自動控制升降旗系統(tǒng) 設(shè)計報告 F 甲 05 11 青島大學(xué)自動化工程學(xué)院 參賽學(xué)生：高亭 尹強 石婷婷 指導(dǎo)教師：馬艷 宮鵬 周建春 摘要 本系統(tǒng)采用凌陽公司的 SPCE061A 十六位單片機(jī)作為主控單元，步進(jìn)電機(jī)作為運動驅(qū)動電路， 4X4 鍵盤和紅外無線遙控器作為系統(tǒng)的輸入 ,通過液晶顯示器輸出系統(tǒng)信息。本系統(tǒng)的工作過程首先在液晶顯示器上顯示操作的提示信息，通過有線或者紅外無線鍵盤選擇功能鍵和數(shù)字鍵輸入單片機(jī)，系統(tǒng)發(fā)出信號到電機(jī)控制器控制步進(jìn)電動機(jī)的動作，通過滑輪的傳動完成升旗和降旗。升降旗過程中能實時顯示國旗的高度和時間，且升降旗的速度可調(diào)；國旗能在指定位置自動停止 ?？捎砂存I控制半旗狀態(tài)，具有無線遙控升降旗及停止功能，并用單片機(jī)的FLASH 存儲器實現(xiàn)掉電保護(hù)。 本系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能： 1、 按上升鍵后，國旗勻速上升，同時演奏國歌，上升到最高端自動停止，國歌停奏。按下降鍵后，國旗勻速下降，下降到最低端自動停止。升降旗的時間均為 43S。 2、可以避免誤動作，國旗在最高端時按上升鍵不起作用；在最低端時，按下降鍵不起作用。 3、能在指定位置停止，且停止后能繼續(xù)通過按鍵控制國旗繼續(xù)升或降。 4、旗幟的高度及升降旗的時間可實時顯示。能在指定位置停止。 5、可由開關(guān)控制半旗狀態(tài)，并有 一發(fā)光二極管顯示。升旗時，按上升鍵，奏國歌，國旗由最低端上升到最高端之后，國歌停奏，然后自動下降到 2/3 處停止。降旗時，按下降鍵，國旗先由 2/3 高度處上升到最高端，再自動從最高端下降到最低端后自動停止。 6、關(guān)斷電源后再重新上電，旗幟所在的高度數(shù)據(jù)顯示不變。 7、升降旗的速度在 30S-120S 內(nèi)可調(diào)， 步進(jìn) 1S。 8、具有無線遙控升、降旗及停止功能。 關(guān)鍵詞： SPCE061A 電機(jī)控制 紅外遙控 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、方案比較及設(shè)計論證 根據(jù)題目的基本要求，系統(tǒng)主要由 3 個模塊構(gòu)成：主控單元、電機(jī)驅(qū)動模塊和鍵盤輸入與液晶顯示模塊。 1、主控單元的比較與論證 ： 方案 一 ：采用 MCS-51 系列單片機(jī)。經(jīng)典的 MCS-51 單片機(jī)功能和速度有限；而高檔的 MCS-51 系衍生產(chǎn)品價格昂貴、冗余資源較多、使用范圍較窄。 方案二： 采用 FPGA（現(xiàn)場可編輯門列陣）作為系統(tǒng)控制器。 FPGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，并且可 利用EDA 軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試。 FPGA 采用并行工作方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，常用于大規(guī)模實時性要求較高的系統(tǒng)。在本設(shè)計中， FPGA 的高速處理能力得不到充分發(fā)揮。 方案 三 ：采用凌陽公司推出的 SPCE061A 單片機(jī)及其開發(fā)板 -61 板作為控制模塊 。 SPCE061A 的 CPU 時鐘為 0.32MHz 49.152MHz，速度可以滿足電機(jī)控制對實時性的要求；內(nèi)置 2K Words 的 SRAM，為浮點運算提供了足夠的數(shù)據(jù)存儲器空間；具有 7 個觸鍵喚醒中段和 2 個外部中斷，可以滿足本系統(tǒng)中鍵盤和傳感器對外部中斷的要求； 外部可接 SPR4096 實現(xiàn)存儲空間的擴(kuò)展，能播放較長時間的語音。 SPCE061A可以通過在線調(diào)試器 Probe和 EZ_Probe實現(xiàn)在線程序下載和調(diào)試，極大地提高了開發(fā)效率。此外使用凌陽公司提供的音頻函數(shù)庫和 SPCE061A 豐富的時基中斷可以方便地實現(xiàn)功能擴(kuò)展。 具有保密能力及 WatchDog 功能。 鑒于 SPCE061A 的以上優(yōu)點，采用方案 三 。 2、 電機(jī)的比較與論證： 方案一： 采用帶旋轉(zhuǎn)編碼器控制直流電機(jī)，電機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證。但其驅(qū)動電路復(fù)雜，在短時間內(nèi)難與實現(xiàn)。 方案二： 采用步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制 電機(jī)，它是一種能將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可廣泛用于無需反饋控制但要求有精確位置的場合 。 所以，綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，我們選用步進(jìn)電機(jī)。 3、電動機(jī)驅(qū)動模塊的比較與論證： 根據(jù)題目的要求，選用兩相步進(jìn)電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī)，有很好的控制精度。易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。電動機(jī)的驅(qū)動方法我們比較了以下兩種方案： 方案一 ：使用單電壓驅(qū)動，電動機(jī)繞組在工作時，只采用一個電壓電源對繞組供電。該方案的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單。但限流電阻太大會使繞組供電電流減小，使電機(jī)的高頻性能下降。 若在電阻兩端并聯(lián)電容，可以改善高頻特性，但又使低頻特性變差。 方案二： 選用 SH-2H042Mb 驅(qū)動器。 SH-2H042Mb 的細(xì)分?jǐn)?shù)為 2、 5、 10、20、 40，可以通過撥碼開關(guān)設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)達(dá)到 32 以上時，基本就沒有低頻振動的問題了。而且，該驅(qū)動器使用方便， 可驅(qū)動所有 42 型電機(jī)或者相電流在 1.7A 以下的 57 型電機(jī) 。 基于上述分析，我們選擇方案二。 4、鍵盤與液晶顯示驅(qū)動方式的選擇與論證： 方案一： 用 8279 芯片驅(qū)動按鍵電路以及數(shù)碼管顯示。它采用并行口通信，占用單片機(jī) I/O 口較多，并且 8279 芯片 的驅(qū)動數(shù)碼電路都比較復(fù)雜而且體積大；如果采用總線驅(qū)動方式，直接利用兩片 74LS244 將數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示，這樣既降低成本，又減小體積。但該方案比較陳舊，不能實現(xiàn)圖形化顯示，不夠直觀。 方案二： 使用凌陽 SPCE061A 開發(fā)板 直接驅(qū)動中文 LCD 液晶顯示器和鍵盤 ,占用系統(tǒng) IO 口教少，有效地節(jié)約系統(tǒng)資源，使整個系統(tǒng)更加人性化。 我們選擇方案二實現(xiàn)該模塊功能。 選擇 44 的普通鍵盤和 無線紅外鍵盤 兩種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的按鍵輸入， 將 無線紅外鍵盤輸入作為實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展發(fā)揮。 紅外無線鍵盤使用的是萬能遙控器，通過解碼把無線信 號送給 CPU 實現(xiàn)無線控制，使系統(tǒng)同時擁有有線和無線兩套輸入控制裝置，增加了系統(tǒng)的可用性，同時也方便其開發(fā)成產(chǎn)品，為后續(xù)工作做好準(zhǔn)備。 二、系統(tǒng)理論分析與計算 1、系統(tǒng)功能 用鍵盤按鍵來控制國旗自動升降同時在升旗過程中同時播放國歌，通過對步進(jìn)電機(jī)的精確控制實現(xiàn)國旗的指定運動；能避免誤動作；可在指定位置自動停止；增設(shè)一個開關(guān)控制半旗狀態(tài)，升旗時，按上升鍵奏國歌，國旗上升到最高端時國歌停奏然后自動下降到總高度的 2/3 處停止。降旗時按下降鍵國旗先由 2/3 處上升到最高端，再自動從最高端下降到底之后自動停止；利用紅外無 線遙控實現(xiàn)升降旗及停止功能；利用 SPCE061A 單片機(jī)內(nèi)部 FLASH Merory 可實現(xiàn)掉電保護(hù)；升降旗的速度可調(diào)，調(diào)整范圍是 30 120 秒，步進(jìn)一秒。 2、總體方框圖 3、系統(tǒng)功能的實現(xiàn)原理和分析 本系統(tǒng)采用凌陽公司的 SPCE061A 單片機(jī)作為主控單元，對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，并驅(qū)動液晶顯示器和鍵盤，鍵盤采用 44 的普通有線鍵盤和紅外無線鍵盤，作為系統(tǒng)的輸入。同時可利用凌陽豐富的語音資源，采用語音辨識技術(shù)實現(xiàn)對單片機(jī)的控制，從而控制整個系統(tǒng)的運動。 本系統(tǒng)的動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用兩相步進(jìn)電 動機(jī)，并采用 SH-2H042Mb 驅(qū)動器作為電動機(jī)的驅(qū)動電路，選用 40 的細(xì)分?jǐn)?shù)， 設(shè)定步距角為 0.045 度，電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角，國旗運動 0.0225cm，可達(dá)到精確控制國旗的運動。采用 24V 的開關(guān)電源為驅(qū)動器 供電。 三、系統(tǒng)設(shè)計及電路圖 1.硬件電路設(shè)計 1）電機(jī)驅(qū)動模塊 對于兩相步進(jìn)電動機(jī)采用 SH-2H042Mb 驅(qū)動器作為電動機(jī)的驅(qū)動電路，選用 40 的細(xì)分?jǐn)?shù)。 其輸入信號共有二路，分別為步進(jìn)脈沖信號 CP、方向電平信號DIR。它們在驅(qū)動器內(nèi)部由 270 的限流電阻和光耦器件組成，且電路形式完全相同。 步進(jìn)脈沖信號 CP 用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度，驅(qū)動器每接受一個 CP脈沖就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角 (細(xì)分時為一個細(xì)分步距角 )， CP 脈沖的頻率改變則同時使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，控制 CP 脈沖的個數(shù)，使步進(jìn)電機(jī)精確定位 ， 可以很方便的達(dá)到步進(jìn)電機(jī)調(diào)速和定位的目的。本驅(qū)動器的 CP 信號為低電平有效，要求 CP 信號的驅(qū)動電流為 8-15mA，對 CP 的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于 5S 。 方向電平信號 DIR 用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)換向無線鍵盤 有線鍵盤 電機(jī) 運轉(zhuǎn) 國歌播報 液晶顯示 國旗升降 SPCE061A 必須在電機(jī)停止后再進(jìn)行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個 CP 脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第 一個 CP 脈沖前發(fā)出 。 脈沖信號 CP 和 方向電平信號 DIR 的 輸入端已分別引出在接線端子上 ， 可以在外部接成共陽方式（把 CP+和 DIR+接在一起，接外部系統(tǒng)的 VCC，脈沖信號和方向信號分別從負(fù)端 CP-、 DIR-接入）或共陰方式（把 CP-和 DIR-接在一起，接外部系統(tǒng)的 GND，脈沖信號和方向信號分別從正端 CP+、 DIR+接入）， 我們 采用共陽方式。二路信號默認(rèn)幅值為 5V。 SH-2H042Mb型驅(qū)動器的撥位開關(guān)共有 4位， 1-3位用于設(shè)定驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù) ， 第 4 位為隱含功能，須撥在 “1” 位置。 采用 24V的開關(guān)電源為驅(qū)動器供 電。 2）電源模塊 開關(guān)電源具有體積小，效率高，安全可靠，自動化程度高的優(yōu)點，因此選用開關(guān)電源做為自動控制升降旗系統(tǒng)的電源模塊。 使用 5V 的開關(guān)電源作為單片機(jī)和液晶的電源，使用 24V 的開關(guān)電源作為電動機(jī)驅(qū)動器的電源。 3）鍵盤輸入及顯示模塊 （ 1） 鍵盤是 4 X 4 鍵盤，其電路原理圖為： 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 :大賽 硬件資源 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 鍵盤原理圖 其具體功能設(shè)置如下 （ 2）無線紅外鍵盤 我們使用的是一個適合單片機(jī)使用的紅外鍵盤，并為它配 上了紅外解碼芯片，只占用單片機(jī)的一個引腳（串口輸入），就能把按鍵數(shù)擴(kuò)充到二十余個 。 紅外解碼芯片 R510Z 是一只八引腳的集成電路，其中 IRIN 是紅外遙控信號輸入，接一只紅外接收管 TL1838A，具有較強的抗干擾能力； SOUT 是解碼數(shù)據(jù)串行輸出，接開發(fā)板（單片機(jī)）的串口輸入引腳。芯片對遙控信號解碼后，轉(zhuǎn)換成一個字節(jié)（八位）數(shù)據(jù)，作為每個按鍵的編碼，通過串口 SOUT 輸出，遙控器上每個按鍵對應(yīng)的編碼如圖三所示。 R510Z 在芯片的第 6 腳有 LED 指示輸出，每 次串口有輸出時， LED 就會閃1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 上升 下降 高度設(shè)置 速度設(shè)置 停止升降 確定 紅外遙控鍵盤編碼圖 鍵盤功能 爍一次。其應(yīng)用電路如下： 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 :大賽 硬件資源 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)液晶顯示屏功能： OCM4X8C 中文模塊是具有串并接口，且內(nèi)含有 GB2312 一級、二級簡體中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊?？梢燥@示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能 ，且具有睡眠、正常、及低功耗工作模式。我們采用通過主機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串行模式下。 OCM4X8C 與單片機(jī)的硬件連接圖為： 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 :大賽 硬件資源 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紅外遙控接收電路 OCM4X8C 硬件連接圖 當(dāng) PSB腳接低電位時，模塊將進(jìn)入串行模式。串行模式使用串行數(shù)據(jù)線 SID與串行時鐘線 SCLK來傳送數(shù)據(jù)。其時序 圖為： 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、軟件設(shè)計 1)主程序流程圖： 串行傳輸時序圖 系統(tǒng)初始化半旗狀態(tài)？鍵盤掃描執(zhí)行半旗子程序YN升旗鍵 降旗鍵 位置設(shè)定鍵 時間設(shè)定鍵 停止升降鍵 確定鍵設(shè)定位置 設(shè)定時間 停止 設(shè)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圖 3.1 主程序流程圖 2)半旗子程序流程圖 初始化鍵盤掃描有鍵按下？上升鍵 下降鍵升半旗 降半旗結(jié)束3)2HZ 時基中斷流程圖（實現(xiàn)定時并可在中斷程序中顯示時間） 寄存器入棧2 H Z 中 斷 ？計時顯示時間消中斷清看門狗返回清看門狗寄存器出棧返回清中斷NY圖 3.2 半旗子程序流程圖 圖 3.3 2HZ 時基中斷流程圖 4)8HZ 時基中斷流程圖（實現(xiàn)國旗位置顯示） 寄存器入棧8 H Z 中 斷 ？計算位置顯示位置消中斷清看門狗返回清看門狗寄存器出棧返回清中斷NY四、測試方 法及儀器 1、試驗測試 ： 電機(jī)長時間運行試驗、電機(jī)控制試驗、顯示電路實驗、國旗升降?？刂圃囼灐肫炜刂圃囼?、無線遙控通信試驗等。 2、測試儀器 ： PC 機(jī)、 SPCE-061A 編程器、示