自动控制升降旗系统.doc

毕业设计（论文）题目 自动控制升降旗系统 信息与管理学院 系二八届 专业姓名: 学号: 指导教师 2008年 5 月 10 日27摘 要本系统采用单片机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部分。电机驱动控制模块采用集成驱动芯片L298，控制与显示部分分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，无线遥控部分采用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基本功能及发挥部分的一些功能。关键字 步进电机；自动控制；液晶显示；接近开关AbstractThis system uses monolithic integrated circuit AT89S52 to take the automatic control to rise to lower a flag systems examination and the control core, uses controls by the monolithic integrated circuit step-by-steps the electrical machinery to lead the national flag fluctuation, realizes to the national flag fluctuation automatic control. This electric circuit mainly divides into the motor-driven control module, the keyboard and the display module, the pronunciation module and the wireless remote control electric circuit module and so on several parts. The motor-driven control module uses integrated actuation chip L298, the control and the demonstration part uses the keyboard separately takes the demonstration as the control and liquid crystal RT1602C, the pronunciation electric circuit uses speech chip ISD2560, the wireless beep box uses the SP multipurpose wireless data receiving and dispatching module, meanwhile has used proximity switch LMF2-3005NA, prevents the flag in the peak or the bottom misoperation, thus has realized the double check functions. Based on these complete and reliable hardware design, has used a set of perfect software programming, has realized the basic function which and display part some functions rises to lower a flag automatically.Key words Step-by-steps the electrical machinery, Automatic control, Liquid crystal display, Proximity switch目 录摘要Abstract第1章 绪论.1第2章 系统方案论证与比较.2 2.1 设计思路.2 2.2 方案选择与论证.3 2.2.1 电机的选择与论证.3 2.2.2 电机驱动方案的选择与论证.3 2.2.3 显示部分方案的选择与论证.4 2.2.4 语音部分的方案选择与论证.4第3章 电路图设计6 3.1 总体框图设计6 3.2 系统的硬件设计6 3.2.1 电机驱动模块6 3.2.2 键盘与显示模块7 3.2.3 语音模块.9 3.2.4 无线遥控模块.10第4章 系统的软件设计.12 4.1 整体程序流程图.124.2 各部分程序流程图.134.3 汇编语言14结论.15致谢.16参考文献.17附录.18自动控制升降旗系统第1章 绪论国旗的升、降仪式的严肃、得体是一个国家尊严的体现。国旗法对升、降旗过程都有严格的规定。但是，能够实现自动控制升、降旗的系统的应用却不是很广泛。在国际上，有些国家的升、降旗仪式是完全手动的，有些只是单纯的电动机传动，不能与国歌的播放同步，不能自如控制，也不能通过接近开关的检测防止误操作。此系统能够做到升、降旗过程的准确无误，尤其是在国际礼宾这种极其严肃的场合。本论文的主要内容有：设计一自动控制升、降旗系统，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30120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。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，具有无线遥控功能。第2章 系统方案论证与比较2.1 设计思路2.1.1基本功能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）为避免误动作，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低端。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。2.1.2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）不论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30120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。2.2 方案选择与论证At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K 字节在系统可编程Flash AT89S522.2.1 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二2.2.2 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，且输出电流可达到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。2.2.3 显示部分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达到要求。采用LED的优点是亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；缺点是只能显示09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，所以我们选择方案二2.2.4 语音部分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，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8.0KHz。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3章 系统的具体设计3.1 总体框图设计根据设计要求，本系统可由图3.1所示的几个部分组成：图3.1 总体电路框图Fig3.1 The whole circuit diagram3.2 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部分，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部分。现分别对各模块进行分析。3.2.1 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，且输出电流可达到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3.2所示。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，则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，则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，可通过公式计算出在此段距离中步进电机需走的步数，即为，步进电机要转动的总步数：总步数=高度（high）/0.0234, 在此，高度可调步长为1cm，时间可调时间间隔为1s。图3.2 电机驱动电路Fig3.2 Motor drive circuit3.2.2 键盘与显示模块在本设计中使用了八个按键，分别用来控制升降旗和升降半旗及其切换，高度及时间的调节，其键盘摸板如图3.3，显示部分采用液晶RT1602，因为在本设计中只要求显示时间与高度，可以不用中文显示，所以RT1602已完全满足要求，其键盘与显示模块的电路原理图如图3.4所示。图3.3 键盘模块Fig3.3 Keyboard module图3.4 键盘与显示电路Fig3.4 Keyboard and display circuit3.2.3 语音模块因为本设计要求演奏国歌，其时间为43秒钟，所以选用的语音芯片其录放时间应大于43秒钟，即在此选用语音芯片ISD2560，其录放时间为60秒，完全符合本设计的要求，我们把国歌音乐录制在ISD2560语音芯片中，然后用它的单次播放功能播放国歌，其电路原理图如图3.5所示。ISD2560可以利用A0-A9这10条地址线实现分段录放音，可以分为600段，在本设计中我们没有用到分段录放音，所以将10条地址线全部接地。当录音时，片选端CE接低电平、PD为低电平、P/R为低电平；当放音时，片选端CE接低电平、PD为低电平、P/R为高电平。其控制原理为：A、当升旗键按下时， ISD2560输出播音控制信号播放国歌，国旗经43s的时间匀速上升至旗杆顶端，国歌播放完毕；当降旗键按下时，不播放国歌。B、在半旗状态时，当升旗键按下时，对ISD2560输出播音控制信号播放国歌，国旗经43s的时间匀速从最低端上升到最顶端之后，国歌停奏，然后自动经14s的时间匀速下降到总高度的2/3高度处（120cm）停止；当降旗键按下时，不播放国歌。图3.5 语音模块的电路原理图Fig3.5 The voice module circuit schematics3.2.4 无线遥控模块在本设计中采用SP多用途无线数据收发模块， SP模块必须用信号调制才能正常工作，常见的固定编码解码器件有PT2262/2272、SC2262/2272、LSD2262/2272等，在此我们选用的是LSD2262和LSD2272，LSD2262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LSD2272解码，实现遥控编码和解码。理论上只要直接连接上固定编码解码器件即可非常容易的达到很好的传输效果，但实际上需要考虑解码器件的输入阻抗，调制起来有点困难。其发射模块的电路原理图如图3.6所示，接收模块的电路原理图如图3.6所示。图3.6 发射模块电路原理图Fig3.6 Schematic circuit module launch图3.7 接收模块电路原理图Fig3.7 Receiver module circuit schematicsSP多用途无线数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高仅次于晶体，当环境温度在2585度之间变化时，频漂仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变。SP接收模块的工作电压为5伏，静态电流4毫安，它为超再生接收电路，接收灵敏度为105dbm。第4章 系统的软件设计4.1 整体程序流程图图4.1 整体程序流程图Fig4.1 The overall process flow chart根据设计要求，可得本系统的程序主流程图如图4.1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。4.2 各部分程序流程图整个系统的主要任务是执行升降旗、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。下面就按照各模块的功能写出程序流程图如下所示。图4.2 主程序流程图Fig4.2 Main program flow chart图4.3 子程序流程图Fig4.3 Subroutine flow chart4.3 汇编语言见附录结 论自动控制升降旗系统一旦投入应用，将肩负起十分严肃而神圣的使命。因此要求设计标准必须严格，设计方案必须达到相关技术要求。本设计严格依照中华人民共和国国旗法细致规范了升降旗的各项步骤；同时对制造自动控制升降旗系统的同类元器件中反复比较选优。最终确定了可靠性高、能耗低、与常见工业标准兼容好的AT89S52微控制器作为控制单元。使用单片机作为控制系统还具有技术成熟、成本低廉等特点。配以由L298芯片的电机作为驱动系统，在优化硬件系统的同时有效保障控制精确度达到设计要求，步进电机控制和利用接近开关实现停止的双重保险。在人机交互方面，选用了耗能更低、界面功能更强大的LED液晶显示器以满足系统的监视要求；另采用了录音时间长达60s、可抗断电的ISD2560语音芯片，完全可以满足录制时常43秒的中华人民共和国国歌的要求。特别值得提出的是本系统除常规的按键控制外，还备有无线电操作模块，可以实现遥控的操作方式。 总体来说，此套系统具有技术成熟、可操作性强、可靠性高、成本低廉等优点。基本实现了各项设计要求，同时也可以最大限度的满足用户使用的需求。致 谢本学位论文是在王吉芳教授的悉心指导下完成的，从论文选题到完成论文都浸透了恩师们的大量心血和精力，导师渊博的知识、严谨的治学态度和求实精神、忘我的工作作风、学术上的远见和生活上的平易近人，时刻激励着学生，是学生毕生学习的榜样。值此论文完成之际，特向导师致以诚挚的感激和无尽的敬意！在本文的完成过程中，始终得到通信与控制教研室领导和教员的热情帮助和指导。从论文选题、课题研究到学位论文完成，都有他们的一份辛勤汗水。在此谨向他们表示诚挚的谢意和感激之情。在课题研究中，得到了课题组全体同志的关心和帮助。与他们进行了多次有益的探讨和学术交流，得到了许多启发。对于他们的支持和帮助表示诚挚的谢意！最后，向所有给予我关心和帮助的领导、老师、亲人、同学和朋友再次表示衷心的感谢！参考文献1全国大学生电子设计竞赛组委会 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 理工大学出版社 20032 张毅刚 单片机原理及应用 高等教育出版社 20033 吴金戌 8051单片机实践与应用 清华大学出版社 20024 张立科 单片机典型模块设计实例导航 人民邮电出版社 20045 李光飞 单片机C程序设计实例指导 北京航空航天大学出版社20056 侯振鹏 嵌入式语言程序设计 人民邮电出版社 20067 戴佳 51单片机语言应用程序设计 电子工业出版社 20068 余永权 单片机在控制系统中的应用 电子工业出版社 20049 王松武 电子创新设计与实践 国防工业出版社 200510 李银华 电子线路设计指导 北京航空航天大学出版社 200511 梅丽凤 单片机原理及接口及接口技术 清华大学出版社 200412 李广弟 单片机基础 北京航空航天大学出版社 199413 何立民 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 199014 李全利 单片机原理及应用技术 高等教育出版社 200115 陆子明 徐长根 单片机设计与应用基础教程 国防工业出版 2005附 录#include /马达运行数据表Const unsigned char mototb=001,009,008,00c,004,006,002,003;Float pi=0.1144;Unsigned char address3=003,address2=002,address1=001,adress0=000;Unsigned char eedata3,eedata2,eedata1,eedata0;Void delay() /lcd的指令建立需要的时间unsigned int time;For(time=160;time0;tome-);Void e_delay() /读写E2prom时，建立所需要的时间 unsigned char times;For (times=20;times0;times-);Void delay_motor() /马达的延时 unsigned int time;For(time=800;time0;time-);Void delay_music() /音乐的延时 unsigned int time;For(time=800;time0;time-);Void instruction() /lcd的指令写 rb5=1;rb6=0;rb7=0;delay();rb7=1;Void delay_music1() /音乐的延时unsigned int time;For(time=800;time0;time-);Void interrupt rbint() /中断程序，关闭电机if(rbif=1)portd=000;Reo0=0; /音乐电路复位Delay_music1();Re0=1; /语音，控制复位Delay_music1();Re0=0; /音乐电路复位完毕Rb4=rb4;Rbif=0;Fie=1;Lp:asm(“nop”);Goto lp; /主函数Main()unsigned char data0,data1,data2,data3; /定义国旗高度数据Unsigned int times1=0,times2=1580,times3=1580,times4=0,times5=1054,times6=1580; /上升下降的次数Unsigned char np1=7;Unsigned char np2=0;Unsigned int high,high1,ee_high,high2,high3;Unsigned int ee_data;Unsigned int ee_times;Porta=000;Portb=000;portc=000;portd=000;adcon1=007trisc=000; /模式选择开关，正常状态和2/3半旗状态trisa1=1; /上升按钮trisa2=1; /下降按钮trisb4=1; /停止按钮rb4=rb4;gie=1;rbie=1;rbif=0;trisa3=0; /红外线发射trisa3=1; /顶部红外线接收端trisa5=1; /底部红外线接收端trisb0=0; /半旗指示灯trisb5=0; /LCD的RS端trisb6=0; /LCD的R/W端trisb7=0; /LCD的E使能端trisd=000;trise0=0;trise1=0;re1=1; /语音，禁止音乐re0=0; /音乐电路复位delay_music();re0=0; /音乐电路复位完毕rb7=1; /LCD的使能端delay_motor();portc=001;instruction();portc=038;instruction();portc=00c;instruction();portc=006;instruction(); /主循环while(1)looppp:If(ra0=0) /正常模式 /读eepromEedata2=eeprom_read(address2);Delay();Eedata1=eeprom_read(address1);Delay();Eedata0=eeprom_read(address0);Delay();Portc=0c0;Instruction();Portc=(030+eedata2);Data();Portc=0c1;Instruction();Portc=(030+eedata1);Data();Portc=0c2;Instruction;Portc=(030+eedata0)；Data();Ee_data=eedata2*100+eedata1*10+eedata0;Ee_times=eedata/pi; /计算剩余的次数If(ee_data0&ee_data180)/介于0180cm之间，强行国旗下降Ee_loop:Portd=motorbnp2; /国旗下降Ee_times=ee_times-1;Np2=np2+1;If(np2=7)np2=0;Delay_motor();Ee_high=eetimes*pi; /计算高度Data0=ee_high%10; /显示高度Data1=(ee_high/10)%10;Data2=(ee_high/100)%10;Portc=0c0;Instuction();Portc=(030+data2);Data();Portc=0c1;Instruction();Portc=(030+data1);Data();Portc=0c2;Instruction();Portc=(030+data0);Data();Eeprom_write(address2,data2);ee_delay();eeprom_write(address1,data1);ee_delay();eeprom_write(address0,data0);ee_delay();if(ee_times=0)PORTD=0X00; Goto looppp; Else goto ee_loop; Else /顶端和底端的情况if(ee_data=0)/国旗在底端climate_loop;If(RA1=0)/有上升按钮动作 RE1=0; Delay(); RE1=1; /国歌 Times1=0; Loop; PORTD=motorbnp1; /上升 Times1=times1+1; Np1=np1-1; If(np1=0)np1=7; Delay_motor() High=times1*pi; Data0=high%10; /显示 Data1=(high/10)%10; Data2=(high/100)%10; PORTC=0XC0;Instruction();PORTC=(0X30+data2);Data();PORTC=0XC1;Instruction();PORTC=(0X30+data1);Data();PORTC=OXC2;Instruction();PORTC=(0X30+data();Data();Eeprom_write(address2,data2);Ee_delay();Eeprom_write(address1,data1);Ee_delay();Eeprom_write(address0,data0);Ee_delay();If(times1=1580) PORTD=0X00; /关闭电机 RE0=0; /音乐电路复位 Delay_motor(); RE0=1; /语音，控制复位 Delay_motor(); RE0=0; /音乐电路复位完毕 Times1=0; Goto looppp;Else goto loop;/ else goto climate_loop;If (ee_data=180)/国旗在顶端fall_loop; If(RA2=0) /下降按钮动作 loop1;PORTD=motorbnp2;Times2=times2-1;Np2=np2+1;If(np2=7)np2=0;Delay_motor();High1=times2*pi;Data0=high1%10; 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