of rising or lowering the national flag is variable in 30s-120s stepped by 1s. 8. Use wireless infrared keyboard to control the rising or lowering the national flag. Keywords： SPCE061A, Motor Control， Wireless infrared keyboard 一、方案比较及设计论证 根据题目的基本要求，系统主要由 3 个模块构成：主控单元、电机驱动模块和键盘输入与液晶显示模块。 1、主控单元的比较与论证 ： 方案 一 ：采用 MCS-51 系列单片机。经典的 MCS-51 单片机功能和速度有限；而高档的 MCS-51 系衍生产品价格昂贵、冗余资源较多、使用范围较窄。 方案二： 采用 FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。 FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可 利用EDA 软件进行仿真和调试。 FPGA 采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。在本设计中， FPGA 的高速处理能力得不到充分发挥。 方案 三 ：采用凌阳公司推出的 SPCE061A 单片机及其开发板 -61 板作为控制模块 。 SPCE061A 的 CPU 时钟为 0.32MHz 49.152MHz，速度可以满足电机控制对实时性的要求；内置 2K Words 的 SRAM，为浮点运算提供了足够的数据存储器空间；具有 7 个触键唤醒中段和 2 个外部中断，可以满足本系统中键盘和传感器对外部中断的要求； 外部可接 SPR4096 实现存储空间的扩展，能播放较长时间的语音。 SPCE061A可以通过在线调试器 Probe和 EZ_Probe实现在线程序下载和调试，极大地提高了开发效率。此外使用凌阳公司提供的音频函数库和 SPCE061A 丰富的时基中断可以方便地实现功能扩展。 具有保密能力及 WatchDog 功能。 鉴于 SPCE061A 的以上优点，采用方案 三 。 2、 电机的比较与论证： 方案一： 采用带旋转编码器控制直流电机，电机运转平稳，精度可以得到保证。但其驱动电路复杂，在短时间内难与实现。 方案二： 采用步进电机。 步进电机是一种脉冲控制 电机，它是一种能将脉冲信号转换为角位移的数模转换器，可广泛用于无需反馈控制但要求有精确位置的场合 。 所以，综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，我们选用步进电机。 3、电动机驱动模块的比较与论证： 根据题目的要求，选用两相步进电动机，步进电动机是纯粹的数字控制电动机，有很好的控制精度。易于起停、正反转及变速。电动机的驱动方法我们比较了以下两种方案： 方案一 ：使用单电压驱动，电动机绕组在工作时，只采用一个电压电源对绕组供电。该方案的优点是电路结构简单。但限流电阻太大会使绕组供电电流减小，使电机的高频性能下降。 若在电阻两端并联电容，可以改善高频特性，但又使低频特性变差。 方案二： 选用 SH-2H042Mb 驱动器。 SH-2H042Mb 的细分数为 2、 5、 10、20、 40，可以通过拨码开关设置细分数。 当步进电机细分数达到 32 以上时，基本就没有低频振动的问题了。而且，该驱动器使用方便， 可驱动所有 42 型电机或者相电流在 1.7A 以下的 57 型电机 。 基于上述分析，我们选择方案二。 4、键盘与液晶显示驱动方式的选择与论证： 方案一： 用 8279 芯片驱动按键电路以及数码管显示。它采用并行口通信，占用单片机 I/O 口较多，并且 8279 芯片 的驱动数码电路都比较复杂而且体积大；如果采用总线驱动方式，直接利用两片 74LS244 将数据送到数码管显示，这样既降低成本，又减小体积。但该方案比较陈旧，不能实现图形化显示，不够直观。 方案二： 使用凌阳 SPCE061A 开发板 直接驱动中文 LCD 液晶显示器和键盘 ,占用系统 IO 口教少，有效地节约系统资源，使整个系统更加人性化。 我们选择方案二实现该模块功能。 选择 44 的普通键盘和 无线红外键盘 两种方式实现系统的按键输入， 将 无线红外键盘输入作为实现系统功能的扩展发挥。 红外无线键盘使用的是万能遥控器，通过解码把无线信 号送给 CPU 实现无线控制，使系统同时拥有有线和无线两套输入控制装置，增加了系统的可用性，同时也方便其开发成产品，为后续工作做好准备。 二、系统理论分析与计算 1、系统功能 用键盘按键来控制国旗自动升降同时在升旗过程中同时播放国歌，通过对步进电机的精确控制实现国旗的指定运动；能避免误动作；可在指定位置自动停止；增设一个开关控制半旗状态，升旗时，按上升键奏国歌，国旗上升到最高端时国歌停奏然后自动下降到总高度的 2/3 处停止。降旗时按下降键国旗先由 2/3 处上升到最高端，再自动从最高端下降到底之后自动停止；利用红外无 线遥控实现升降旗及停止功能；利用 SPCE061A 单片机内部 FLASH Merory 可实现掉电保护；升降旗的速度可调，调整范围是 30 120 秒，步进一秒。 2、总体方框图 3、系统功能的实现原理和分析 本系统采用凌阳公司的 SPCE061A 单片机作为主控单元，对整个系统进行控制，并驱动液晶显示器和键盘，键盘采用 44 的普通有线键盘和红外无线键盘，作为系统的输入。同时可利用凌阳丰富的语音资源，采用语音辨识技术实现对单片机的控制，从而控制整个系统的运动。 本系统的动作执行机构采用两相步进电 动机，并采用 SH-2H042Mb 驱动器作为电动机的驱动电路，选用 40 的细分数， 设定步距角为 0.045 度，电机每转过一个步距角，国旗运动 0.0225cm，可达到精确控制国旗的运动。采用 24V 的开关电源为驱动器 供电。 三、系统设计及电路图 1.硬件电路设计 1）电机驱动模块 对于两相步进电动机采用 SH-2H042Mb 驱动器作为电动机的驱动电路，选用 40 的细分数。 其输入信号共有二路，分别为步进脉冲信号 CP、方向电平信号DIR。它们在驱动器内部由 270 的限流电阻和光耦器件组成，且电路形式完全相同。 步进脉冲信号 CP 用于控制步进电机的位置和速度，驱动器每接受一个 CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角 (细分时为一个细分步距角 )， CP 脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制 CP 脉冲的个数，使步进电机精确定位 ， 可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的 CP 信号为低电平有效，要求 CP 信号的驱动电流为 8-15mA，对 CP 的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于 5S 。 方向电平信号 DIR 用于控制步进电机的旋转方向。电机换向无线键盘 有线键盘 电机 运转 国歌播报 液晶显示 国旗升降 SPCE061A 必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个 CP 脉冲结束后以及下一个方向的第 一个 CP 脉冲前发出 。 脉冲信号 CP 和 方向电平信号 DIR 的 输入端已分别引出在接线端子上 ， 可以在外部接成共阳方式（把 CP+和 DIR+接在一起，接外部系统的 VCC，脉冲信号和方向信号分别从负端 CP-、 DIR-接入）或共阴方式（把 CP-和 DIR-接在一起，接外部系统的 GND，脉冲信号和方向信号分别从正端 CP+、 DIR+接入）， 我们 采用共阳方式。二路信号默认幅值为 5V。 SH-2H042Mb型驱动器的拨位开关共有 4位， 1-3位用于设定驱动器的细分数 ， 第 4 位为隐含功能，须拨在 “1” 位置。 采用 24V的开关电源为驱动器供 电。 2）电源模块 开关电源具有体积小，效率高，安全可靠，自动化程度高的优点，因此选用开关电源做为自动控制升降旗系统的电源模块。 使用 5V 的开关电源作为单片机和液晶的电源，使用 24V 的开关电源作为电动机驱动器的电源。 3）键盘输入及显示模块 （ 1） 键盘是 4 X 4 键盘，其电路原理图为： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m b e r R e v is io nS iz eBD a te : 1 0 - S e p - 2 0 0 6 S h e e t o f F ile : E :大赛 硬件资源 1 8 2 0 0 q u d o n g 2 . d d b D r a w n B y :12345678910111213141516I O A 0I O A 1I O A 2I O A 3I O A 4I O A 5I O A 6I O A 74X4 键盘原理图 其具体功能设置如下 （ 2）无线红外键盘 我们使用的是一个适合单片机使用的红外键盘，并为它配 上了红外解码芯片，只占用单片机的一个引脚（串口输入），就能把按键数扩充到二十余个 。 红外解码芯片 R510Z 是一只八引脚的集成电路，其中 IRIN 是红外遥控信号输入，接一只红外接收管 TL1838A，具有较强的抗干扰能力； SOUT 是解码数据串行输出，接开发板（单片机）的串口输入引脚。芯片对遥控信号解码后，转换成一个字节（八位）数据，作为每个按键的编码，通过串口 SOUT 输出，遥控器上每个按键对应的编码如图三所示。 R510Z 在芯片的第 6 脚有 LED 指示输出，每 次串口有输出时， LED 就会闪1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 上升 下降 高度设置 速度设置 停止升降 确定 红外遥控键盘编码图 键盘功能 烁一次。其应用电路如下： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m b e r R e v is io nS iz eBD a te : 1 0 - S e p - 2 0 0 6 S h e e t o f F ile : E :大赛 硬件资源 1 8 2 0 0 q u d o n g 2 .d d b D r a w n B y :VDD1NC2NC3I R I N4S O U T5LED6NC7GND8I C 1R 5 1 0 ZOUT1GND2+5V3I C 2T L 1 8 3 8C51uFR1470D1LED5VS O U T(3)液晶显示屏功能： OCM4X8C 中文模块是具有串并接口，且内含有 GB2312 一级、二级简体中文字库的图形点阵液晶显示模块。可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能 ，且具有睡眠、正常、及低功耗工作模式。我们采用通过主机串口进行数据传输。串行模式下。 OCM4X8C 与单片机的硬件连接图为： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m b e r R e v is io nS iz eBD a te : 1 0 - S e p - 2 0 0 6 S h e e t o f F ile : E :大赛 硬件资源 1 8 2 0 0 q u d o n g 2 .d d b D r a w n B y :V S S1VDD2CS4S T D ( R /W )5C L K6PSB15L E D A19L E D K20O C M 4 X 8 CV C CI O B 9I O B 1 0红外遥控接收电路 OCM4X8C 硬件连接图 当 PSB脚接低电位时，模块将进入串行模式。串行模式使用串行数据线 SID与串行时钟线 SCLK来传送数据。其时序 图为： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 S y n c h r o n i z i n gB i t s t r i n gH i g h t e rd a t a1stb y t e2ndb y t eL o w e rd a t aCSS C L KSTD RW RS 0 D7 D6 D5 D4 0 0 0 0 D3 D2 D1 D0 0 0 0 02、软件设计 1)主程序流程图： 串行传输时序图 系统初始化半旗状态？键盘扫描执行半旗子程序YN升旗键 降旗键 位置设定键 时间设定键 停止升降键 确定键设定位置 设定时间 停止 设置有效升旗放歌 降旗上升？指定位置？停止升旗降到指定位置？停止降旗YNYNN升旗升 到 1 8 0 c m ? 降 到 0 c m ？停止 停止YNNY上升 下降YN图 3.1 主程序流程图 2)半旗子程序流程图 初始化键盘扫描有键按下？上升键 下降键升半旗 降半旗结束3)2HZ 时基中断流程图（实现定时并可在中断程序中显示时间） 寄存器入栈2 H Z 中 断 ？计时显示时间消中断清看门狗返回清看门狗寄存器出栈返回清中断NY图 3.2 半旗子程序流程图 图 3.3 2HZ 时基中断流程图 4)8HZ 时基中断流程图（实现国旗位置显示） 寄存器入栈8 H Z 中 断 ？计算位置显示位置消中断清看门狗返回清看门狗寄存器出栈返回清中断NY四、测试方 法及仪器 1、试验测试 ： 电机长时间运行试验、电机控制试验、显示电路实验、国旗升降停控制试验、半旗控制试验、无线遥控通信试验等。 2、测试仪器 ： PC 机、 SPCE-061A 编程器、示