简易国旗自动升降装置的设计与实现

定
三个统一
实验教学与理论教学相统一
位 实践训练与工程技能相统一
素质拓展与能力培养相统一
三个转变 辅导式实验启发式实验 面向实验结果面向实验过程 单一实验模式多元实验模式
项目设计目的： 1.锻炼学生综合运用知识 2.提前接触工程应用实际 3.开展自主探索研究
兴趣 难易适中
一、项目构思
一、实验内容与任务： 根据所学知识，设计并制作一个自动控制的升降国旗装置，升旗时在
2.案例采用： 先“模块化”再“搭积木”的设计 方法，结合仿真软件，完成实际作品， 使学生熟悉完整的工程实践过程
综合考察学生对单片机、模拟电路、数字电路相关知识的掌握，引导 学生夯实基础的同时拓展知识视野，设计不同的解决方案及根据工程 需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件构建 测试环境与条件，并通过测试与分析对项目做出技术评价；鼓励拔尖 学生自主学习，拓宽知识面。
一、案例构思
二、实验过程及要求
1. 尽可能地查找满足实验要求的单片机、电机及驱动、显示器、存储器以及 其他相关元器件，学习并了解不同器件的参数指标，比较分析选择最优； 2. 掌握单片机工作原理及实际编程应用； 3. 掌握电机及驱动工作原理及实际应用； 4. 掌握存储器电路、总线的设计方法； 5. 掌握显示器、键盘的设计方法； 6. 设计硬件电路并优化、仿真，记录仿真结果； 7. 制作硬件电路，软硬件联调并测试，优化系统参数，设计合理测试表格，记
录测试结果； 8. 考察理论值与实测值的误差，思考误差产生的原因； 9. 撰写设计报告，阐明电路设计、结果分析等； 10.展示作品，并通过分组演讲、答辩，学习交流不同解决方案的优缺点。
一、项目构思
三、相关知识及背景
模拟电路知识 电路基础知识
控制系统
数字电路知识
电机及相关知 识
编程能力
电路仿真软件
PCB制板及相关知 识
显示模块 显示模块可采用液晶屏幕进行显示，主要完成对国旗高度的实时显示、国歌 的计时、国旗速度的显示等功能。 键盘检测模块 人机接口采用键盘输入方式，可选用独立按键或者矩阵键盘，可实现国旗的 上升和下降、国旗速度的调整、国旗位置的控制等功能。 存储模块 存储模块用于记录国旗的高度数据，当系统重新上电后，可显示国旗的原来 的高度数据，因此存储模块需要具有掉电保护功能。 语音模块 语音模块用于在升国旗的同时播放国歌，考虑到国歌播放的连续性，可选用 独立的语音芯片或者单独的单片机进行控制。
三、实现方案
电机驱动模块 电机驱动模块主要完成对国旗升降的控制，为了保证控制的精度和误 差，可采用步进电机进行驱动。考虑到在升降国旗的过程中存在的各 种情况，要求电机驱动模块应具有脱机、使能、锁定等功能。同时考 虑到系统的抗干扰性能，接口需要考虑采用光电隔离等措施，并具有 过热自动保护等功能。
三、实现方案
Flash存储芯片
SD存储卡 外部存储芯片(AT24C02等)
信号处ຫໍສະໝຸດ Baidu 模块
MCU 处理
器
CPLD/ FPGA
PLC
图2 实现方式的多样性
显示模块
LED数码管 LCD显示器
LED灯柱 点阵LCD
键盘检测模块
自复式按钮 拨码开关
实现方案强调多样性，突出最优方案
电机
步进电机 直流电机 减速电机 伺服电机
驱动模块
L298N主控芯片 驱动电路
L293D主控芯片 驱动电路
TB6560AHQ主控 芯片驱动电路
语音模块
采用单片机控制蜂鸣器电路 采用语音编解码芯片电路
采用ISD1730高音质语音录放电路 采用LMD系列语音模块电路
存储模块
旗杆顶端停止，降旗时在低端停止。
基本要求： 1.按下上升键后，旗帜匀速上升，同时流畅播放歌曲，上升到顶端时自动 停止，歌曲停奏，按下下降键后，旗帜匀速下降，不播放歌曲，下降到低端 时自动停止； 2.旗帜在最高端，上升键不起作用；旗帜在最低端，下降键不起作用； 3.升降旗时间均为43秒，与国歌演奏时间相等； 4.即时显示旗帜所在高度，以厘米为单位，误差不大于2厘米。
科技开放与实践创新项目
简易国旗自动升降装置的设计与实现
兰州交通大学 国家级电工电子实验教学示范中心
1
项目构思 教学目的 实现方案 教学模式 考核评价
2
一、 项目构思
实验课程名称：综合扩展实验 实验案例名称：简易国旗自动升降装置设计与实现 实验学时安排：课外开放实验 参与学生：自动化、自动控制、电气专业（二年级下、三年级）
本实验以单片机控制系统为点，逐 步扩大知识覆盖面，综合模拟电路、 数字电路等相关知识，同时学生须 自主学习实验中涉及的其他知识点 电路仿真、PCB制板以及专业知识点 电机等。

所学课程知识的融合

跨课程知识点的融合

已学与拓展知识的融合

实验与工程实践的融合
二、教学目的
1.案例由点到面： 扩大知识覆盖面，涵盖已学知识 自主学习拓展知识 提前进入专业知识
三、实现方案
系统可以分解为主控模块、电机驱动模块、语音模块、显示模块、键盘 检测模块等，其原理框图如图1所示
电机 驱动
语音 模块
存储 模块
主控 模块
显示 模块
复位 电路
键盘检 测模块
图1 系统结构
三、实现方案
主控模块
主控模块是本系统的核心模块，主要完成逻辑计算与任务调度等功能。主控模块应具 有如下接口： •与电机驱动模块的接口：一般采用脉冲信号进行驱动，因此采用I/O口进行接口，有 共阳极和共阴极两种方式； •与显示模块的接口：可采用并行8路数据或串行通信方式进行接口； •与键盘检测模块的接口：采用I/O方式进行接口，可采用高电平有效或低电平有效； •与存储模块的接口：一般采用I2C接口，主控模块的I/O端口可模拟该通信协议； •与语音模块的接口：与语音模块接口只是给一个起、停的信号，因此采用I/O方式进 行接口。
一、项目构思
一、实验内容与任务： 根据所学知识，设计并制作一个自动控制的升降国旗装置，升旗时在
旗杆顶端停止，降旗时在低端停止。
扩展要求： 1.重新合上电源后，旗帜显示高度数据不变； 2.要求升降旗的速度可调整，调整范围5.37-21.50秒（除43秒外，其他 时间可与国歌不同步）； 3.在最高升降速度下（以自选电机参数定），能在指定位置自动停止， 定位误差不大于2厘米