黎揚(yáng)歡　郭嘉敬

摘要：本系統(tǒng)采用單片機(jī)stc12c5a60s2作為自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)的檢測(cè)和控制核心，采用由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)物體升降，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體升降的自動(dòng)控制。該電路主要分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、鍵盤與顯示模塊、超聲波測(cè)距模塊等幾個(gè)部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊采用集成驅(qū)動(dòng)芯片L298N，控制與顯示部分分別采用4*4鍵盤作為控制和LCD1602作為顯示，測(cè)距電路采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。基于這些硬件設(shè)計(jì)，使用了一套較完善的軟件編程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)升級(jí)系統(tǒng)的基本功能，使之測(cè)量誤差在1CM以內(nèi)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；自動(dòng)控制；超聲波測(cè)距；誤差小

1 系統(tǒng)方案選擇與論證

1.1 電機(jī)的選擇與論證

方案一：采用普通的直流電機(jī)。普通直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

方案二：采用步進(jìn)電機(jī)控制升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)給定的脈沖周期，步進(jìn)電機(jī)能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)，定距運(yùn)動(dòng)較精確。但步進(jìn)電機(jī)不能告訴轉(zhuǎn)動(dòng)。

因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中需要精確的高度定位且啟停要迅速，所以在本設(shè)計(jì)中我們選擇方案二。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證

方案一：ULN2003是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。

方案二：L298N[2]內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)?？沈?qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。L298N具有抗干擾能力強(qiáng)和過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)的特點(diǎn)。

ULN2003接的是5V電壓，而L298N可以接12V，因此L298N具有更加強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能里。而且L298N具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)，因此綜合考慮選擇L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要芯片。

1.3 顯示部分方案的選擇與論證

方案一：采用LED數(shù)碼管顯示物體所在的高度以及升降所用的時(shí)間。在本系統(tǒng)中需要用到6只LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示才可以達(dá)到要求。采用LED的優(yōu)點(diǎn)是亮度高，價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是只能顯示0～9的數(shù)字和一些簡(jiǎn)單的字符，電路復(fù)雜，占用資源較多且信息量小。

方案二：用LCD1602液晶顯示，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示更多的字符，工作電流比LED小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故其功耗低，且有著良好的人機(jī)界面，體積小，功耗極低?；谏鲜隹紤]，所以我們選擇方案二。

1.4 測(cè)距方案的選擇與論證

方案一：通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)測(cè)距，通過(guò)已知轉(zhuǎn)軸的半徑R，從而計(jì)算出周長(zhǎng)C，最后算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)N，那么距離S為：S=C*N，但是這樣沒(méi)有把繩子的直徑計(jì)算進(jìn)來(lái)，會(huì)有比較大的誤差。方案二：采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精準(zhǔn)。所以我們選擇方案二。2電路框圖設(shè)計(jì)

3 程序框圖設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由單片機(jī)stc12c5a60s2[1]作為升降系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)鍵盤控制、液晶顯示、高度測(cè)量等幾個(gè)部分，即該系統(tǒng)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤與顯示模塊、超聲波測(cè)距模塊等幾個(gè)部分。現(xiàn)分別對(duì)各模塊進(jìn)行分析。

4.2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

4.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在本設(shè)計(jì)中采用集成驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心，L298N集成電機(jī)芯片，驅(qū)動(dòng)力很強(qiáng)。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中我們使用的是四相步進(jìn)電機(jī)，所以L298N完全符合要求。其電路原理圖如圖1所示。

4.2.2 鍵盤與顯示模塊

在本設(shè)計(jì)中使用了十六個(gè)按鍵，分別用來(lái)控制一鍵升降，一鍵停止，高度設(shè)置等功能，其電路如圖2。顯示部分采用LCD1602，因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中只要求顯示高度，可以不用中文顯示，所以LCD1602已完全滿足要求，其鍵盤與顯示模塊的電路原理圖如圖3所示。

4.2.3 超聲波測(cè)距模塊

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊[3]可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其電路如圖4所示。

基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10us的高電平信呈。

（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（3）有信號(hào)返回，通過(guò)10口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2：

4.2.4 聲光報(bào)警模塊

采用一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)LED燈，當(dāng)物體達(dá)到指定高度后，可自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，其電路如圖5所示。

5 測(cè)試儀器與方法

5.1 測(cè)試設(shè)備

數(shù)字萬(wàn)用表；穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；EDA設(shè)計(jì)軟件：DXP毫米刻度尺

5.2 測(cè)試方法

將一定滑輪固定在高為大于40cm的支架上，將一根繩子穿過(guò)定滑輪，掛在滑輪上，其一端放300克左右的物體，另一端繞在步進(jìn)電機(jī)的定軸上，并將步進(jìn)電機(jī)放在支架的底端。一切準(zhǔn)備工作都做好后，將15cm的距離調(diào)整好，再接通電源，進(jìn)行調(diào)試。

將物體放到0cm處（即參考點(diǎn)處），按下上升鍵，看能否一鍵上升并準(zhǔn)確測(cè)量所在高度。按下停止鍵，看能否實(shí)現(xiàn)一鍵停止。在0-25cm內(nèi)調(diào)整幾個(gè)高度，看物體能否在指定的高度立即停止。按下下降鍵，看能否在0cm處自動(dòng)停止。

5.3 測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試，誤差的范圍在1CM以內(nèi)，符合要求。造成誤差的主要原因是，升降平臺(tái)做得不夠平穩(wěn)和超聲波測(cè)距存在著一定的誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)升降系統(tǒng)廣泛用于旗幟的自動(dòng)升降。因此對(duì)誤差的要求比較高，系統(tǒng)較為復(fù)雜，而本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量誤差小等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然本系統(tǒng)也存在的缺點(diǎn)，希望在以后的學(xué)習(xí)中能不斷的將其完善。