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1、基于单片机自动限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51.1设计思路51.2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82.1 总体框图设计82.2 整体程序流程图9第3节系统的详细设计103.1 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133.2 系统的软件设计15、各部分程序流程图15第4节测试方法与仪器174.1 测试设备174.2 测试方法17第5节测试数据与测试结果析20第6节结论22附录23参考文献25基于单片机自动限制
2、升降旗系统设计他设计任务设计一个自动限制升降旗系统，该系统能够自动限制升旗和降旗，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。自动限制升降旗系统的机械模型如图所示。旗帜的升降由电动机驱动，该系统有两个限制按键，一个是上升键，一个是下降键。自动限制升降旗示意图(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 .为避开误动作，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
3、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究竟端。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。(一)扩展功能增设一个开关，由开关限制是否是半旗状态，该状态由一发光二极管显示。1 .半旗状态（依据国旗法）。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究竟之后自动停止，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
4、度可调整，旗杆高度不变的状况下，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、降旗与停止功能。摘要本系统采纳单片机AT89S52作为自动限制升降旗系统的检测和限制核心，采纳由单片机限制的步进电机带动国旗升降，实现对国旗升降的自动限制。该电路主要分为电机驱动限制模块、键盘与显示模块、语音模块与无线遥控电路模块等几个部分。电机驱动限制模块采纳集成驱动芯片L298,限制与显示部分分别采纳键盘作为限制和液晶RTI602C作为显示，语音电路采纳语音芯片ISD2560,无线遥控部分采纳SP多用途无线数据收发模块，同时还采纳了接近开关LMF2-3005NA,防止旗帜在最
5、高点或最低点误动作，从而实现了双重保险的作用。基于这些完备而牢靠的硬件设计,运用了一套完善的软件编程，实现了自动升降旗的基本功能与发挥部分的一些功能。关键字：步进电机自动限制语音遥控液晶显示接近开关第1节系统方案论证与比较1.1 设计思路题目要求设计一自动限制升降旗系统，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、降旗与停止功能。依据题目要求由一个步进电机来限制旗帜的升降状况，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
6、旗帜所在的高度与升降旗所用的时间，无线遥控电路运用无线放射接收模块SP,语音模块采纳集成语音芯片ISD2560。1.2 方案选择与论证、电机的选择与论证方案一：采纳一般的直流电机。一般直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、便利，调整范围广，过载实力强，能承受常见的冲击负载，可实现常见的无级快速启动、制动和反转。方案二：采纳步进电机。步进电机的一个显著特点是具有快速的启停实力，假如负荷不超过步进电机所能供应的动态转矩值，就能够马上使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转限制敏捷。因为在本系统中须要精确的转换速度和转换时间且启停要快速，所以在本设计中我们选择方案二、电机驱动方案
7、的选择与论证方案一：采纳继电器对电动机的开或关进行限制，通过限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洁，其缺点是继电器的响应时间长，易损环，寿命短，牢靠性不是很高。方案二：采纳由达林顿管组成的H桥型PWM电路。用单片机限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洁的实现转速和方向的限制，但不能很精确的限制步距和速度。方案三：采纳集成驱动芯片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洁方法，可时限制
8、四相电机，且输出电流可达到2A,可精确限制步距和速度，利用该方法设计的步进电机驱动系统具有硬件结构简洁、软件编程简洁的特点.所以综上所述我们采纳方案三。、显示部分方案的选择与论证方案一：采纳LED数码管显示旗帜所在的高度以与升降旗所用的时间。在本系统中须要用到6只LED数码管进行动态显示才可以达到要求。采纳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的数字和一些简洁的字符，电路困难，占用资源较多且信息量小。方案二：用LCD(RT16020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
9、们选择方案二、语音部分方案的选择与论证方案一：采纳语音芯片ISD1420。该芯片采纳CMOS技术，内含震荡器、话筒前置放大、自动增益限制、防混肴滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动与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、电源与少数电阻电容即可，结构特别简洁，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：采纳语音芯片ISD2560,它具有抗断电、音质好，运用便利,无须专用的开发系统等优点。录音时间为60s,能重复录放达10万次。芯片采纳多电平干脆模拟量存储专利技术，省去了A/D、D/A转换器。每个采样值干脆存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够特别真
10、实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避开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须要43秒钟，所以在此选用方案二。第2节电路框图设计2.1 总体框图设计依据设计要求，本系统可由图2T7所示的几个部分组成：图2TT总体电路框图依据设计要求，可得本系统的程序主流程图如图2-2T所示：本系统的限制器采纳ATMEL公司的AT89S52,因为考虑到编写的繁简程度，所以在此运用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2-2T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
11、本系统由单片机AT89S52作为升降旗系统的限制核心，实现键盘限制、液晶显示、语音以与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、语音模块与无线遥控电路模块等几个部分。现分别对各模块进行分析。、电机驱动模块在本设计中采纳集成驱动芯片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，可同时限制两个电机，且输出电流可达至J2A,驱动力很强。因为在本设计中我们运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3TT电机驱动电路其步进电机的限制原理为：为了精的确现可调整的时间和高度限制的匀速升降，须要精确计算在人眼不能识别的时间内的
12、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：总步数二高度(high)/0.0234,在此，高度可调步长为ICm,时间可调时间间隔为1s。、键盘与显示模块在本设计中运用了八个按键，分别用来限制升降旗和升降半旗与其切换，高度与时间的调整，其键盘摸板如图3-1-2,显示部分采纳液晶RTI602,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R
13、T1602已完全满意要求，其键盘与显示模块的电路原理图如图3-1-3所示。图3-1-2键盘摸板图3-1-3键盘与显示电路、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3-1-4所示。图3-1-4语音模块的电路原理图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
14、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。其限制原理为：A、当升旗键按下时，ISD2560输出播音限制信号播放国歌，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输出播音限制信号播放国歌，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。、无线遥控模块在本设计中采纳SP多用途无线数据收发模块，SP模块必需用信号调制才能正常工作，常见的固定编码解码器件有
15、PT2262/2272、SC2262/2272.LSD2262/2272等，在此我们选用的是LSD2262和LSD2272,LSD2262将AOA5和A6/D5A11/D0确定的地址和数据进行编码，当TE为低电平常，从DOUT输出编码信号，编码信号供应应RF或IR电路放射，由RF或IR接收电路接收后，经LSD2272解码，实现遥控编码和解码。理论上只要干脆连接上固定编码解码器件即可特别简洁的达到很好的传输效果，但事实上须要考虑解码器件的输入阻抗，调制起来有点困难。其放射模块的电路原理图如图3-1-5所示，接收模块的电路原理图如图3-1-6所示。图3-1-5放射模块电路原理图SP多用途无线数据放
16、射模块的工作频率为315M,采纳声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高仅次于晶体，当环境温度在-25+85度之间改变时，频漂仅为3ppm度。特殊适合多发一收无线遥控与数据传输系统。具有较宽的工作电压范围312V,当电压改变时放射频率基本不变。图3-1-6放射模块电路原理图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,接收灵敏度为一105dbm.3.2系统的软件设计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，检测应当做什么运动，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
17、调整和高度调整等。下面就依据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3-2T主程序流程图图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节测试方法与仪器4.1 测试设备1、DT890D数字万用表2、TDSlOO2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）E6000L5、EDA设计软件：PR0TEL99SE6、秒表一块4.2 测试方法1、将肯定滑轮固定在高为大于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
18、支架的底端。2、一切打算工作都做好后，将180Cm的距离调整好，再接通电源，进行调试。3、对升降旗部分进行调试（按标准规定），将旗帜放到OCnl处（即参考点处），按下升旗键，看国歌是否能响起，旗帜是否能在43秒中到达180Cm处并停止；按下降旗键，看国歌是否不会响起，旗帜是否能在43秒中降到OCm处并停止。4、对半旗部分进行调试，按下半旗键，再按下升旗键看国歌是否能响起，旗帜是否能在43秒中到达180Cm处（此时国歌是否停奏）,再自动降到120Cm处并停止；按下降旗键，看国歌是否不会响起，旗帜是否会从120Cm处上升到180Cnl处，再自动降到OCm处并停止。5、对时间可调部分进行调试，在30
19、120秒钟内调整几个时间，看旗帜能否能在此时间顺当的升降旗。6、对高度可调部分进行调试，在0180Cm内调整几个高度，看旗帜能否在指定的高度马上停止。第5节测试数据与测试结果分析由于在读数时，人眼不行一、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是否对应，升旗43s到达180CnI的位置和时间是否精确。其记录数据如表57所不O表5-1升旗时间和位置测试数据记录表（位置以Cnl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
20、是否对应,降旗43s到达OCm的位置和时间是否精确。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记录表（位置以CnI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同的高度，检测所到达位置是否精确，时间是否是在按比例（即以43s经过180Cnl的比例计算）所算得的时间到达。（以升旗为例）如表5-3所示表5-3高度调整数据记录表（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同的时
21、间，检测到达顶点位置（以180Cnl为准）的时间是否精确。（以升旗为例），其测试数据如表5-4所示。表5-4时间调整数据记录表（位置以Cnl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是否对应,实际所需时间和理论时间是否对应。其记录数据如表5-5所示。表5-5时间调整数据记录表（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实测时间上述的
22、各项运动测试中，都存在着肯定的误差，现在我们就从以下几个方面对误差产生的缘由进行分析：(1)固定绳子的轴的直径为2.5cm,理论上固定绳子的轴的直径为2.5cm,但事实上由于线一圈一圈的绕上去，其实际用于计算的直径就会有肯定的改变，不行避开地为后面地计算带来误差。(2)机械制作工艺上的其他部分除了上述分析的因素外，还有诸如电机安装时的位置不合理，电机绕线时的斜绕的问题，叠绕的问题等，都会引起最终物体运动定位精度不够的结果。(3)人为引起的误差能很精确的读出所量得的距离，以与用秒表测试时，不能很精确的与电机的起停时间同步。第6节结论本系统的特色：本设计在硬件上，运用了步进电机限制和利用接近开关实
23、现停止的双重保险，在软件上，利用C语言的简洁精练特点，实现起来更加简洁，现将题目要求指标与系统实际性能列表如下:基本要求发挥要求实际性能升旗时，匀速上升同时演奏国歌，到达顶端时能自动停止。降旗时，不演奏国歌，到达低端时自动停止。当时间设定为43S、高度设定为180Cm时，国旗匀速上升并且演奏国歌。当时间、高度设定为其他值时，国旗只匀速上升而不演奏国歌。降旗时，国旗匀速下降并不演奏国歌。能在指定的位置上自动停止通过高度上、下调整键来实现高度的调整，调整在哪一个高度就在此处停止。为避开误动作，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。国旗到达最顶端时，按“升旗”键不起作
24、用，国旗到达最低端时，按“降旗”键不起作用。数字即时显示旗帜所在的高度通过RTl602C来显示设置的高度、此时的高度以与设置的时间、此时运行的时间。由开关限制是否是半旗状态，该状态由一发光二极管显示通过一个按键来实现半旗与非半旗之间的切换，半旗时，在液晶的右下角显示“旷号。升半旗时，国旗先升到最顶端（同时奏国歌），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。要求升降旗的速度可调整，旗杆高度不变的状况下，升降旗时间的调整范围是30120秒钟,步进1秒。此时国歌停奏通过调整时间上、下调整键来实现时间在30120秒的调整，步进为1秒。当时间不等于43S时，不奏国歌。具
25、有无线遥控升、降旗与停止功能通过无限放射接收模块来实现升旗、降旗、半旗与停止。但效果不是很好。在旗杆的最顶端与最低端安装了接近开关，防止电机失控。附录:材料清单:名称规格数量液晶RT1602C1芯片AT89S521芯片CD40601芯片24C021芯片LSD22621芯片LSD22721芯片ISD25601稳压块L7805CV1无线放射接收模块SP1喇叭8欧1话筒驻极体1接近开关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IOP2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IOM
26、1电阻2.2M1电阻470K1电阻390K1电阻IOK8电阻5.IK3电阻2K2电阻300欧6电容30P4电容10410电容0.22UF1电容IOUF2电容22UF4电容4.7LT1电容220UF1电容470UF1底座40P1底座28P1底座18P2底座16P1底座8P1致谢感谢电子系全体老师对我的指导，特殊是我的指导老师，这段时间以来，本人得到了老师的悉心指导和培育。他为本人在学习方法、工作方法、写作思路等方面赐予了很多的帮助。他求实创新的工作作风深深的影响了我。在指导我的论文写作的同时特殊关切我的学习与生活。可以说没有老师的细心指导，我也没有方法完成这篇论文！在此表示最真诚的感谢！在此，本
27、人对他们表示崇高的敬意和真挚的感谢！参考文献：1全国高校生电子设计竞赛组委会.全国高校生电子设计竞赛获奖作品选编(2003).北京：理工高校出版社.2003年2张毅刚.单片机原理与应用.北京：高等教化出版社.2003年3吴金戌.8051单片机实践与应用.北京：清华高校出版社.2002年4张立科.单片机典型模块设计实例导航.北京：人民邮电出版社.2004年5李光飞.单片机C程序设计实例指导.北京：北京航空航天高校出版社.2005年6侯振鹏.嵌入式C语言程序设计.北京：人民邮电出版社.2006年7戴佳.51单片机C语言应用程序设计.北京：电子工业出版社.2006年8余永权.单片机在限制系统中的应用.北京：电子工业出版社.2004年9王松武.电子创新设计与实践.北京：国防工业出版社.2005年10李银华.电子线路设计指导.北京：北京航空航天高校出版社.2005年
