自动升降旗帜系统答辩

1自动控制系统的发展

自动控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、确保安全等的综合性技术，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。我国自动控制技术发展道路，大多是引进成套设备同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大发展，我国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业控制自动化技术正向智能化、网络化和集成化方向发展。与此同时，对旗帜的自动控制也在慢慢发展，从电子电路控制，到基于单片机的升降旗系统控制，使其更精确，更灵活，进而在更多的场所运用[1]。

众所周知，从20世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使自动控制得到飞速发展。传统自动化系统，基础自动化部分基本被PLC 和DCS 所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要由各种进口过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件价格之高令众多企业望而却步。20世纪90年代以来，PC-based 工业计算机（简称工业PC ）发展，以工业PC 、I/O装置、监控装置、控制网络组成PC-based 自动化系统到了迅速普及，使其成为实现低成本工业自动化重要途径。我国重庆钢铁公司这样大企业几乎全部是大型加热炉，也拆了原来得DCS 或单回路数字式调节器，而改用工业单片机来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获了良好效果。基于单片机控制器被证明可以像PLC 一样可靠，被操作和维护人员接受，一个接一个制造商至少部分生产中正采用单片机控制方案。基于单片机控制系统易于安装和使用，有高级诊断功能，为系统集成商提供了更灵活选择，从长远角度看，单片机控制系统维护成本低。在这种情形下，基于单片机的自动升降旗系统以其精密，准确的优势脱颖而出[2]。 电机的选择与论证

方案一：采用普通的直流电机。普通直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转。

方案二：采用步进电机。步进电机的一个显著特点是具有快速的启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

因为在本系统中需要精确的转换速度和转换时间且启停要迅速，所以在本设计中我们选择方案二

进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

1、控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C －D, 通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C ，D 相的通断。

2、控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

3、控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

4、步进电机驱动脉冲数的计算

为了准确实现可调节的时间和高度控制的匀速升降，需要精确计算在人眼不能识别的时间内的步进电机的脉冲数。

电机驱动方案的选择与论证

方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对电机的运行速度进行调整。这个电路的优点是电路结构简单，其缺点是继电器的响应时间长，易损环，寿命短，可靠性不是很高。

方案二：采用由达林顿管组成的H 桥型PWM 电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，可精确调整电动机的运动状态（前进，后退，左转，右转）。这种电路由于工作在管子的饱和截至模式下，效率很高。H 桥电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制，但不能很精确的控制步距和速度。

方案三：采用集成驱动芯片L298。L298是恒压恒流双H 桥集成电机芯片，利用该芯片是实现驱动步进电机的一种简单方法, 可时控制四相电机，且输出电流可达到2A ，可精确控制步距和速度，利用该方法设计的步进电机驱动系统具有硬件结构简单、软件编程容易的特点.

所以综上所述我们采用方案三。

进电机的控制原理为：为了准确实现可调节的时间和高度控制的匀速升降，需要精确计算在人眼不能识别的时间内的步进电机的脉冲数。在此我们选用步距角0.9度，则走一圈所需的步数为400步，因为用于固定绳子的轴的直径为2.5cm ，则平均每步拉出的线长便可计算出来约为L=0.0234cm，在整个上升或下降过程中，high 为总高度，可通过公式计算出在此段距离中步进电机需走的步数，即为，步进电机要转动的总步数：总步数=高度（high ）/0.0234, 在此，高度可调步长为1cm ，时间可调时间间隔为1s 。本系统的控制器采用ATMEL 公司的AT89S51。结构框图简述微控制器（A T89S51）通过键盘输入控制信号，实现要求的运动控制，较好地实现了自动控制，国旗当前运动所处的高度以及到此高度所用的时间，升降国旗时间在30秒到120秒内可调。

电机采用步进电机与其配套的电机驱动器。步进电机的型号为42BYG028，我们采用芯片L298N 为两相混合式，细分的步距角有0.45度、0.225度、0.9度等3档。步进电机可以根据算法，按指定的高度计算步数，实现正转或反转[5]。

语音部分方案的选择与论证

方案一：采用语音芯片ISD1420。该芯片采用CMOS 技术, 内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混肴滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM ，一个最小的录放系

统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按扭、电源及少数电阻电容即可，结构非常简单，且它的音质好、功耗低，但其录放音时间短，只有8到20秒。

方案二：采用语音芯片ISD2560，它具有抗断电、音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。录音时间为60 s，能重复录放达10万次。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了A/D、D/A转换器。每个采样值直接存储在片内单个EEPROM 单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”，该器件的采样频率为8.0KHz 。

综上所述，因为在本系统国歌的的演奏时间需要43秒钟，所以在此选用方案二。

ISD2560可以利用A0-A9这10条地址线实现分段录放音，可以分为600段，在本设计中我们没有用到分段录放音，所以将10条地址线全部接地。当录音时，片选端CE 接低电平、PD 为低电平、P/R为低电平；当放音时，片选端CE 接低电平、PD 为低电平、P/R为高电平。

其控制原理为：A 、当升旗键按下时， ISD2560输出播音控制信号播放国歌，国旗经43s 的时间匀速上升至旗杆顶端，国歌播放完毕；当降旗键按下时，不播放国歌。B 、在半旗状态时，当升旗键按下时，对ISD2560输出播音控制信号播放国歌，国旗经43s 的时间匀速从最低端上升到最顶端之后，国歌停奏，然后自动经14s 的时间匀速下降到总高度的2/3高度处（120cm ）停止；当降旗键按下时，不播放国歌。 ISD2560的引脚功能简介

ISD2560具有28脚SOIC 和28脚PDIP 两种封装形式。各引脚的主要功能如下：

电源（VCCA ，VCCD ）：为了最大限度的减小噪声，芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上。模拟和数字电源端最好分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容则应尽量靠近芯片。

地线（VSSA ，VSSD ）：由于芯片内部使用不同的模拟和数字地线，因此，这两脚最好通过低阻抗通路连接到地。

节电控制（PD ）：该端拉高可使芯片停止工作而进入节电状态。当芯片发生溢出 即O VF 端输出低电平 后，应将本端短暂变高以复位芯片；另外，PD 端在模式6下还有特殊的用途。

片选（CE ）：该端变低且PD 也为低电平时，允许进行录、放操作。芯片在该端的下降沿将锁存地址线和P/R端的状态；另外，它在模式6中也有特殊的意义。

录放模式（P/R）：该端状态一般在CE 的下降沿锁存。高电平选择放音，低电平选择录音。录音时，由地址端提供起始地址，直到录音持续到CE 或PD 变高，或内存溢出；如果是前一种情况，芯片将自动在录音结束处写入EOM 标志。放音时，由地址端提供起始地址，放音持续到EOM 标志。如果CE 一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音则会忽略E OM 而继续进行下去，直到发生溢出为止。

信息结尾标志（EOM ）：EOM 标志在录音时由芯片自动插入到该信息段的结尾。当放音遇到MEO 时，该端输出低电平脉冲。另外，ISD2500芯片内部会自动检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于3.5V 时，该端变低，此时芯片只能放音。在模式状态下，可用来驱动LED ，以指示芯片当前的工作状态。

溢出标志（OVF ）：芯片处于存储空间末尾时，该端输出低电平脉冲以表示溢出，之后该端状态跟随CE 端的状态，直到PD 端变高。此外，该端还可用于级联多个语音芯片来延长放音时间。

话筒输入（MIC ）：该端连至片内前置放大器。片内自动增益控制电路（AGC ）可将增益控制在-15～24dB 。外接话筒应通过串联电容耦合到该端。耦合电容值和该端的10KΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。

话筒参考（MICREF ）：该端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，并提高共模抑制比。

自动增益控制（AGC ）：AGC 可动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，这样在录制变化很大的音量（从耳语到喧嚣声）时就能保持最小失真。响应时间取决于该端内置的5KΩ电阻和从该端到VSSA 端所接电容的时间常数。释放时间则取决于该端外接的并联对地电容和电阻设定的时间常数。选用标称值分别为470KΩ

和4.7μF的电阻、电容可以得到满意的效果。

模拟输出(ANA OUT) ：前置放大器输出。其前置电压增益取决于ＡＧＣ端电平。

模拟输入(ANA IN) ：该端为芯片录音信号输入。对话筒输入来说，ANA OUT 端应通过外接电容连至该端，该电容和本端的3KΩ输入阻抗决定了芯片频带的附加低端截止频率。其它音源可通过交流耦合直接连至该端。

扬声器输出（SP ＋、SP －）：可驱动16Ω以上的喇叭（内存放音时功率为12.2mW AU X IN 放音时功率为50mW ）。单端输出时必须在输出端和喇叭间接耦合电容 而双端输出则不用电容就能将功率提高至４倍。

辅助输入(AUX IN) ：当CE 和P/R为高，不进行放音或处入放音溢出状态时该端的输入信号将通过内部功放驱动喇叭输出端。当多个ISD2500芯片级联时后级的喇叭输出将通过该端连接到本级的输出放大器。为防止噪声 建议在存放内存信息时 该端不要有驱动信号。

外部时钟(XCLK)：该端内部有下拉元件，不用时应接地。

地址／模式输入（AX/MX）：地址端的作用取决于最高两位（MSB ，即A8和A9）的状态。当最高两位中有一个为0时，所有输入均作为当前录音或放音的起始地址。地址端只作输入，不输出操作过程中的内部地址信息。地址在ＣＥ的下降沿锁存。当最高两位全为1时，A0～A6可用于模式选择。美国ISD 公司的2500芯片，按录放时间60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和25120四个品种ISD2500系列和1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM 容量为480K(1400系列为128K) ，所以录放时间长；有10个地址输入端(1400系列仅为8个) ，寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF （溢出）端，便于多个器件级联 [7]。 电源的选用

系统采用开关电源，优点是输出功率大、体积小、效率高；缺点是输出纹波系数较大、对电网易产生干扰。

图4.3开关电源结构图

如图4.3所示电路为输出电压+12V，+5V、输出电流1.5A 的稳压电源。它由电源变压器

J3，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C4、C5，防止自激电容C2、C3、C6、C7和两只固定式三端稳压器(7812、7805) 极为简捷方便地搭成的。220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7812的Vin 和GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化) 。此直流电压经过LM7812的稳压和C4的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的12V 直流输出电压。此电源可作为四相步进电机的启动电源，再把12V 的直流电压经过LM7805的降压，和C5的滤波便在输出端产生5V 的直流电压，本稳压电源可作为TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器\

• L298N 是SGS 公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的

专用驱动器，即内含二个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，可驱动46V 、2A 以下的电机。

• 其实物及引脚图如下所示：

• L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中6V 为逻辑电源，12V 为动力电

源。J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。

• ENA 与ENB 直接接入6V 逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电

机的运行状态只有通过J1与J2两个接口。

• 由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状

态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。

• 我们如何控制采用PWM 来实现直流电动机的调速呢?

• 在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L298)在使用上可以分为两

种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式，半导体功率器件工作在线性区.

优点：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小。

缺点：功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。

开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM ）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。

当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U 。 t1秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。

t2秒后，驱动信号重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

L298N 芯片介绍:L298N可接受标准TTL 逻辑电平信号V SS ，V SS 可接4．5～7 V电压。4脚V S 接电源电压，V S 电压范围V IH 为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机正反转。E nA ，E nB 接控制使能端，控制电机的停转。

表1是L298N 功能模块图 表2 L298N各引脚功能

引脚

1

15

2

3

4

5

7

6

11

8

9

10

12

13

14

符号 SENSING A SENSING B OUT 1 OUT 2 Vs IN 1 IN2 ENABLE A ENABLE B GND Vss IN 3 IN 4 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器B 的两个输出端，用来连接负载 接地端，芯片本身的散热片与8脚相通

逻辑控制部分的电源输人端口 输入标准的TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B 的开关 使能控制端. 输入标准TTL 逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。 电机驱动电源输入端 输入标准的TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A 的开关 此两脚是全桥式驱动器A 的两个输出端，用来连接负载 功能 此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号 In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知E nA 为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当E nA 为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。