自动控制升降旗的单片机系统设计

基于单片机自动控制升降旗系统设计

目录

设计任务..............................................................2

摘要..................................................................4

第1节系统方案论证与比较..........................................5

1.1设计思绪......................................................5

1.2方案选择与论证................................................5

、电机的选择与论证...............................................5

、电机驱动方案的选择与论证.......................................5

、显示部分方案的选择与论证.......................................6

、语音部分的方案选择与论证.......................................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节系统的详细设计..............................................10

3.1系统的硬件设计................................................10

、电机驱动模块...................................................10

、键盘与显示模块.................................................11

、语音模块.......................................................12

、无线遥控模块...................................................13

3.2系统口勺软件设计................................................15

、各部分程序流程图...............................................15

第4节测试措施与仪器.............................................17

4.1测试设备....................................................17

4.2测试措施....................................................17

第5节测试数据及测试成果析......................................20

第6节结论......................................................22

附录.................................................................23

参照文献.............................................................25

基于单片机自动控制升降旗系统设计

呼应设计任务

设计一种自动控制升降旗系统，该系统可以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H勺机械模型如图所示。旗帜的升降由电动机驱动，该系

统有两个控制按键，一种是上升键，一种是下降键。

H

自动控制升降旗示意图

（一）基本功能

1.按下上升按键后，国旗匀速上升，同步流畅地演奏国歌；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H勺时间不放

国歌，下降到最低端时自动停止。

2.能在指定的I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H勺演奏时间相等，同步，旗从旗杆H勺最下

端上升到顶端。降旗不演奏国歌，同步，旗从旗杆的最上端下降究竟端。

5.数字即时显示旗帜所在日勺高度，以厘米为单位，误差不不小于2厘米。

（二）扩展功能

增设一种开关，由开关控制与否是半旗状态，该状态由一发光二极管显示。

1.半旗状态（根据《国旅法》）。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

降究竟之后自动停止，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.规定升降旗欧J速度可调整，旗杆高度不变的状况下，升降旗时间日勺调整范围

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。

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关键，采

用由单片机控制的步进电机带动国旗升降，实现对国旗升降日勺自动控制。该电路

重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

几种部分。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RTl602c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，同步还采用了靠近开关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

及发挥部分的某些功能。

关键字：步进电机自动控制语音遥控液晶显示靠近开关

第1节系统方案论证与比较

1.1设计思绪

题目规定设计一自动控制升降旗系统，该系统可以自动升降旗和自动升降半

旗，可以在指定位置停上，升降旗口勺时间可在30—120秒口勺范围内自行调整，原则

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。根据题目规定由一种步进电机来控制旗帜

的升降状况，由靠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口勺时间，无线遥控电路使用无线发射接

受模块SP,语音模块采用集成语音芯片ISD2560。

1.2方案选择与论证

、电机的选择与论证

方案一：采用一般的直流电机。一般直流电动机具有优良的调速特性，调速

平滑、以便，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

无级迅速启动、制动和反转。

方案二：采用步进电机。步进电机的一种明显特点是具有迅速的启停能力，

假如负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就可以立虽然步进电机启动或

反转。另一种明显特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

由于在本系统中需要精确日勺转换速度和转换时间且启停要迅速，因此在本设

计中我们选择方案二

、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。这个电路口勺长处是电路构造简朴，其缺陷是继

电器H勺响应时间长，易损环，寿命短，可靠性不是很高。

方案二：采用由达林顿管构成日勺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

保证了可以简朴日勺实现转速和方向的控制，但不能很精确日勺控制步距和速度。

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，运

用该芯片是实现驱动步进电机的一种简朴措施，可时控制四相电机，旦输出电流

可到达2A,可精确控制步距和速度，运用该措施设计的步进电机驱动系统具有硬

件构造简朴、软件编程轻易口勺特点.

因此综上所述我们采用方案三。

、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口勺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规定。采用LED的长处是

亮度高，醒目，价格廉价，寿命长；缺陷是只能显示0〜州勺数字和某些简朴的字

符，电路复杂，占用资源较多口信息量小。

方案二：用LCD(RT16020液晶显示，其长处是能显示更多日勺字符，工作电

流比LED小几种数量级，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，因此我们选择方案二

、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

种最小日勺录放系统仅由一种麦克风、一种喇叭、两个按扭、电源及少数电阻电容

即可，构造非常简朴，且它日勺音质好、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，使用以便，不必

专用的开发系统等长处。录音时间为60s,能反复录放达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，因此可以非常真实、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导致的量化噪声和“金属声”，该器

件的采样频率为8.OKHzo

综上所述，由于在本系统国歌日勺的演奏时间需要43秒钟，因此在此选用方案

第2节电路框图设计

2.1总体框图设计

根据设计规定，本系统可由图2TT所示的几种部分构成:

单

片

机

图2TT总体电路框图

根据设计规定，可得本系统日勺程序主流程图如图2-2-1所示：本系统的控制

器采用ATMEL企业的AT89s52,由于考虑到编写E句繁简程度，因此在此使用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节系统的详细设计

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关键，实现键盘控制、液晶

显示、语音以及无线遥控等几种部分，即该系统直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种部分。现分别对各模块进行分析。

、电机驱动模块

在本设计中采用集成驱动芯片L298作为电机驱动日勺关键，L298是恒压恒流双

H桥集成电机芯片，可同步控制两个电机，且输出电流可到达2A,驱动力很强。

由于在本设计中我们使用日勺是四相步进电机，因此L298完全符合规定。其电路原

理图如图3TT所示。

西相施电机

图3-1-1电机驱动电路

其步进电机日勺控制原理为：为了精确实现可调整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日勺步进电机日勺脉冲数。在此我们选用

步距角0.9度，则走一圈所需的步数为400步，由于用于固定绳子的轴日勺直径为

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日勺步数,

即为，步进电机要转动的总步数：总步数二高度（high）/0.0234,在此，高度可

调步长为1cm,时间可调时间间隔为Is。

、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

度及时间日勺调整，其键盘摸板如图3-1-2,显示部分采用液晶RT1602,由于在本

设计中只规定显示时间与高度，可以不用中文显示，因此RT1602已完全满足规定,

其键盘与显示模块的电路原理图如图3-卜3所示。

图3-1-2健盘摸板

GND

vcc"

胫

0

PIO1

Pll2

pn3

PB4

P145

PIS6

如AT89S527

P17

m0

nm1

nrroP22

FJ3

T1P24

TOP25

P26

EAA?PP2?

P2

XI

RESETRXD

TXD

RDAL丽

图3T-3键盘与显示电路

、语音模块

由于本设计规定演奏国歌，其时间为43秒钟，因此选用的语音芯片其录放时

间应不小于43秒钟，即在此选用语音芯片ISD2560,其录放时间为60秒，完全符

合本设计的规定，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3-1-4所示。

图3-1-4语音模块的电路原理图

ISD2560可以运用AO-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，因此将10条地址线所有接地。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日勺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14sH勺时间匀速下降到总高度H勺2/3高度处（120cm）停止：当降旗键按下时，

不播放国歌。

、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，常见口勺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A0〜A5和A6/D5〜Al1/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

提供应RF或TR电路发射，由RF或TR接受电路接受后，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轻易日勺到达很好

的传播效果，但实际上需要考虑解码器件口勺输入阻抗，调制起来有点困难。其发

射模块的电路原理图如图3-1-5所示，接受模块日勺电路原理图如图3-1-6所示。

U1

LM780SCT

]vcc

—DAT^22M

图3T-5发射模块电路原埋图

SP多用途无线数据发射模块日勺工作频率为315M,采用声表谐振器SAW稳频，

频率稳定度极高仅次于晶体，当环境温度在一25〜+85度之间变化时，频漂仅为

3Ppln/度。尤其适合多发一收无线遥控及数据传播系统。具有较宽的工作电压范

围3〜12V,当电压变化时发射频率基本不变。

图3-1-6发射模块电路原理图

SP接受模块的工作电压为5伏,静态电流4毫安，它为超再生接受电路，接受

敏捷度为一105dbm。

3.2系统的软件设计

整个系统的重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毕。主程序部分，重要是查键盘，通过查键，检

测应当做什么运动，键值不i样调用不i样的子程序。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。

、各部分程序流程图

各程序流程图分别为如下所示:

图3-2-1主程序流程图

半旗

升旗

国歌响国旗上升到顶

国歌停响下降到三分

步进电机正转之二处

国歌响

国旗上升到顶

国旗下降到底

返回

返回

图3-2-2升旗处理子程序流程图图3-2-2升旗处理子程序流程图

第4节测试措施与仪器

4.1测试设备

1、DT890D数字万用表

2、TDS1002存储式数字示波器

3、MPS—3003L—3双路跟踪稳压稳流电源

4、仿真器：伟福(WAVE)E6000L

5、EDA设计软件：PR0TEL99SE

6、秒表一块

4.2测试措施

1、将一定滑轮固定在高为不小于180cm的支架上，将一根绳子穿过定滑轮，挂在

滑轮上，其一端放100克左右的旗帜，另一端绕在步进电机的定轴上，并将步

进电机放在支架的底端。

2、一切准备工作都做好后，将180cm日勺距离调整好，再接通电源，进行调试。

3、对升降旗部分进行调试（按原则规定），将旗帜放到0cm处（即参照点处），

按下升旗键，看国歌与否能响起，旗帜与否能在43秒中抵达180cm处并停止；

按下降旗键，看国歌与否不会响起，旗帜与否能在43秒中降到0cm处并停止。

4、对半旗部分进行调式，按下半旗键，再按下升旗键看国歌与否能响起，旗帜

与否能在43秒中抵达180cm处（此时国歌与否停奏），再自动降到120cm处并

停止；按下降旗键，看国歌与否不会响起，旗帜与否会从120cm处上升到IBOcm

处，再自动降到0cm处并停止。

5、对时间可调部分进行调试，在30—120秒钟内调整儿种时间，看旗帜能否能在

此时间顺利的升降旗。

6、对高度可调部分进行调试，在0180cm内调整几种高度，看旗帜能否在指定

的高度立即停止。

第5节测试数据及测试成果分析

由于在读数时，人眼不可一、升旗时间和位置测试

一、检测升旗运动时，是不是匀速运动，其实际位置和理论位置与否充应,

升旗43s抵达180cm的位置和时间与否精确。其记录数据如表5T所示。

表5T升旗时间和位置测试数据登记表（位置以cm为单位，时间以s为单位）

实际位置180180180180180180

所测位置

实际时间434343434343

实测时间

二、降旗时间和位置测试

检测降旗运动时，是不是匀速运动，其实际位置和理论位置与否对应，降旗

43s抵达0cm的位置和时间与否精确。其记录数据如表5-2所示。

表5-2降旗时间和位置测试数据登记表（位置以cm为单位，时间以s为单位）

实际位置000000

所测位置

实际时间434343434343

实测时间

三、高度调整测试

设定不一样的高度，检测所抵达位置与否精确，时间与否是在按比例（即

以43s通过180cm日勺比例计算）所算得日勺时间抵达。（以升旗为例）如表5-3所示

表5-3高度调整数据登记表（位置以cm为单位，时间以s为单位）

实际位置3060100150170179

所测位置

理论时间7.1614.33323.8935.83340.61142.761

实测时间

四、时间调整测试

设定不一样的时间，检测抵达顶点位置（以180cm为准）的时间与否精确。

（以升旗为例），其测试数据如表5-4所示。

表5-4时间调整数据登记表（位置以cm为单位，时间以s为单位）

实际时间30506080100120

实测时间

实际位置180180180180180180

实测位置

五、半旗的时间和位置测试

检测半旗运动时，是不是匀速运动，其实际位置和理论位置与否对应，实际

所需时间和理论时间与否对应。其记录数据如表5-5所示。

表5-5时间调整数据登记表（位置以cm为单位，时间以s为单位）

实际位置120120120120120120

实测位置

理论时间57.3357.3357.3357.3357.3357.33

实测时间

上述日勺各项运动测试中，都存在着一定日勺误差，目前我们就从如下几种方面

对误差产生的原因进行分析：

（1）固定绳子的轴口勺直径为2.5cm,

理论上固定绳子H勺轴H勺直径为2.5cm,但实际上由于线一圈一圈H勺绕上去，

其实际用于计算H勺直径就会有一定的变化，不可防止地为背面地计算带来误差。

（2）机械制作工艺上的其他部分

除了上述分析的原因外，尚有诸如电机安装时的位置不合理，电机绕线时的

斜绕口勺问题，叠绕的问题等，都会引起最终物体运动定位精度不够的成果。

（3）人为引起的误差

能很精确的读出所量得日勺距离，以及用秒表测试时，不能很精确日勺与电机的起

停时间同步。

第6节结论

本系统H勺特色：本设计在硬件上，使用了步进电机控制和运用靠近开关实现

停止的双重保险，在软件上，运用C语言的简朴精练特点，实现起来愈加简朴，

现将题目规定指标及系统实际性能列表如下：

基本规定发挥规定实际性能

升旗时，匀速上升同当时间设定为43S、高度设定为

时演奏国歌，抵达顶180cm时，国旗匀速上升并且演奏

端时能自动停止。降国歌。当时间、高度设定为其他值

旗时，不演奏国歌，时，国旗只匀速上升而不演奏国

抵达低端时自动停歌。降旗时，国旗匀速下降并不演

止。奏国歌。

能在指定的位置上自通过高度上、下调整健来实现高度

动停止的调整，调整在哪一种高度就在此

处停止」

为防止误动作，国旗国旗抵达最顶端时，按“升旗”键

在最高端时，按上升不起作用，国旗抵达最低端时，按

键不起作用；国旗在“降旗”键不起作用。

最低端时，按下降键

不起作用。

数字即时显示旗帜所通过RT1602c来显示设置的高度、

在的昌J度此时的高度以及设置的时间、此时

运行的时间。

由开关控制与否是半旗状态，通过一种按键来实现半旗与非半

该状态由一发光二极管显示旗之间口勺切换，半旗时，在液晶的

右下角显示号。升半旗时，

国旗先升到最顶端（同步奏国歌），

再自动下降到总高度的2/3处。降

半旗时，国旗先升到顶端，再自动

下降到最低端。

规定升降旗口勺速度可调整，旗通过调整时间上、下调整键来实现

杆高度不变日勺状况下，升降旗时间在30—120秒日勺调整，步进为1

时间的调整范围是30—120秒秒。当时间不等于43s时，不奏国

钟，步进1秒。此时国歌停奏歌。

具有无线遥控升、降旗及停止通过无限发射接受模块来实现升

功能旗、降旗、半旗及停止。但效果不

是很好。

在旗杆日勺最顶端与最低端安装了

靠近开关，防止电机失控。

附录:

材料清单:

名称规格数量

液晶RT1602C1

-心H-片l_LAT89S521

芯片CD40601

芯片24C021

-心H-片l_LLSD22621

芯片LSD22721

芯片ISD25601

稳压块L7805CV1

无线发射接受模块SP1

喇叭8欧1

话筒驻极体1

靠近开关LMF2-3005NA2

晶振12M1

晶振32.768K1

按键大8

按键小6

拨位开关1

接插件10P2

接插件5P4

接插件4P5

接插件3P3

接插件2P12

排针2

排线2

二极管IN54088

发光二极管蓝色6

电阻1/2W2

电阻10M1

电阻2.2M1

电阻470K1

电阻390K1

电阻