基于51單片機的自動控制升降旗系統(tǒng)設(shè)計

ID:273390 · 發(fā)表于 2018-1-8 19:01

題目：設(shè)計一個自動控制升降旗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動控制升旗和降旗，升旗時，在旗桿的最高端自動停止；降旗時，在最低端自動停止。自動控制升降旗系統(tǒng)的機械模型如圖所示。旗幟的升降由電動機驅(qū)動，該系統(tǒng)有兩個控制按鍵，一個是上升鍵，一個是下降鍵。

基本功能:

1．按下上升按鍵后，國旗勻速上升，同時流暢地演奏國歌；上升到最高端時自動停止上升，國歌停奏；按下下降按鍵后，國旗勻速下降，降旗的時間不放國歌，下降到最低端時自動停止。

2．能在指定的位置上自動停止。

3．為避免誤動作，國旗在最高端時，按上升鍵不起作用；國旗在最低端時，按下降鍵不起作用。

4．升降旗的時間均為43秒鐘，與國歌的演奏時間相等，同時，旗從旗桿的最下端上升到頂端。降旗不演奏國歌，同時，旗從旗桿的最上端下降到底端。

5．數(shù)字即時顯示旗幟所在的高度，以厘米為單位，誤差不大于2厘米。

擴展功能:

增設(shè)一個開關(guān)，由開關(guān)控制是否是半旗狀態(tài)，該狀態(tài)由一發(fā)光二極管顯示。

1．半旗狀態(tài)（根據(jù)《國旗法》）。升旗時，按上升鍵，奏國歌，國旗從最低端上升到最高端之后，國歌停奏，然后自動下降到總高度的2/3高度處停止；降旗時，按下降鍵，國旗先從2/3高度處上升到最高端，再自動從最高端下降到底之后自動停止，國歌停奏。

2．不論旗幟是在頂端還是在底端，關(guān)斷電源之后重新合上電源，旗幟所在的高度數(shù)據(jù)顯示不變。

3．要求升降旗的速度可調(diào)整，旗桿高度不變的情況下，升降旗時間的調(diào)整范圍是30—120秒鐘，步進1秒。此時國歌停奏。

4．具有無線遙控升、降旗及停止功能

系統(tǒng)方案論證與比較系統(tǒng)方案

設(shè)計思路

題目要求設(shè)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(nèi)自行調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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 方案選擇與論證方案選擇與論證方案選擇與論證方案選擇與論證

1.2.1電機的選擇與論證電機的選擇與論證電機的選擇與論證電機的選擇與論證

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。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(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進電機啟動或反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。因為在本系統(tǒng)中需要精確的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換時間且啟停要迅速，所以在本設(shè)計中我們選擇方案二

1.2.2電機驅(qū)動方案的選擇與論證電機驅(qū)動方案的選擇與論證電機驅(qū)動方案的選擇與論證電機驅(qū)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(guān)進行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實現(xiàn)對電機的運行速度進行調(diào)整。這個電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，其缺點是繼電器的響應(yīng)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(diào)的開關(guān)狀態(tài)，可精確調(diào)整電動機的運動狀態(tài)（前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)）。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(zhuǎn)速和方向的控制，但不能很精確的控制步距和速度。

方案三：采用集成驅(qū)動芯片L298。L298是恒壓恒流雙H橋集成電機芯片，利用該芯片是實現(xiàn)驅(qū)動步進電機的一種簡單方法, 可時控制四相電機，且輸出電流可達到2A，可精確控制步距和速度，利用該方法設(shè)計的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件編程容易的特點. 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顯示部分方案的選擇與論證顯示部分方案的選擇與論證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(fù)雜，占用資源較多且信息量小。

方案二：用LCD（RT1602C）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

語音部分方案的選擇與論證

方案一：采用語音芯片ISD1420。該芯片采用CMOS技術(shù),內(nèi)含震蕩器、話筒前置放大、自動增益控制、防混肴濾波器、平滑濾波器、揚聲器驅(qū)動及EEPROM，一個最小的錄放系統(tǒng)僅由一個麥克風(fēng)、一個喇叭、兩個按扭、電源及少數(shù)電阻電容即可，結(jié)構(gòu)非常簡單，且它的音質(zhì)好、功耗低，但其錄放音時間短，只有8到20秒。

方案二：采用語音芯片ISD2560，它具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便，無須專用的開發(fā)系統(tǒng)等優(yōu)點。錄音時間為60 s，能重復(fù)錄放達10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，省去了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。每個采樣值直接存儲在片內(nèi)單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”，該器件的采樣頻率為8.0KHz。

綜上所述，因為在本系統(tǒng)國歌的的演奏時間需要43秒鐘，所以在此選用方案二

電路框圖設(shè)計

2.1 總體框圖設(shè)計總體框圖設(shè)計總體框圖設(shè)計總體框圖設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)可由圖2-1-1所示的幾個部分組成：

根據(jù)設(shè)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AT89S52，因為考慮到編寫的繁簡程度，所以在此使用C語言進行軟件編寫，這樣可以大大提高程序編寫時的效率。

2.2 整體程序流程圖

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由單片機AT89S52作為升降旗系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)鍵盤控制、液晶顯示、語音以及無線遙控等幾個部分，即該系統(tǒng)主要包括電機驅(qū)動模塊、鍵盤與顯示模塊、語音模塊及無線遙控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(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊

在本設(shè)計中采用集成驅(qū)動芯片L298作為電機驅(qū)動的核心，L298是恒壓恒流雙H橋集成電機芯片，可同時控制兩個電機，且輸出電流可達到2A，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L298完全符合要求。其電路原理圖如圖3-1-1所示。

其步進電機的控制原理為：為了準(zhǔn)確實現(xiàn)可調(diào)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(nèi)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(zhuǎn)動的總步數(shù)：總步數(shù)=高度（high）/0.0234, 在此，高度可調(diào)步長為1cm，時間可調(diào)時間間隔為1s。

3.1.2鍵盤與顯示模塊

在本設(shè)計中使用了八個按鍵，分別用來控制升降旗和升降半旗及其切換，高度及時間的調(diào)節(jié)，其鍵盤摸板如圖3-1-2，顯示部分采用液晶RT1602，因為在本設(shè)計中只要求顯示時間與高度，可以不用中文顯示，所以RT1602已完全滿足要求，其鍵盤與顯示模塊的電路原理圖如圖3-1-3所示。

3.1.3語音模塊

因為本設(shè)計要求演奏國歌，其時間為43秒鐘，所以選用的語音芯片其錄放時間應(yīng)大于43秒鐘，即在此選用語音芯片ISD2560，其錄放時間為60秒，完全符合本設(shè)計的要求，我們把國歌音樂錄制在ISD2560語音芯片中，然后用它的單次播放功能播放國歌，其電路原理圖如圖3-1-4所示。

ISD2560可以利用A0-A9這10條地址線實現(xiàn)分段錄放音，可以分為600段，在本設(shè)計中我們沒有用到分段錄放音，所以將10條地址線全部接地。當(dāng)錄音時，片選端CE接低電平、PD為低電平、P/R為低電平；當(dāng)放音時，片選端CE接低電平、PD為低電平、P/R為高電平。其控制原理為：A、當(dāng)升旗鍵按下時， ISD2560輸出播音控制信號播放國歌，國旗經(jīng)43s的時間勻速上升至旗桿頂端，國歌播放完畢；當(dāng)降旗鍵按下時，不播放國歌。B、在半旗狀態(tài)時，當(dāng)升旗鍵按下時，對ISD2560輸出播音控制信號播放國歌，國旗經(jīng)43s的時間勻速從最低端上升到最頂端之后，國歌停奏，然后自動經(jīng)14s的時間勻速下降到總高度的2/3高度處（120cm）停止；當(dāng)降旗鍵按下時，不播放國歌。

3.1.4無線遙控模塊

在本設(shè)計中采用SP多用途無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊， SP模塊必須用信號調(diào)制才能正常工作，常見的固定編碼解碼器件有PT2262/2272、SC2262/2272、LSD2262/2272等，在此我們選用的是LSD2262和LSD2272，LSD2262將A0～A5和A6/D5～A11/D0決定的地址和數(shù)據(jù)進行編碼，當(dāng)TE為低電平時，從DOUT輸出編碼信號，編碼信號提供給RF或IR電路發(fā)射，由RF或IR接收電路接收后，經(jīng)LSD2272解碼，實現(xiàn)遙控編碼和解碼。理論上只要直接連接上固定編碼解碼器件即可非常容易的達到很好的傳輸效果，但實際上需要考慮解碼器件的輸入阻抗，調(diào)制起來有點困難。其發(fā)射模塊的電路原理圖如圖3-1-5所示，接收模塊的電路原理圖如圖3-1-6所示。

SP多用途無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高僅次于晶體，當(dāng)環(huán)境溫度在－25～＋85度之間變化時，頻漂僅為3ppm/度。特別適合多發(fā)一收無線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。具有較寬的工作電壓范圍3～12V，當(dāng)電壓變化時發(fā)射頻率基本不變。

由于圖片過多，其余正文均在附件中