《單片機原理及應用》期末課程設計基于單片機的自動控制升降旗系統(tǒng)

1、 數(shù)理與信息工程學院單片機原理及應用期末課程設計題 目： 基于單片機的自動控制升降旗系統(tǒng) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電信041 姓 名： 學 號： 04610107 指導老師： 成 績： ( 2007.1 )目 錄設計任務2摘要4第 1 節(jié) 系統(tǒng)方案論證與比較51.1 設計思路51.2 方案選擇與論證51.2.1、電機的選擇與論證51.2.2、電機驅動方案的選擇與論證51.2.3、顯示部分方案的選擇與論證61.2.4、語音部分的方案選擇與論證6第 2 節(jié) 電路框圖設計 82.1 總體框圖設計82.2 整體程序流程圖9第 3 節(jié) 系統(tǒng)的具體設計103.1 系統(tǒng)的硬件設計103.1.1、電

2、機驅動模塊103.1.2、鍵盤與顯示模塊113.1.3、語音模塊123.1.4、無線遙控模塊133.2 系統(tǒng)的軟件設計153.2.1、各部分程序流程圖15第 4 節(jié) 測試方法與儀器174.1 測試設備174.2 測試方法17第 5 節(jié) 測試數(shù)據(jù)及測試結果析20第 6 節(jié) 結論22附錄23參考文獻25自動控制升降旗系統(tǒng)設計報告數(shù)理與信息學院 電信041魏麗晶指導教師：余水寶設計任務設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動，該系統(tǒng)有兩個控制按鍵，一個是上升鍵，一個

3、是下降鍵。自動控制升降旗示意圖（一）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。（二）擴展功能增設一個開關，由開關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

4、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整，旗桿高度不變的情況下，升降旗時間的調整范圍是30120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。摘要本系統(tǒng)采用單片機at89s52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國旗升降，實現(xiàn)對國旗升降的自動控制

5、。該電路主要分為電機驅動控制模塊、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。電機驅動控制模塊采用集成驅動芯片l298，控制與顯示部分分別采用鍵盤作為控制和液晶rt1602c作為顯示，語音電路采用語音芯片isd2560，無線遙控部分采用sp多用途無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，同時還采用了接近開關lmf2-3005na，防止旗幟在最高點或最低點誤動作，從而實現(xiàn)了雙重保險的作用?；谶@些完備而可靠的硬件設計，使用了一套完善的軟件編程，實現(xiàn)了自動升降旗的基本功能及發(fā)揮部分的一些功能。關鍵字：步進電機 自動控制 語音 遙控 液晶顯示 接近開關第 1 節(jié) 系統(tǒng)方案論證與比較1.1 設計思路題目要求設計一自

6、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30120秒的范圍內自行調整，標準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1.2.1、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)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣，過

7、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。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)轉矩值，就能夠立即使步進電機啟動或反轉。另一個顯著特點是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。因為在本系統(tǒng)中需要精確的轉換速度和轉換時間且啟停要迅速，所以在本設計中我們選擇方案二1.2.2、電機驅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進行控制，通過控制開關的切換速度實現(xiàn)對電機的運行速度進行調整。這個電路的優(yōu)點是電路結構簡單，其缺點是繼電器的響應時間長，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p

8、wm電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，可精確調整電動機的運動狀態(tài)（前進，后退，左轉，右轉）。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，利用該方法設計的步進電機驅動系統(tǒng)具有硬件結構簡單、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方案一：采用led數(shù)碼管顯示旗幟所在的高度以

9、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09的數(shù)字和一些簡單的字符，電路復雜，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?；谏鲜隹紤]，所以我們選擇方案二1.2.4、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,內含震蕩器、話筒前置放大、自動增益控制、防混肴濾波器、平滑濾波器、揚聲器驅動及eeprom，一個最小的錄放系統(tǒng)僅

10、由一個麥克風、一個喇叭、兩個按扭、電源及少數(shù)電阻電容即可，結構非常簡單，且它的音質好、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，能重復錄放達10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，省去了a/d、d/a轉換器。每個采樣值直接存儲在片內單個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。第

11、 2 節(jié) 電路框圖設計2.1 總體框圖設計根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)可由圖2-1-1所示的幾個部分組成：圖2-1-1 總體電路框圖根據(jù)設計要求，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 整體程序流程圖圖2-2-1 整體程序流程圖第 3 節(jié) 系統(tǒng)的具體設計3.1 系統(tǒng)的硬件設計本系統(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)主要包括電機驅動模塊、鍵盤與顯示模塊、語音模塊及無線遙控電路模塊

12、等幾個部分。現(xiàn)分別對各模塊進行分析。3.1.1、電機驅動模塊在本設計中采用集成驅動芯片l298作為電機驅動的核心，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，驅動力很強。因為在本設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。 圖3-1-1 電機驅動電路其步進電機的控制原理為：為了準確實現(xiàn)可調節(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=0.0

13、234cm，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，步進電機要轉動的總步數(shù)：總步數(shù)=高度（high）/0.0234, 在此，高度可調步長為1cm，時間可調時間間隔為1s。3.1.2、鍵盤與顯示模塊在本設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。圖3-1-2 鍵盤摸板圖3-1-3 鍵盤與顯示電路3.1.3、語音模塊因為本

14、設計要求演奏國歌，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。圖3-1-4 語音模塊的電路原理圖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。當錄音時，片選端ce接低電平、pd為低電平、p/r為低電平；當放音時，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、當升旗鍵按下時， i

15、sd2560輸出播音控制信號播放國歌，國旗經43s的時間勻速上升至旗桿頂端，國歌播放完畢；當降旗鍵按下時，不播放國歌。b、在半旗狀態(tài)時，當升旗鍵按下時，對isd2560輸出播音控制信號播放國歌，國旗經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14s的時間勻速下降到總高度的2/3高度處（120cm）停止；當降旗鍵按下時，不播放國歌。3.1.4、無線遙控模塊在本設計中采用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lsd227

16、2，lsd2262將a0a5和a6/d5a11/d0決定的地址和數(shù)據(jù)進行編碼，當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。圖3-1-5 發(fā)射模塊電路原理圖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，當環(huán)境溫度在2585度之間變化時，頻漂

17、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312v，當電壓變化時發(fā)射頻率基本不變。圖3-1-6 發(fā)射模塊電路原理圖sp接收模塊的工作電壓為5伏，靜態(tài)電流4毫安，它為超再生接收電路，接收靈敏度為105dbm。3.2 系統(tǒng)的軟件設計整個系統(tǒng)的主要任務是執(zhí)行升降旗、半旗、時間調整、高度調整四種運動，這樣系統(tǒng)軟件設計就可以分塊完成。主程序部分，主要是查鍵盤，通過查鍵，檢測應該做什么運動，鍵值不同調用不同的子程序。子程序包括上、下運動、半旗運動、時間調整和高度調整等。下面就按照各模塊的功能寫出程序流程圖如下所示。3.2.1、各部分程序流程圖各程序流程圖分別為如下所示

18、：圖3-2-1 主程序流程圖圖3-2-2 升旗處理子程序流程圖 圖3-2-2 升旗處理子程序流程圖第 4 節(jié) 測試方法與儀器4.1 測試設備1、dt890d數(shù)字萬用表2、tds1002存儲式數(shù)字示波器3、mps3003l3雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源4、仿真器：偉福（wave）e6000l5、eda設計軟件：protel99se6、秒表 一塊4.2 測試方法1、 將一定滑輪固定在高為大于180cm的支架上，將一根繩子穿過定滑輪，掛在滑輪上，其一端放100克左右的旗幟，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。2、 一切準備工作都做好后，將180cm的距離調整好，再接通電源，進行調試。3、

19、 對升降旗部分進行調試（按標準規(guī)定），將旗幟放到0cm處（即參考點處），按下升旗鍵，看國歌是否能響起，旗幟是否能在43秒中到達180cm處并停止；按下降旗鍵，看國歌是否不會響起，旗幟是否能在43秒中降到0cm處并停止。4、 對半旗部分進行調試，按下半旗鍵，再按下升旗鍵看國歌是否能響起，旗幟是否能在43秒中到達180cm處（此時國歌是否停奏），再自動降到120cm處并停止；按下降旗鍵，看國歌是否不會響起，旗幟是否會從120cm處上升到180cm處，再自動降到0cm處并停止。5、 對時間可調部分進行調試，在30120秒鐘內調整幾個時間，看旗幟能否能在此時間順利的升降旗。6、 對高度可調部分進行調試

20、，在0-180cm內調整幾個高度，看旗幟能否在指定的高度立即停止。第 5 節(jié) 測試數(shù)據(jù)及測試結果分析 由于在讀數(shù)時，人眼不可一、升旗時間和位置測試一、檢測升旗運動時，是不是勻速運動，其實際位置和理論位置是否對應，升旗43s到達180cm的位置和時間是否精確。其記錄數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1 升旗時間和位置測試數(shù)據(jù)記錄表（位置以cm為單位，時間以s為單位）實際位置180180180180180180所測位置實際時間434343434343實測時間二、降旗時間和位置測試檢測降旗運動時，是不是勻速運動，其實際位置和理論位置是否對應，降旗43s到達0cm的位置和時間是否精確。其記錄數(shù)據(jù)如表5-2所示

21、。表5-2 降旗時間和位置測試數(shù)據(jù)記錄表（位置以cm為單位，時間以s為單位）實際位置000000所測位置實際時間434343434343實測時間三、高度調整測試設定不同的高度，檢測所到達位置是否精確，時間是否是在按比例（即以43s經過180cm的比例計算）所算得的時間到達。（以升旗為例）如表5-3所示表5-3 高度調整數(shù)據(jù)記錄表（位置以cm為單位，時間以s為單位）實際位置3060100150170179所測位置理論時間7.1614.33323.8935.83340.61142.761實測時間四、時間調整測試設定不同的時間，檢測到達頂點位置（以180cm為準）的時間是否精確。（以升旗為例），其測

22、試數(shù)據(jù)如表5-4所示。表5-4 時間調整數(shù)據(jù)記錄表（位置以cm為單位，時間以s為單位）實際時間30506080100120實測時間實際位置180180180180180180實測位置五、半旗的時間和位置測試檢測半旗運動時，是不是勻速運動，其實際位置和理論位置是否對應，實際所需時間和理論時間是否對應。其記錄數(shù)據(jù)如表5-5所示。表5-5 時間調整數(shù)據(jù)記錄表（位置以cm為單位，時間以s為單位）實際位置120120120120120120實測位置理論時間57.3357.3357.3357.3357.3357.33實測時間上述的各項運動測試中，都存在著一定的誤差，現(xiàn)在我們就從以下幾個方面對誤差產生的原因

23、進行分析：（1）固定繩子的軸的直徑為2.5cm，理論上固定繩子的軸的直徑為2.5cm，但實際上由于線一圈一圈的繞上去，其實際用于計算的直徑就會有一定的變化，不可避免地為后面地計算帶來誤差。（2）機械制作工藝上的其他部分除了上述分析的因素外，還有諸如電機安裝時的位置不合理，電機繞線時的斜繞的問題，疊繞的問題等，都會引起最后物體運動定位精度不夠的結果。（3）人為引起的誤差能很精確的讀出所量得的距離，以及用秒表測試時，不能很精確的與電機的起停時間同步。第 6 節(jié) 結論 本系統(tǒng)的特色：本設計在硬件上，使用了步進電機控制和利用接近開關實現(xiàn)停止的雙重保險，在軟件上，利用c語言的簡單精練特點，實現(xiàn)起來更加簡

24、單，現(xiàn)將題目要求指標及系統(tǒng)實際性能列表如下： 基本要求 發(fā)揮要求 實際性能 升旗時，勻速上升 同 時演奏國歌，到達頂端時能自動停止。降旗時，不演奏國歌，到達低端時自動停止。當時間設定為43s、高度設定為180cm時，國旗勻速上升并且演奏國歌。當時間、高度設定為其他值時，國旗只勻速上升而不演奏國歌。降旗時，國旗勻速下降并不演奏國歌。能在指定的位置上自動停止通過高度上、下調節(jié)鍵來實現(xiàn)高度的調節(jié)，調節(jié)在哪一個高度就在此處停止。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。國旗到達最頂端時，按“升旗”鍵不起作用，國旗到達最低端時，按“降旗”鍵不起作用。數(shù)字即時顯示旗幟所在的高度通過rt1602c來顯示設置的高度、此時的高度以及設置的時間、此時運行的時間。由開關控制是否是半旗狀態(tài)，該狀態(tài)由一發(fā)光二極管顯示通過一個按鍵來實現(xiàn)半旗與非半旗之間的切換，半旗時，在液晶的右下角顯示“#”號。升半旗時，國旗先升到最頂端（同時奏國歌），再自動下降到總高度的2/3處。降半旗時，國旗先升到頂端，再自動下降到最低端。要求升降旗的速度可調整，旗桿高度不變的情況下，升降旗時間的調整范圍是30120秒鐘，步進1秒。此時國歌停奏通過調節(jié)時間上、下調節(jié)鍵來實現(xiàn)