自动控制升降旗系统.docx
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自动控制升降旗系统
自动控制升降旗系统
设计报告
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
ThissystemusesSPCE061Asingle-chipasthemaincontrolunit.Weuseastepmotorasthedrivingcircuit.The4x4keyboardandwirelessinfraredkeyboardastheinput.TheLCDshowstheinformationofthesystem。
Firstly,itcanriseorlowerthe
nationalflagthroughwireorinfraredwirelesskeyboardandshowedtheoperationsontheLCD,thenthecontrolunitdealswiththedata,andcontrollsthenationalflagbystepmotor.Intheprocess,theLCDshowsthetimeandtheheightofthenationalflag.Thespeedofriseingorloweringthenationalflagcanbeverified.Thenationalflagcanstopattheallocatedposition.Thehalfmastcanbecontrolledbyakey.Wecanusewirelessinfraredkeyboardtocontrol.thesystem.TheFLASHmemoryofthesingle-chipcanprotectthemessageoftheunit.
Thissystemcompletesthefollowingfunctions:
1.Whenpushtherisingkey,thenationalflagrisesatasamespeed.Atthesametime,thesystemplaythenationalsong.Itstoppsautomaticlywhenitarrivesatthehighestpoint.Whenpushthelowingkey,thenationalflaglowersatasamespeed.Itstoppedatthelowestpoint.Thetimeis43s.
2.Thesystemcanavoidthewrongactions.Therisingkeyisuselesswhenthenationalflaginthehighestpoint.Theloweringkeyisuselesswhenthenationalflagatthelowerestpoint.
3.Theheightoftheflagandthetimecanbeshowedinrealtime.
4.Thenationalflagcanbestoppedattheallocatedposition.Anditcanriseorlowerbythekey.
5.ThehalfmastiscontrolledbyakeyandcanbeshowedbyaLED.Whenpushtherisingkey,thesystemplaythenationalsong.Thenationalflagrisestothehighestpoint,thenlowertothe2/3pointoftheflagpole.Whenpushtheloweringkey,thenationalflagrisesfromthe2/3pointtothehighestpoint,thenlowerstothelowerestpoint.
6.Whenturnoffthepowersource,theinformationoftheLCDisinvariable.
7.Thetimeofrisingorloweringthenationalflagisvariablein30s-120ssteppedby1s.
8.Usewirelessinfraredkeyboardtocontroltherisingorloweringthenationalflag.
Keywords:
SPCE061A,MotorControl，Wirelessinfraredkeyboard
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2KWords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4，4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FLASHMerory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
电机运转国旗升降无线键盘
SPCE061A国歌播报
有线键盘
液晶显示
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4，4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5μS。
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。
电机换向
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123456动机驱动器的电源。
3）键盘输入及显示模块
（1）键盘是4X4键盘，其电路原理图为:
DD
IOA71615IOA61413IOA51211IOA4109IOA387IOA265IOA143IOA021
CC
4X4键盘原理图
BB
AA
Title
SizeNumberRevision
B
Date:
10-Sep-2006SheetofFile:
E:
\大赛\硬件资源\18200qudong2.ddbDrawnBy:
123456
其具体功能设置如下
1234
5678
90上升下降
高度设速度设停止升确定
置置降
键盘功能
（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。
红外遥控键盘编码图
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
123456
DD烁一次。
其应用电路如下:
5V
C5R1IC21uF470TL1838
OUTD1IC11
GND182VDDGNDLED
+5V273NCNC
36NCLED123456SOUT45IRINSOUT
CCR510Z
红外遥控接收电路
（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DD
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:
OCM4X8C
1VSS2VDDBB4CS5IOB9STD（R/W）6IOB10CLK15PSB19LEDA20LEDK
VCC
OCM4X8C硬件连接图
CC
AA
Title
SizeNumberRevision
B
Date:
10-Sep-2006Sheetof
大赛\硬件资源\18200qudong2.ddbDrawnBy:
File:
E:
\
123456
BB
AA
Title
NumberSizeRevision
B
Date:
10-Sep-2006Sheetof
File:
E:
\大赛\硬件资源\18200qudong2.ddbDrawnBy:
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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:
CS
123456789101112131415161718192021222324
SCLK
000000000D5D4D3D2D0D7D6D1STDRWRS
LowerHighterdatadataSynchronizing
Bitstringstndbyte1byte2
串行传输时序图
2、软件设计
1）主程序流程图:
系统初始化
Y半旗状态,执行半旗子程序
N
键盘扫描
升旗键降旗键位置设定键时间设定键停止升降键确定键
升旗放歌降旗设定位置设定时间停止设置有效升旗
NNN上升,升到180cm?
降到0cm,
YYNY下降上升
NN指定位置,降到指定位置,
YY
停止停止停止升旗停止降旗
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
结束图3.2半旗子程序流程图
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
N2HZ中断,清中断
Y
计时清看门狗显示时间寄存器出栈
消中断返回清看门狗
返回
图3.32HZ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
N8HZ中断,清中断
Y
计算位置清看门狗
显示位置寄存器出栈
消中断返回
清看门狗
返回
图3.48HZ时基中断流程
图
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、示波器、数字万用表、直尺、秒表。
3、测试方法:
根据题目要求，制作了180cm的旗杆，控制国旗升、降、停和半旗状态，控制国旗在指定位置停及改变国旗的速度。
观察显示及测量数据，反复调试。
五、测试数据及测试结果分析:
指定位置测试数据
设置值液晶显示实际值绝对误差
15cm15cm14.6cm0.4cm
30cm30cm30cm0cm
65cm65cm64.1cm0.9cm
100cm100cm99.5cm0.5cm
130cm130cm129.6cm0.4cm
160cm160cm160cm0cm
175cm175cm176cm1cm
指定时间测试数据
设置时间液晶显示测量时间（秒表）绝对误差
30s30s30.6s0.6s
60s60s60.8s0.8s
80s80s79.6s0.4s
100s100s99.5s0.5s
110s110s111s1s
120s120s120.7s0.3s
因为步进电机可以做到精确控制，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,误差很小，且没有累计误差，高度可以达到精确控制，足以满足题目要求的2cm以内的精度。
五、创新与结论
经过反复实验，我们用凌阳十六位单片机使国旗基本上完成了题目所要求实现的运动:
自动控制升降旗，实现半旗状态，可在指定位置停止。
速度可调，实时显示出时间和高度。
本运动控制系统存在以下几个突出优点:
1、利用了凌阳单片机的集成性，极大的简化了外围电路。
2、遥控，语音控制更加方便更加智能化。
利用凌阳单片机的语音识别功能，可以通过语音控制国旗升降。
在这四天的设计当中，我们碰到许多问题，使我们认识到处理问题可以用多方法、多角度地处理。
使我们不仅增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们今后的学习和工作是不无裨益。
当然，我们的设计受到时间、地域和价格的限制，还有可以改进的地方如驱动器上采用细分技术等，希望能在将来设计中进一步功能扩充。
在此恳请各位老师批评指正。
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