黎揚歡　郭嘉敬

摘要：本系統(tǒng)采用單片機stc12c5a60s2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物體升降，實現(xiàn)對物體升降的自動控制。該電路主要分為電機驅(qū)動控制模塊、鍵盤與顯示模塊、超聲波測距模塊等幾個部分。電機驅(qū)動控制模塊采用集成驅(qū)動芯片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，測距電路采用HC-SR04超聲波測距模塊。基于這些硬件設(shè)計，使用了一套較完善的軟件編程，實現(xiàn)了自動升級系統(tǒng)的基本功能，使之測量誤差在1CM以內(nèi)。關(guān)鍵詞：單片機；自動控制；超聲波測距；誤差小

1 系統(tǒng)方案選擇與論證

1.1 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(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。

方案二：采用步進電機控制升降系統(tǒng)運動，通過給定的脈沖周期，步進電機能夠以任意速度轉(zhuǎn)動，定距運動較精確。但步進電機不能告訴轉(zhuǎn)動。

因為在本系統(tǒng)中需要精確的高度定位且啟停要迅速，所以在本設(shè)計中我們選擇方案二。

1.2 電機驅(qū)動方案的選擇與論證

方案一：ULN2003是集成達林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機、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)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號。可驅(qū)動46V、2A以下的電機。L298N具有抗干擾能力強和過電壓和過電流保護的特點。

ULN2003接的是5V電壓，而L298N可以接12V，因此L298N具有更加強的驅(qū)動能里。而且L298N具有過電壓和過電流保護，因此綜合考慮選擇L298N作為電機驅(qū)動電路的主要芯片。

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，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(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?；谏鲜隹紤]，所以我們選擇方案二。

1.4 測距方案的選擇與論證

方案一：通過電機的轉(zhuǎn)動的圈數(shù)來測距，通過已知轉(zhuǎn)軸的半徑R，從而計算出周長C，最后算出電機轉(zhuǎn)動的次數(shù)N，那么距離S為：S=C*N，但是這樣沒有把繩子的直徑計算進來，會有比較大的誤差。方案二：采用HC-SR04超聲波測距模塊，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm。其優(yōu)點是測距精準(zhǔn)。所以我們選擇方案二。2電路框圖設(shè)計

3 程序框圖設(shè)計

4 系統(tǒng)的具體設(shè)計

4.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由單片機stc12c5a60s2[1]作為升降系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)鍵盤控制、液晶顯示、高度測量等幾個部分，即該系統(tǒng)主要包括電機驅(qū)動模塊、鍵盤與顯示模塊、超聲波測距模塊等幾個部分。現(xiàn)分別對各模塊進行分析。

4.2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計

4.2.1 電機驅(qū)動模塊

在本設(shè)計中采用集成驅(qū)動芯片L298N作為電機驅(qū)動的核心，L298N集成電機芯片，驅(qū)動力很強。因為在本設(shè)計中我們使用的是四相步進電機，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)計中使用了十六個按鍵，分別用來控制一鍵升降，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，因為在本設(shè)計中只要求顯示高度，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 超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊[3]可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到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)測距，給最少10us的高電平信呈。

（2）模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；

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

4.2.4 聲光報警模塊

采用一個蜂鳴器和一個LED燈，當(dāng)物體達到指定高度后，可自動發(fā)出聲光報警，其電路如圖5所示。

5 測試儀器與方法

5.1 測試設(shè)備

數(shù)字萬用表；穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；EDA設(shè)計軟件：DXP毫米刻度尺

5.2 測試方法

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，另一端繞在步進電機的定軸上，并將步進電機放在支架的底端。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，進行調(diào)試。

將物體放到0cm處（即參考點處），按下上升鍵，看能否一鍵上升并準(zhǔn)確測量所在高度。按下停止鍵，看能否實現(xiàn)一鍵停止。在0-25cm內(nèi)調(diào)整幾個高度，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處自動停止。

5.3 測量結(jié)果

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

6 結(jié)語

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