基于单片机的自动升降旗系统设计毕业论文.doc

。黑龙江东方学院毕 业 论 文 （设 计）题目：基于单片机的自动升降旗系统设计学生姓名王 梓学 号09102326专 业电气工程及其自动化班 级2009级3班指导教师王 强学 部计算机科学与电气工程答辩日期2013年5月18日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（一）姓名王梓学号09102326专业班级电气工程及其自动化09级3班总成绩毕业论文（设计）题目：基于单片机的自动升降旗系统设计 答辩委员会评语答辩成绩主任签字： 年 月 日答辩委员会成员签字学部毕业论文（设计）领导小组意见组长签字： 年 月 日 学部公章黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（二）姓名王梓学号09102326专业班级电气工程及其自动化 09级3班毕业论文（设计）题目：基于单片机的自动升降旗系统设计指导教师评语指导教师成绩指导教师签字： 年 月 日-可编辑修改-黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（三）姓名王梓学号09102626专业班级电气工程及其自动化 09级3班毕业论文（设计）题目：基于单片机的自动升降旗系统设计评阅教师评语评阅教师成绩评阅教师签字： 年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）任务书姓名王梓学号09102326专业班级电气工程及其自动化09级3班毕业论文（设计）题目：基于单片机的自动升降旗系统设计毕业论文（设计）的立题依据: 据2008年前的一份关于北京、天津体育馆升旗设施调查显示，绝大多数体育馆依然采用手动升旗。近几年来，虽然开发了一些自动升旗控制系统，但是控制系统在噪音干扰较大的体育场稳定运行度不高，此外存储一般，不能添加国歌数据。主要内容及要求: 1.可手动、可遥控。即可以通过按键来控制旗帜的匀速升降,也可以通过遥控器 来实现远距离控制； 2. 可以按照用户的要求上升或下降到指定位置，并可在任意位置停止； 3. 国旗在上升过程中能准确与国歌乐曲同步； 4. 能实现半旗的升降功能； 5. 具有断电保护功能；进度安排9 月20日选题9 月21日10月31日接受指导老师的指导11月1 日11月17日拟定论文大纲11月18日12月20日搜集、查阅、整理相关资料12月21日3 月31日初稿形成4 月1 日4 月7 日初稿审定4 月8 日4 月14日第一次修改4 月15日4 月21日第一次审定4 月22日4 月28 日第二次修改4 月29日5 月12日定稿5 月13日5 月17日论文评阅小组评审论文（设计）5 月18日毕业论文（设计）答辩学生签字：指导教师签字：年 月 日。基于单片机的自动升降旗系统设计摘要本设计是关于自动控制升降旗系统的设计。本着实用、调整控制方便、功能完善等方面的原则。在步进电机的驱动电路上直接选用了模块化的控制器，大大减轻了CPU的负担，也完全符合快速设计的原则。本系统设计了实现精确定时的时钟电路和用于掉电保护的存储电路，同时还设计了功能齐全的键盘/显示电路和使国旗飘扬的鼓风电路以及遥控电路1。该系统具有以下特点：可按键、可遥控自动控制升旗和降旗，并在任意指定位置自动停止，升旗过程中能准确与国歌乐曲同步；实现半旗状态的功能；具有断电保护功能；升降速度可调功能；还具有无线遥控的作用等特点。需要设定的升、降过程以及半旗状态是通过按键实现，并能显示上升或下降时间和旗帜所在高度。本系统的创新点包括：防止升降旗过程中出现冒顶系统；国旗到达顶点时，旗面保持迎风飘扬而不缠杆。在实现以上功能的过程中，升降旗时间在30120秒内可调，通过改变步进电机的转动速度来改变旗帜上升或下降的速度，并通过LCD显示上升或下降时间和旗帜所在高度2。关键词：单片机；步进电机；接近开关关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词Design of automatic flag raising system based on MCUAbstract2008 years ago, according to a report on Beijing, tianjin stadium flag-raising facilities according to the survey, most of the stadium is still using manual hoist a flag. Developed in recent years, although some flag auto control system,but the stadium and stable operation of the control system in large noise degree is not high, in addition to storage in general, data can not add the national anthem.This design is about the automatic control of the raising of the flag system design. In line with the practical, easy to adjust the control principle, function perfect, etc. In stepping motor driver circuit USES modular controller directly, greatly reduce the burden of the CPU, also completely accords with the principle of rapid design. This system was designed to realize precise timing clock circuit and storage circuit for power lost protection, but also design a fully functional keyboard/display circuit and make the national flag fluttering blast circuit and control circuit.The system has the following features: buttons, remote automatic control flag raising and lowering, and in any specified position automatically stop, accuracy and the national anthem during a flag-raising music synchronization; To realize the function of half-mast state; Has the power-off protection function; Speed adjustable function; Also have the function of the wireless remote control, etc. Need to set the process of ascending, descending and half-mast state is achieved by buttons, and can display up or down time and flag the altitude. Innovation points of this system include: to prevent rising flag appeared in the process of roof caving system; Highlighted flag when it reaches the top, keep the flies without tie rod. , in the process of realizing the function of above flag rise time is adjustable in 30 120 seconds, by changing the rotation of the stepper motor speed to change the flag rising or falling speed, and through the LCD display up or down time and flags in height.Keywords: Single chip microcomputer; Stepping motor; Close to the switch小提示：当需要从网站或者文档复制到本文档时，先将文字复制到文本文档，然后再从文本文档复制到本文档的相应位置，这样就能够保证格式是正确的！此行不会被打印千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。(在word菜单-工具-选项-视图标签中，格式标记部分请全部打对号，这样就可以看到隐藏的分节符和空格等信息了)-可编辑修改-。目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 自动控制系统简介11.2 自动控制系统的特点1第2章 总体设计方案32.1 主控制器模块的选择32.2 电机的选择32.3 电机驱动方案的选择42.4 语音芯片的选择42.5显示方式的选择42.6 红外接收的选择52.7 本章小结5第3章 硬件设计63.1 系统整体思路63.2 主控制器模块63.3 L298电机驱动模块73.4 语音模块93.5 外部存储电路103.6 无线遥控电路113.7 定时电路的设计113.8 接近开关电路的设计123.9 本章小结13第4章 软件设计144.1 主程序流程图144.2 升旗子程序154.3 半旗状态子程序164.4 时间和高度调整子程序174.5 本章小结18结论19参考文献20附录21致谢22千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”-可编辑修改-。基于单片机的自动升降旗系统设计第1章 绪论1.1 自动控制系统简介近些年来，随着高云会及各种大型国际赛事的开展，升旗仪式已成为一个必备的环节。据2008年前的一份关于北京、天津体育馆升旗设施调查显示，绝大多数体育馆依然采用手动升旗。近几年来，虽然开发了一些自动升旗控制系统，但这些升旗控制系统绝大多数采用小型芯片控制，小型芯片控制系统在噪音干扰较大的体育场稳定运行度不高，此外小型芯片存储一般，不能添加国歌数据。在大型赛事中，总舵的参赛锁甲和地区国歌的选择查找比较翻作，增加了工作人员的工作量3。针对以上问题，开发了基于STC98S52RC的自动控制升旗系统。STC98S52RC控制系统具有较强的抗干扰能力，完全适用于噪音较大的体育场，在手动调节升旗时长时，更加与歌曲同步。此外此系统还能够对升旗世间安进行实时监控，保证了系统更加稳定的运行。全自动升旗控制系统不仅可以减少误差，完美的完成升旗，而且还能展现我国的工业自动化发展水平。1.2 自动控制系统的特点本系统采用单片机STC89C52RC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42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部分。电机驱动控制模块采用集成驱动芯片L298，语音电路采用语音芯片ISD1700，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基本功能及发挥部分的功能。本系统具有以下特点：1、可手动、可遥控。即可以通过按键来控制旗帜的匀速升降,也可以通过遥控器来实现远距离控制；2、可以按照用户的要求上升或下降到指定位置，并可在任意位置停止；3、国旗在上升过程中能准确与国歌乐曲同步；4、能实现半旗的升降功能；5、具有断电保护功能；在实现以上功能的过程中，升降旗时间在30120秒内可调，通过改变步进电机的转动速度来改变旗帜上升或下降的速度，并通过LED显示上升或下降时间和旗帜所在高度。旗帜达到顶端后，由鼓风机提供风源使旗帜始终处于飘扬的状态。第2章 总体设计方案2.1 主控制器模块的选择本系统对CPU运算速度要求不高，不需要执行很复杂的运算，所以我们采用传统的STC89S52RC作为电机的控制核心。该单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛4。综合考虑选用STC89S52RC较适合本系统的要求。2.2 电机的选择方案一：采用28BYJ48型号的步进电机，既可以实现对速度的精密控制，又可以实现不同高度停止的要求。该步进电机价格低廉，功耗较低，且易于操作，但速度较慢。方案二：采用42步进电机，同样可以实现对速度的精密控制，也可以实现不同高度停止的要求。42步进电机具有功耗较低，易于操作，速度快力矩大等诸多优点，但其价格较高。步进电机不需要使用传感器就能精确定位，而且通过给定的脉冲周期，能够以任意速度转动，定矩运动教精确。虽然步进电机不能高速转动，但根据题目要求的时间和移动距离，步进电机完全能够符合要求，是该种要求下广泛使用的一种电机。所选步进电机的型号为17HS101，同时考虑降低CPU的负担，避免让CPU来产生步进电机的驱动脉冲节拍以及驱动步进电机的功率驱动电路，因此我们也直接购置与步进电机配对的驱动器，该驱动器型号为SH-2H042Mb，为两相四线式，细分的步距角有0.045、0.09、0.18、0.36、0.9等5档。步进电机的控制非常简单，从理论上说，只需给驱动器脉冲信号即可，每给驱动器一个CP脉冲，步进电机就旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角），也就是说步进电机时时跟随CP脉冲的变化。但是实际上，如果CP信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化，这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时，必须有升速过程；在停止时必须有降速过程，一般来说升速和降速过程规律相同，以下以升速为例介绍。升速过程由突跳频率加升速曲线组成（降速过程反之）。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和丢步。升降速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线或正弦曲线等。用户需根据自己的负载选择合适的突跳频率和升降速曲线，找到一条理想的曲线并不容易，一般需要多次试机才行。指数曲线在实际软件编程中比较麻烦，一般事先算好时间常数存贮在计算机存贮器内，工作过程中直接选取。步进电机的升降速设计为控制软件的主要工作量，其设计水平将直接影响电机运行的平稳性、升降速快慢、电机运行声音、最高速度、定位精度。一种特例是：步进电机的运行速度不超过突跳频率，这时将不存在升降速问题。综合考虑以上两种方案我们选用速度快力矩大的42步进电机。2.3 电机驱动方案的选择方案一：采用常用的步进电机驱动芯片ULN2003。ULN2003多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。通常芯片采用DIP封装。方案二：采用L298驱动芯片。L298既可以驱动直流电机又可以驱动步进电机，常用于打字机、数字机床、复印机等控制电路中。通过对比发现相同电压下对42步进电机驱动能力L298要比ULN2003大。所以本次设计中我们采用L298作为步进电机的驱动芯片。2.4 语音芯片的选择方案一：采用语音芯片ISD1820。该芯片采用CMOS技术，且外围电路简单，音质好、功耗低，缺点是其录放音时间短，只有8到20秒。方案二：采用语音芯片ISD1730，它具音质好、噪音低，使用方便。录音时间可达60s,综合考虑：由于国歌播放所需时间为43秒，因此只能选择方案二。2.5显示方式的选择方案一：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，本实验中需要用到6只LED数码管进行动态显示才可以达到要求。采用LED的优点是亮度高，价格便宜，寿命长，缺点是只能显示数字和一些简单的字符。方案二：采用LCD液晶显示，优点是显示内容丰富，功耗低。比较以上两种方案，选择方案二。2.6 红外接收的选择HS0038红外接收头基本不需要外围电路。接收红外信号频率为38kHz，周期约26s抗干扰强。因此我们选用常用的HS0028红外接收头。2.7 本章小结本章对系统中的硬件进行了选择和分析，同功能的产品较多，但是性能不尽相同，根据系统技术要求和系统整体性能为依据，选择合适本系统的硬件，用以达到更好的实际效果。注意：除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结第3章 硬件设计微控制器EEPROM步进电机接近开关LED数码显示电机驱动器无线遥控键盘负载鼓风机定时电路图3-1 系统整体框图3.1 系统整体思路整体电路是围绕STC89S52RC完成，当键盘或无线遥控发出命令，提供歌曲所用时长，CPU会根据内部编程计算出电机每秒的转动角度，达到匀速转动，使升降旗整个过程时刻保持匀速上升或下降。3.2 主控制器模块STC89S52RC单片机直接兼容8051单片机，并且抗干扰能力强，价格更低廉。图3-2 STC89S52RC内部图STC89S52具有以下优点：1. 超大容量SRAM，最高达4.2K字节。2. 直接取代传统8051单片机，成本更低。3. 10位A/D，可达25万次/秒。4. 超强抗干扰。5. 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施：（1）禁止ALE输出（2）如选6时钟/机器周期，外部时钟频率可降低一半（3）单片机之中振荡器增益可设为1/2 gain6. 超低功耗：（1）掉电模式：典型功耗0.1Ua（2）正常工作模式：4mA-7mA（3）掉电模式可由外部中断唤醒，试用于电池供电系统7. 在系统可编程，无需编程器及仿真器，可远程升级8. 高可靠制造保证图3-3 STC89S52RC内部结构3.3 L298电机驱动模块L298是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器,它能产生4相控制信号,可用于计算机控制的两双极和四相单相步进电机,能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容5。L298的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插15脚塑封封装。图3-4 L298塑封封装L298逻辑性很强，但是对于逻辑控制相当简单。简单的逻辑信号就能实现对电机的控制。表3-1 L298逻辑关系IN1IN2ENA电机状态XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止L298的电机驱动模块连接也相当简单。图3-5 L298电路连接图L298有两路电源分别为逻辑电路和动力电源，6V为逻辑电源，12V为动力电源。J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1和J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与连个电极的正负极相连。ENA与ENB直接接入6V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J1与J2连个接口。由于我们使用的电机是步进电机，运行状态处于计时运动，突然转换到停止状态会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。3.4 语音模块采用微创公司生产的性能良好，使用方便的WT2560语音芯片来播放国歌。WT2560是微创系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为60，可重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPOM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，从而避免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8.2kHz，同一系列的产品采样频率越低录放时间越长,但通频带和音质会有所降低6。此外，WT2560还省去了A/D和D/A转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480k字节的EEPOM。WT2560内部EEPOM存储单元均匀分为600行，有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100。此外，WT2560还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。WT2560可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。我们把国歌音乐录制在WT2560语音芯片中，然后用它的单次播放功能播放国歌。图3-6 WT2560封装引脚图图3-7 语音录放电路3.5 外部存储电路本系统采用常用的EEPROM芯片24C20。该芯片结构简单且具有写保护功能，芯片数据只能被读出，而被保护部分不能写入数据。图3-8 24C20电路连接图3.6 无线遥控电路HS2262将A0A5和A6/D5A11/D0决定的地址和数据进行编码，当TE为低电平时，从DOUT输出编码信号，编码信号提供给RF或IR电路发射，由RF或IR接收电路接收后，经HS2272解码，实现遥控编码和解码。一块无线发射芯片HS2262和接收芯片HS2272设计的电路有4个输入信号，完全满足设计要求的3按键遥控。3.7 定时电路的设计我们在系统的设计上，对题目的功能要求进行了发挥，不仅显示旗帜运动时位置而且显示运动时间，使得系统更加直观。对于时间的控制，尽管CPU内部能进行定时控制，但为了提高精度和节省CPU的资源，我们专门设计了外部定时电路，选择Intersil公司的实时时钟芯片ISL12026，它是一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。ISL12026 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路1.0V 以及两线制I2C 总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。因而，ISL12026 是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。X1226具有时钟和日历的功能，时钟依赖时、分、秒寄存器来跟踪，日历依赖日期、星期、月和年寄存器来跟踪，日历可正确显示至2099年，并具有自动闰年修正功能。拥有强大的双报警功能，能够被设置到任何时钟/日历值上，精确度可到1秒。可用软件设置1Hz、4096Hz或32768Hz中任意一个频率输出。由于系统只对物体的运动计时，我们只运用32分频脉冲输出即可，该方波信号1/32 S向CPU申请一次中断，CPU在中断服务程序中，对运动的时间加1处理并显示。ISL12026有16个8位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz的振荡器（带有一个内部集成电容）、分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟）、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400kHz的I2C总线接口。X1226提供一个备份电源输入脚VBACK，允许器件用电池或大容量电容进行备份供电。采用电容供电时，用一个硅或肖特基二极管连接到Vcc和充电电容的两端，充电电容连接到Vback管脚，注意不能使用二极管对电池充电(特别是锂离子电池)。切换到电池供电的条件是Vcc=Vback-0.1V，正常操作期间，供电电压Vcc必须高于电池电压，否则电池电量将逐步耗尽。振荡器采用外接32.768kH的晶体，产生的振荡误差可通过软件对数字微调寄存器、模拟微调寄存器的数值进行调节加以修正，避免了外接电阻和电容的离散性对精度的影响。4Kb的EEPROM可用于存储户数据。所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。当一个RTC寄存器被读时，所有计数器的内容将被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟日历芯片的错读。3.8 接近开关电路的设计两个接近开关在国旗到达顶部或者下降到底部时输出较高的电压，没有时输出一个较低的电压，通过LM324进行电压比较，检测到黑线时，输出为“1”，否则为“0”。单片机的P0口接收到这些信号后，通过逻辑判断来判断电机的动作，让物体沿着预定轨道运行。图3-9 接近开关电路3.9 本章小结本章对各个硬件进行了详细地介绍，对各个硬件的功能也做了解释说明。每个硬件都可以单独成为一个硬件模块，这样在测试时可以清楚的找到系统问题所在，对每个模块进行单独编程，进行软件编程时思路会更加清晰，也易于查找错误。第4章 软件设计整个系统主要任务是使国旗执行升降旗、半旗、时间调整、高度调整四种运动，这样系统软件设计就可以分块完成。主程序部分，主要是查键盘，通过查键，检测应该做什么运动，键值不同调用不同的子程序。子程序包括上、下运动、半旗、运动时间调整和高度调整等。4.1 主程序流程图主程序主要用于处理键盘和显示程序。通电初始化掉电处理键盘扫描有键按下？键处理NY图4-1 主程序流程图4.2 升旗子程序主程序如在执行过程中，扫描到升旗键被按下，将自动调用升旗子程序，实现升旗功能并在升旗过程中伴随国歌响起。YYYyyYYYyyNNN按键处理升旗？半旗？调节时间?调节高度?升旗子程序半旗子程序调时间子程序调高度子程序YYYyyYYYyy图4-2 按键处理子程序流程图4.3 半旗状态子程序和升旗子程序类似，当主程序扫描到半旗键被按下，将自动调用半旗状态子程序，实现半旗状态功能并在上升过程中伴随国歌响起。图4-3 升旗处理子程序流程图NY半旗国歌响 国旗先上升到顶国歌响停 下降到三分之二处 下降键？先上升到顶后下降到底返回图4-4 半旗按键处理子程序流程图NY升旗步进电机正转国歌响国旗上升到顶下降键？国旗下降到底返回NNYNYYNNNYY调整时间键加键？减键？时间键？加1s减1s上升键？旗上升下降键？时间键旗下降返回图4-5 时间调整子程序流程图Y旗下降旗上升4.4 时间和高度调整子程序先上升60后下降180掉电处理读2416高度为120cm？高度为180cm？高度为0cm？其他高度？返回NNNNYYY下降NYY下降N下降180下降至0cm图4-6 上电子程序流程图4.5 本章小结本章对系统的软件做了说明，对每个子程序的流程做了详细地介绍。在编程时，主程序只是负载调用每个子程序。而每个子程序内包含了一个模块，这样可以做到一对一的控制，能更好的把软件与硬件结合在一起，并且使编写程序的思路更加清晰。注意：除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结结论此次采用单片机STC89S52RC 设计了一个自动控制升降旗系统，该系统实现了以下几项功能：1. 可手动，可遥控；2. 可以按照用户的要求上升或下降到指定位置，并可在任意位置停止；3. 国旗在上升过程中能准确与国歌乐曲同步；4. 能实现半旗功能；5. 具有断电保护功能；本系统充分利用了单片机算法灵活的特点，使其运算精度有了较大的提高。在设计过程中，力求使硬件简单可靠，达到了本设计的基本要求，使升降系统基本可以达到精准，快速运行。在本次设计中，遇到了一些困难，但在老师的帮助下，最