自动国旗升降系统设计Word格式文档下载.docx
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5.Bychangingtherotationalspeedsofthesteppermotor,theflagraisingordowningspeedscanbechanged
Keyword:
MCU;
Steppermotor;
Raisinganddowningsystem
1绪论
1.1升降系统的现状
自控升降系统制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。
自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显提升作用。
1.2课题的提出及意义
在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。
在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。
在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。
军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。
在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。
此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。
随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
２系统的总体设计
为了对使读者对本系统有比较深的了解，有必要对本系统的硬件部分作一个简单的介绍。
由于单片机和步进电机是本系统的核心部分，这里把单片机和步进电机作一些必要的说明。
2.1单片机的简介
单片机又称单片微控制器，就是把中央处理器CPU、随机存取器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上的微型计算机
2.1.1主要特性：
与MCS-51
兼容
·
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24Hz
**程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
2.1.2．管脚说明：
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
AT89S51引脚图
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.1.3．振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.1.4．芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写"
1"
且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.2步进电机简介
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
2.2.1 步进电机的工作原理
步进电机两个相邻磁极之间的夹角为60度。
线圈绕过相对的两个磁极，构成一相（A-A’，B-B’，C-C’）。
磁极上有5个均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，而有40个小齿均匀分布在其圆周上，且相邻两个齿之间的夹角为9度。
当某组绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。
如果这时定子的小齿与转子没有对齐，则在磁场的作用下转子将会随之转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。
2.2.2 步进电机的控制
如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字与角度的转换。
转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。
以四相步进电机为例
电流脉冲的施加共有三种方式。
（1）单相四拍方式------按单相绕组施加电流脉冲
ADCB
（2）双相四拍方式-----按双相绕组施加电流脉冲
ADDCCBBA
（3）三相六拍方式------单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲
AADDDCCCBBBA
单相三拍方式的每一拍步进角为3。
，三相六拍的步进角则为1.5。
，因此，在三相六拍下，步进电机的运行反转平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高
2.2.3步进电机的驱动方式
步进电机常用的驱动方式是全电压驱动，即在电机移步与锁步时都加载额定电压。
为了防止电机过流及改善驱动特性，需加限流电阻。
由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率，故限流电阻要有较大的功率容量，并且开关管也要有较高的负载能力。
此外，为防止驱动开关管关断时步进电机绕组产生的感应电势击穿开关管，应在电机绕组两端并联续流二极管。
如：
图2.2。
图2.2步进电机的全电压驱动
步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移步；
而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。
这样，既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度，但这种驱动方式的电路要复杂一些。
图2.3。
图2.3步进电机的高低电压驱动
电机移步时，单步机除向T2、T3、T4发出相应控制信号外，还通过P1.0使T1导通。
+24V驱动电压经过T1加到步进电机的相应绕组上，实现高压移步。
经过一段时间的延迟后，单片机将关闭，这样，锁步电压就经D1加到步进电机相应绕组上，实现低压锁步。
驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。
现在，脉冲分配器已经标准化、芯片化、市场上可以买到。
但硬件方法结构复杂，成本也较高。
步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）也可以使用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。
使用单片机这一软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同的用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称为可编程步进电机控制驱动器。
2.3步进电机的单片机控制
步进电机需要具有较大电流输出能力，以便驱动各种负载，而功率驱动电路是功率电子设备输出的一个重要组成部分。
ULN2003A驱动芯片组成的电路的输入脉冲占空比于输出电流的关系是随着输入脉冲的占空比以及输出路数的增加，允许输出电路随之降低。
其接入系统的电路图如图4。
图2.4单片机控制步进电机
3系统硬件选择与设计
本系统是以单片机为核心并选用必要的外围设备构成单片机对步进电机的控制系统。
在硬件设计中进行单片机和存储器的配置、键盘和定时电路的设计、步进电机驱动电路的设计和存储器地址映像等工作，生成步进电机控制系统的硬件原理图。
3.1系统硬件的选择
3.1.1单片机的选择
采用AT89S51单片机实现，该单片机内部资源丰富，集成了内部看门狗、双数据指针、在系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，给电子设计带来很多方便，故该系统设计选用AT89S51单片机。
3.1.2电机的选择
电机的选择可以有两种方案：
方案1：
采用直流减速电机。
上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定的角度后才会停下来；
转矩小，无抱死功能，如要求准确停在一个位置，其闭环算法复杂。
方案2：
采用交流电动机。
交流电动机具有结构简单、运行可靠、成本低廉等优点；
但对交流电动机进行调速需要比较高的技术和成本
方案3：
采用步进电动机。
步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，在轻载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，累积误差小，控制精度高。
基于上述理论上的分析，采用步进电机控制国旗升降运动
3.1.3电机驱动的选择
利用达林顿管对电机进行驱动。
它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。
这等于效三极管的放大倍数是二者之积。
在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。
（uln2003a）
采用芯片L298N与L297组合对电机进行驱动。
L298N芯片可以驱动一个四相电机或两个两相直流电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
L297操作简单，可以通过L298N对电机进行正反转及提速减速操作；
而且电路简单，单片机CPU负载小，控制实时性好，使用比较方便。
以上两种方案中，方案一采用达林顿管可以充分利用电源电压，有效提高功率。
方案二中L297和L298N能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N与L297组合驱动电机。
而使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用；
也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。
我们最终决定采用方案二。
3.1.4显示的选择
用LED显示，把测量所得的高度通过数码管显示。
数码管亮度高、体积小、重量轻。
但是动态显示要求单片机定时的对显示器件扫描，如不调用显示程序，就会立即停止显示。
且显示信息简单、有限，在本题目中应用受到很大的限制。
用LCD液晶显示，其优点是能显示更多的字符，工作电流比数码管小几个数量级，其功耗低，体积小，还有良好的人机交换界面。
故我们选择方案二。
3.1.5无线控制模块的选择
方案1:
采用自制的无线发射和接受电路进行无线收发。
这个方案虽然思路简单，但是硬件电路的连接与调试十分复杂，装置工作时的稳定性难以保证。
采用红外发射和接受装置进行无线收发,利用这种装置需要完成的电路简单,性能稳定，抗干扰能力强。
考虑到系统的稳定性，我们决定采用方案二。
3.1.6语音芯片的选择
ISD4004比较简单易于控制也能很好的实现此系统要求的录放音功能，但是ISD4004有SPI接口，可以串行控制；
并且可以存储长达八分钟，可以用来存储多国的音乐，能为实现多个国家的国旗升降提供方便，是此系统最佳选择。
4.系统的软件设计
4.1设计系统数据库与数据表
按键功能分配
国旗
其他旗帜
确定
+
国家
调时
调高
—
升旗
降旗
半旗
停止
按键优先级表
国旗（默认）
根据系统设计要求及上面的论证，可画出本系统框图如：
图4.1
4.2国旗升降系统的
图4.1系统框图
4.3系统运行主程序
本设计采用的是四相六拍反应式步进电机，运用单四拍控制方式，即通电方式为A-B-C-D-A，电机步距角为15゜。
AT89S51单片机控制步进电机运转时，不采用脉冲分配器，而是使AT89S51的Ｐ1口循环输出适当的代码，经功放后送到步进电机的四相绕组。
图4.2系统电路图
图4.3＋12V直流稳压电源
图4.4＋5V直流稳压电源
LM386作音频功率放大器电路
R1，C1作阻容网络是为了设定电路增益而加的。
当①与⑧脚开路时，电路电压增益为20。
仅用C1=10uF时，增益为200;
用1.2k时与10Uf串接时，增益为50
图4.5LM386作音频功率放大器电路
5．总结
此次毕业设计是我们从大学毕业生走向社会重要的一步.完成毕业论文设计其间,我们必需查阅各种资料,在老师的指导下才一步一步的完成毕业设计,每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实.
毕业设计收获很多,比如,提高了自己的动手能力,复习了以前所学的知识，例如电路，模电等
但是毕业设计也是暴露出自己的不足之处.比如缺乏综合应用所学的专业知识的能力.这次实践是对一次大检阅,使我明白自己不足之处,虽然马上就要毕业了,但是自己还需要更加努力的学习.
结束语
该系统结合了其他系统的功能，操作更加灵活。
采用简单的检测和驱动装置，降低成本。
利用89S51单片机的资源，使得一个小单片机的功能得以充分的发挥。
大四的这半年里，设计国旗升降系统得到了各个方面的帮助，在这里，我要感谢在毕业设计期间对我严格要求的老师，更感谢给我提供了指导性意见的李老师。
参考文献
1.张永枫.单片机应用实训教程.西安:
西安电子科技大学出版社,2005年2月..
2.胡学海.单片机原理及应用系统设计.北京:
电子工业出版社,2004年4月.
3.胡辉.单片机应用系统设计与训练.北京:
中国水利水电出版社,2005年6月
4.何应民.单片机初级教程。
北京：
北京航空航天大学出版社，2000年6月。
5.张洪润,易涛.单片机应用技术教程（第二版）.北京:
清华大学出版社,2003
年12月
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