2023年基于单片机自动控制升降旗系统设计.doc

基于单片机自动控制升降旗系统设计 目 录 设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 第 1 节 系统方案论证与比拟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.1 设计思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2 方案选择与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2.1、电机的选择与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2.2、电机驱动方案的选择与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1.2.3、显示局部方案的选择与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 1.2.4、语音局部的方案选择与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第 2 节 电路框图设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.1 总体框图设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.2 整体程序流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第 3 节 系统的具体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.1 系统的硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.1.1、电机驱动模块．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.1.2、键盘与显示模块．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.3、语音模块．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 3.1.4、无线遥控模块．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 3.2 系统的软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 3.2.1、各局部程序流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 第 4 节 测试方法与仪器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 4.1 测试设备．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 4.2 测试方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 第 5 节 测试数据及测试结果析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 第 6 节 结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 基于单片机自动控制升降旗系统设计 设计任务 设计一个自动控制升降旗系统，该系统能够自动控制升旗和降旗，升旗时，在旗杆的最高端自动停止；降旗时，在最低端自动停止。 自动控制升降旗系统的机械模型如以下图。旗帜的升降由电动机驱动，该系统有两个控制按键，一个是上升键，一个是下降键。 自动控制升降旗示意图 〔一〕根本功能 1．按下上升按键后，国旗匀速上升，同时流畅地演奏国歌；上升到最高端时自动停止上升，国歌停奏；按下下降按键后，国旗匀速下降，降旗的时间不放国歌，下降到最低端时自动停止。 2．能在指定的位置上自动停止。 3．为防止误动作，国旗在最高端时，按上升键不起作用；国旗在最低端时，按下降键不起作用。 4．升降旗的时间均为43秒钟，与国歌的演奏时间相等，同时，旗从旗杆的最下端上升到顶端。降旗不演奏国歌，同时，旗从旗杆的最上端下降到底端。 5．数字即时显示旗帜所在的高度，以厘米为单位，误差不大于2厘米。 〔二〕扩展功能 增设一个开关，由开关控制是否是半旗状态，该状态由一发光二极管显示。 1． 半旗状态〔根据国旗法〕。升旗时，按上升键，奏国歌，国旗从最低端上升到最高端之后，国歌停奏，然后自动下降到总高度的2/3高度处停止；降旗时，按下降键，国旗先从2/3高度处上升到最高端，再自动从最高端下降到底之后自动停止，国歌停奏。 2． 不管旗帜是在顶端还是在底端，关断电源之后重新合上电源，旗帜所在的高度数据显示不变。 3． 要求升降旗的速度可调整，旗杆高度不变的情况下，升降旗时间的调整范围是30—120秒钟，步进1秒。此时国歌停奏。 4． 具有无线遥控升、降旗及停止功能。 本系统采用单片机AT89S52作为自动控制升降旗系统的检测和控制核心，采用由单片机控制的步进电机带动国旗升降，实现对国旗升降的自动控制。该电路主要分为电机驱动控制模块、键盘与显示模块、语音模块及无线遥控电路模块等几个局部。电机驱动控制模块采用集成驱动芯片L298，控制与显示局局部别采用键盘作为控制和液晶RT1602C作为显示，语音电路采用语音芯片ISD2560，无线遥控局部采用SP多用途无线数据收发模块，同时还采用了接近开关LMF2-3005NA，防止旗帜在最高点或最低点误动作，从而实现了双重保险的作用。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套完善的软件编程，实现了自动升降旗的根本功能及发挥局部的一些功能。 关键字：步进电机 自动控制 语音 遥控 液晶显示 接近开关 第 1 节 系统方案论证与比拟 1.1 设计思路 题目要求设计一自动控制升降旗系统，该系统能够自动升降旗和自动升降半旗,能够在指定位置停止，升降旗的时间可在30—120秒的范围内自行调整，标准的升降旗时间与国歌演奏时间相等，即为43秒，且具有数字即时显示旗帜所在的高度和无线遥控升、降旗及停止功能。根据题目要求由一个步进电机来控制旗帜的升降情况，由接近开关来防止旗帜在最高点或最低点停止时出现的误动作，由液晶来显示旗帜所在的高度及升降旗所用的时间，无线遥控电路使用无线发射接收模块SP，语音模块采用集成语音芯片ISD2560。 1.2 方案选择与论证 1.2.1、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 1.2.2、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，且输出电流可到达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。 1.2.3、显示局部方案的选择与论证 方案一：采用LED数码管显示旗帜所在的高度以及升降旗所用的时间。在本系统中需要用到6只LED数码管进行动态显示才可以到达要求。采用LED的优点是亮度高，醒目，价格廉价，寿命长；缺点是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。 方案二：用LCD〔RT1602C〕液晶显示，其优点是能显示更多的字符，工作电流比LED小几个数量级，故其功耗低，且有着良好的人机界面，体积小，功耗极低。 基于上述考虑，所以我们选择方案二 1.2.4、语音局部方案的选择与论证 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，防止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。 第 2 节 电路框图设计 2.1 总体框图设计 根据设计要求，本系统可由图2-1-1所示的几个局部组成： 图2-1-1 总体电路框图 根据设计要求，可得本系统的程序主流程图如图2-2-1所示：本系统的控制器采用ATMEL公司的AT89S52，因为考虑到编写的繁简程度，所以在此使用C语言进行软件编写，这样可以大大提高程序编写时的效率。 2.2 整体程序流程图 图2-2-1 整体程序流程图 第 3 节 系统的具体设计 3.1 系统的硬件设计 本系统由单片机AT89S52作为升降旗系统的控制核心，实现键盘控制、液晶显示、语音以及无线遥控等几个局部，即该系统主要包括电机驱动模块、键盘与显示模块、语音模块及无线遥控电路模块等几个局部。现分别对各模块进行分析。 3.1.1、电机驱动模块 在本设计中采用集成驱动芯片L298作为电机驱动的核心，L298是恒压恒流双H桥集成电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可到达2A，驱动力很强。因为在本设计中我们使用的是四相步进电机，所以L298完全符合要求。其电路原理图如图3-1-1所示。 图3-1-1 电机驱动电路 其步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，那么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，那么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