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Protues電路設計與仿真 結 課 論 文 姓 名 呂雪鋒 學 號 5011212204 學 院 信息工程學院 專 業(yè) 計算機科學與技術 班 級 計算機16-2班 指導老師 孟洪兵 國旗升降自動控制系統(tǒng) 目 錄 設計任務．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 第 1 節(jié) 系統(tǒng)方案論證與比較．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.1 設計思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2 方案選擇與論證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2.1、電機的選擇與論證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2.2、電機驅動方案的選擇與論證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2.3、顯示部分方案的選擇與論證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第 2 節(jié) 電路框圖設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.1 總體框圖設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.2 整體程序流程圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第 3 節(jié) 系統(tǒng)的具體設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.1 系統(tǒng)的硬件設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.1.1、電機驅動模塊．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.1.2、鍵盤與顯示模塊．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.2 系統(tǒng)的軟件設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 3.2.1、主體電路圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 第 4 節(jié) 結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 第 5 節(jié) 心得．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 附錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 國旗升降系統(tǒng)控制設計報告 設計任務 設計一個國旗升降旗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠控制升旗和降旗，升旗時，在到固定時間時自動停止；降旗時，在到達固定時間自動停止。 旗幟的升降由電動機驅動，該系統(tǒng)有三個控制按鍵，一個是上升鍵，一個是下降鍵，一個是復位按鍵。 基本功能 1．按下上升按鍵后，電機隨著時間勻速順時針轉動；上升到固定時間時自動停止上升，電機停止轉動；按下下降按鍵后，電機隨著時間勻速逆時針下降，下降到固定時間時電機停止轉動。 2．能在上升到最大時間后復位，動態(tài)時間清零。 3．為避免誤動作，國旗在上升到固定時間時，按上升鍵不起作用；國旗在下降到時，按下降鍵不起作用。 4．升降旗的時間均為43秒，升國旗時，電機順時針轉動到時間最大值；降國旗時，電機逆時針轉動到最大值 5．數(shù)字即時顯示電機轉動的時間，以秒為單位，誤差不大于1秒。 摘要 本系統(tǒng)采用單片機AT89C51作為自動控制升降旗系統(tǒng)的檢測和控制核心，采用由單片機控制的步進電機帶動國旗升降，實現(xiàn)對國旗升降的自動控制。該電路主要分為電機驅動控制模塊、鍵盤與顯示模塊、語音模塊及無線遙控電路模塊等幾個部分。電機驅動控制模塊采用集成驅動芯片L298，控制與顯示部分分別采用鍵盤作為控制和液晶RT1602C作為顯示。基于這些完備而可靠的硬件設計，使用了一套完善的軟件編程，實現(xiàn)了自動升降旗的基本功能及發(fā)揮部分的一些功能。 關鍵字：步進電機 自動控制 液晶顯示 接近開關 具體設計 第 1 節(jié) 系統(tǒng)方案論證與比較 1.1 思路 題目要求設計一自動控制升降旗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動升降旗和自動升降半旗,能夠在指定位置停止，升降旗的時間可在30—120秒的范圍內自行調整，標準的升降旗時間與國歌演奏時間相等，即為43秒，且具有數(shù)字即時顯示旗幟所在的高度和無線遙控升、降旗及停止功能。根據(jù)題目要求由一個步進電機來控制旗幟的升降情況，由接近開關來防止旗幟在最高點或最低點停止時出現(xiàn)的誤動作，由液晶來顯示旗幟所在的高度及升降旗所用的時間，無線遙控電路使用無線發(fā)射接收模塊SP，語音模塊采用集成語音芯片ISD2560。 1.2 方案選擇與論證 1.2.1、電機的選擇與論證 方案一：采用普通的直流電機。普通直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉。 方案二：采用步進電機。步進電機的一個顯著特點是具有快速的啟停能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉矩值，就能夠立即使步進電機啟動或反轉。另一個顯著特點是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。 因為在本系統(tǒng)中需要精確的轉換速度和轉換時間且啟停要迅速，所以在本設計中我們選擇方案二 1.2.2、電機驅動方案的選擇與論證 方案一：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過控制開關的切換速度實現(xiàn)對電機的運行速度進行調整。這個電路的優(yōu)點是電路結構簡單，其缺點是繼電器的響應時間長，易損環(huán)，壽命短，可靠性不是很高。 方案二：采用由達林頓管組成的H橋型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，可精確調整電動機的運動狀態(tài)（前進，后退，左轉，右轉）。這種電路由于工作在管子的飽和截至模式下，效率很高。H橋電路保證了可以簡單的實現(xiàn)轉速和方向的控制，但不能很精確的控制步距和速度。 方案三：采用集成ULN2003A。在自動化密集的場合會有很多被控元件如繼電器，風機，空調等，這些設備通常由CPU集中控制，由于控制系統(tǒng)不能直接驅動被控元件，這與要有功率來擴展輸出電流以滿足被控元件的電流與電壓。而ULN2003A功能性強、應用范圍廣。 所以綜上所述我們采用方案三。 1.2.3、顯示部分方案的選擇與論證 方案一：采用LED數(shù)碼管顯示旗幟所在的高度以及升降旗所用的時間。在本系統(tǒng)中需要用到6只LED數(shù)碼管進行動態(tài)顯示才可以達到要求。采用LED的優(yōu)點是亮度高，醒目，價格便宜，壽命長；缺點是只能顯示0～9的數(shù)字和一些簡單的字符，電路復雜，占用資源較多且信息量小。 方案二：用LCD AMPIRE12864液晶顯示，其優(yōu)點是能顯示更多的字符，工作電流比LED小幾個數(shù)量級，故其功耗低，且有著良好的人機界面，體積小，功耗極低。 基于上述考慮，所以我們選擇方案二 第 2 節(jié) 電路框圖設計 2.1 總體框圖設計 根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)可由圖所示的幾個部分組成： 電源電路 單片機 LCD顯示 方向驅動電機 按鍵輸入 根據(jù)設計要求，可得本系統(tǒng)的程序主流程圖如圖2-2-1所示：本系統(tǒng)的控制器采用ATMEL公司的AT89C52。 2.2 整體程序流程圖 第 3 節(jié) 系統(tǒng)的具體設計 3.1 系統(tǒng)的硬件設計 本系統(tǒng)由單片機AT89C52作為升降旗系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)鍵盤控制、液晶顯示以及無線遙控等幾個部分，即該系統(tǒng)主要包括電機驅動模塊、鍵盤與顯示模塊及晶振電路模塊等幾個部分?，F(xiàn)分別對各模塊進行分析。 3.1.1、電機驅動模塊 在本設計中采用ULN2003A來驅動電機。其電路原理圖如圖所示。 電機驅動電路 其步進電機的控制原理為：為了準確實現(xiàn)可調節(jié)的時間和高度控制的勻速升降，需要精確計算在人眼不能識別的時間內的步進電機的脈沖數(shù)。在此我們選用步距角0.9度，則走一圈所需的步數(shù)為400步，因為用于固定繩子的軸的直徑為2.5cm，則平均每步拉出的線長便可計算出來約為L=0.0234cm，在整個上升或下降過程中，high為總高度，可通過公式計算出在此段距離中步進電機需走的步數(shù)，即為，步進電機要轉動的總步數(shù)：總步數(shù)=高度（high）/0.0234, 在此，時間可調時間間隔為1s。 3.1.2、鍵盤與顯示模塊 在本設計中使用了四個按鍵，分別用來控制升降旗和隨意停止及其復位，時間的調節(jié)，其鍵盤摸板如圖，顯示部分采用液晶LCD AMPIRE12864，因為在本設計中只要求顯示時間與漢子字符，其鍵盤與顯示模塊的電路原理圖如圖所示。 圖3-1-2 鍵盤摸板 鍵盤與顯示電路 3.2 系統(tǒng)的軟件設計 整個系統(tǒng)的主要任務是執(zhí)行升降旗、時間調整兩種運動。 主體軟件電路圖： 此電路包括按鍵控制部分、單片機控制部分、步進電機驅動控制電路部分。電路采用AT89C52單片機作為控制系統(tǒng)的核心。單片機通過對按鍵的掃描，識別出外部命令，并通過I/O口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經過驅動電路來驅動步進電機運轉。當按上升鍵時，步進電機正轉；當按下降鍵時，步進電機反轉；按停止鍵時，步進電機停轉 第 4 節(jié) 結論 本系統(tǒng)的特色：本設計在硬件上，使用了步進電機控制和利用接近開關實現(xiàn)停止的雙重保險，在軟件上，利用C語言的簡單精練特點，實現(xiàn)起來更加簡單，現(xiàn)將題目要求指標及系統(tǒng)實際性能列表如下： 基本要求 發(fā)揮要求 實際性能 升旗時，勻速上升 同 時電機順時針轉動，到達頂端時能自動停止。降旗時，電機逆時針轉動，到達低端時自動停止。 當時間設定為43S、時，電機勻速轉動并且開始計時，到達指定時間停止轉動。 能在隨意的時間上手動停止 當?shù)竭_任意時間，都可以選擇停止，并且保持此位置，知道下一個動作。 LCD AMPIRE12864顯示漢字字符，且顯示升旗需要的時間，及此刻升旗的動態(tài)時間 通過LCD12864來顯示設置的時間、此時的設置的時間、此時運行的時間。 由開關控制是否需要電機停止轉動。 通過一個按鍵來實現(xiàn)是否需要電機停止轉動，當達到需要的時間即可選擇停止，或者繼續(xù)。 具有按鍵控制升、降旗及停止功能 通過按鍵來實現(xiàn)升旗、降旗及停止。但效果不是很好。 在旗桿的最頂端與最低端安裝了接近開關，防止電機失控。 第 5 節(jié) 心得 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發(fā)展的日新日異，單片機成為當今計算機應用中空前活躍的領域， 在生活中可以說得是無處不在。作為二十一世紀的大學來說單片機的開發(fā)技術是十分重要的。 回顧起此次單片機課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了許多在書本上所學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是重要要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 這次設計也讓我發(fā)現(xiàn)自己的知識嚴重不足，所以一定要不斷充實自己的知識。 這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在老師的辛勤指導下，終于游逆而解。同時，在老師的身上我學得到很多實用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝！ 參考文獻： [1] 揚 立，微型計算機原理與接口技術[M].北京.中國鐵道出版社.2008 [2] 陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京.機械工業(yè)出版社.2009 [3] 莫正康，電力電子應用技術[M].北京.機械工業(yè)出版社.2007 [4] 趙瑞林，單片機原理與應用教程[M].北京.北京大學出版社.2005[1] [5] 張旭濤，單片機原理與應用[M].北京.北京理工大學出版社.2008 [6] 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