基于51單片機(jī)的自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ID:273390 · 發(fā)表于 2018-1-8 19:01

題目：設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制升旗和降旗，升旗時(shí)，在旗桿的最高端自動(dòng)停止；降旗時(shí)，在最低端自動(dòng)停止。自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)的機(jī)械模型如圖所示。旗幟的升降由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)有兩個(gè)控制按鍵，一個(gè)是上升鍵，一個(gè)是下降鍵。

基本功能:

1．按下上升按鍵后，國(guó)旗勻速上升，同時(shí)流暢地演奏國(guó)歌；上升到最高端時(shí)自動(dòng)停止上升，國(guó)歌停奏；按下下降按鍵后，國(guó)旗勻速下降，降旗的時(shí)間不放國(guó)歌，下降到最低端時(shí)自動(dòng)停止。

2．能在指定的位置上自動(dòng)停止。

3．為避免誤動(dòng)作，國(guó)旗在最高端時(shí)，按上升鍵不起作用；國(guó)旗在最低端時(shí)，按下降鍵不起作用。

4．升降旗的時(shí)間均為43秒鐘，與國(guó)歌的演奏時(shí)間相等，同時(shí)，旗從旗桿的最下端上升到頂端。降旗不演奏國(guó)歌，同時(shí)，旗從旗桿的最上端下降到底端。

5．數(shù)字即時(shí)顯示旗幟所在的高度，以厘米為單位，誤差不大于2厘米。

擴(kuò)展功能:

增設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)，由開(kāi)關(guān)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．半旗狀態(tài)（根據(jù)《國(guó)旗法》）。升旗時(shí)，按上升鍵，奏國(guó)歌，國(guó)旗從最低端上升到最高端之后，國(guó)歌停奏，然后自動(dòng)下降到總高度的2/3高度處停止；降旗時(shí)，按下降鍵，國(guó)旗先從2/3高度處上升到最高端，再自動(dòng)從最高端下降到底之后自動(dòng)停止，國(guó)歌停奏。

2．不論旗幟是在頂端還是在底端，關(guān)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(diào)整，旗桿高度不變的情況下，升降旗時(shí)間的調(diào)整范圍是30—120秒鐘，步進(jìn)1秒。此時(shí)國(guó)歌停奏。

4．具有無(wú)線遙控升、降旗及停止功能

系統(tǒng)方案論證與比較系統(tǒng)方案

設(shè)計(jì)思路

題目要求設(shè)計(jì)一自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)升降旗和自動(dòng)升降半旗,能夠在指定位置停止，升降旗的時(shí)間可在30—120秒的范圍內(nèi)自行調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)的升降旗時(shí)間與國(guó)歌演奏時(shí)間相等，即為43秒，且具有數(shù)字即時(shí)顯示旗幟所在的高度和無(wú)線遙控升、降旗及停止功能。根據(jù)題目要求由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制旗幟的升降情況，由接近開(kāi)關(guān)來(lái)防止旗幟在最高點(diǎn)或最低點(diǎn)停止時(shí)出現(xiàn)的誤動(dòng)作，由液晶來(lái)顯示旗幟所在的高度及升降旗所用的時(shí)間，無(wú)線遙控電路使用無(wú)線發(fā)射接收模塊SP，語(yǔ)音模塊采用集成語(yǔ)音芯片ISD2560。

1.2 方案選擇與論證方案選擇與論證方案選擇與論證方案選擇與論證

1.2.1電機(jī)的選擇與論證電機(jī)的選擇與論證電機(jī)的選擇與論證電機(jī)的選擇與論證

方案一：采用普通的直流電機(jī)。普通直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有快速的啟停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中需要精確的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換時(shí)間且啟停要迅速，所以在本設(shè)計(jì)中我們選擇方案二

1.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證

方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易損環(huán)，壽命短，可靠性不是很高。

方案二：采用由達(dá)林頓管組成的H橋型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)）。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(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)芯片L298。L298是恒壓恒流雙H橋集成電機(jī)芯片，利用該芯片是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的一種簡(jiǎn)單方法, 可時(shí)控制四相電機(jī)，且輸出電流可達(dá)到2A，可精確控制步距和速度，利用該方法設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件編程容易的特點(diǎn). 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顯示部分方案的選擇與論證顯示部分方案的選擇與論證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及升降旗所用的時(shí)間。在本系統(tǒng)中需要用到6只LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示才可以達(dá)到要求。采用LED的優(yōu)點(diǎn)是亮度高，醒目，價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是只能顯示0～9的數(shù)字和一些簡(jiǎn)單的字符，電路復(fù)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(diǎn)是能顯示更多的字符，工作電流比LED小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故其功耗低，且有著良好的人機(jī)界面，體積小，功耗極低。

基于上述考慮，所以我們選擇方案二

語(yǔ)音部分方案的選擇與論證

方案一：采用語(yǔ)音芯片ISD1420。該芯片采用CMOS技術(shù),內(nèi)含震蕩器、話筒前置放大、自動(dòng)增益控制、防混肴濾波器、平滑濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及EEPROM，一個(gè)最小的錄放系統(tǒng)僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按扭、電源及少數(shù)電阻電容即可，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，且它的音質(zhì)好、功耗低，但其錄放音時(shí)間短，只有8到20秒。

方案二：采用語(yǔ)音芯片ISD2560，它具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便，無(wú)須專用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。錄音時(shí)間為60 s，能重復(fù)錄放達(dá)10萬(wàn)次。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專利技術(shù)，省去了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)EEPROM單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)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?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)國(guó)歌的的演奏時(shí)間需要43秒鐘，所以在此選用方案二

電路框圖設(shè)計(jì)

2.1 總體框圖設(shè)計(jì)總體框圖設(shè)計(jì)總體框圖設(shè)計(jì)總體框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)可由圖2-1-1所示的幾個(gè)部分組成：

根據(jù)設(shè)計(jì)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?yàn)榭紤]到編寫的繁簡(jiǎn)程度，所以在此使用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫，這樣可以大大提高程序編寫時(shí)的效率。

2.2 整體程序流程圖

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S52作為升降旗系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)鍵盤控制、液晶顯示、語(yǔ)音以及無(wú)線遙控等幾個(gè)部分，即該系統(tǒng)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤與顯示模塊、語(yǔ)音模塊及無(wú)線遙控電路模塊等幾個(gè)部分。現(xiàn)分別對(duì)各模塊進(jìn)行分析。

3.1.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在本設(shè)計(jì)中采用集成驅(qū)動(dòng)芯片L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心，L298是恒壓恒流雙H橋集成電機(jī)芯片，可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，且輸出電流可達(dá)到2A，驅(qū)動(dòng)力很強(qiáng)。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中我們使用的是四相步進(jìn)電機(jī)，所以L298完全符合要求。其電路原理圖如圖3-1-1所示。

其步進(jìn)電機(jī)的控制原理為：為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的時(shí)間和高度控制的勻速升降，需要精確計(jì)算在人眼不能識(shí)別的時(shí)間內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)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?yàn)橛糜诠潭ɡK子的軸的直徑為2.5cm，則平均每步拉出的線長(zhǎng)便可計(jì)算出來(lái)約為L=0.0234cm，在整個(gè)上升或下降過(guò)程中，high為總高度，可通過(guò)公式計(jì)算出在此段距離中步進(jìn)電機(jī)需走的步數(shù)，即為，步進(jìn)電機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)的總步數(shù)：總步數(shù)=高度（high）/0.0234, 在此，高度可調(diào)步長(zhǎng)為1cm，時(shí)間可調(diào)時(shí)間間隔為1s。

3.1.2鍵盤與顯示模塊

在本設(shè)計(jì)中使用了八個(gè)按鍵，分別用來(lái)控制升降旗和升降半旗及其切換，高度及時(shí)間的調(diào)節(jié)，其鍵盤摸板如圖3-1-2，顯示部分采用液晶RT1602，因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中只要求顯示時(shí)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。

3.1.3語(yǔ)音模塊

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求演奏國(guó)歌，其時(shí)間為43秒鐘，所以選用的語(yǔ)音芯片其錄放時(shí)間應(yīng)大于43秒鐘，即在此選用語(yǔ)音芯片ISD2560，其錄放時(shí)間為60秒，完全符合本設(shè)計(jì)的要求，我們把國(guó)歌音樂(lè)錄制在ISD2560語(yǔ)音芯片中，然后用它的單次播放功能播放國(guó)歌，其電路原理圖如圖3-1-4所示。

ISD2560可以利用A0-A9這10條地址線實(shí)現(xiàn)分段錄放音，可以分為600段，在本設(shè)計(jì)中我們沒(méi)有用到分段錄放音，所以將10條地址線全部接地。當(dāng)錄音時(shí)，片選端CE接低電平、PD為低電平、P/R為低電平；當(dāng)放音時(shí)，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(dāng)升旗鍵按下時(shí)， ISD2560輸出播音控制信號(hào)播放國(guó)歌，國(guó)旗經(jīng)43s的時(shí)間勻速上升至旗桿頂端，國(guó)歌播放完畢；當(dāng)降旗鍵按下時(shí)，不播放國(guó)歌。B、在半旗狀態(tài)時(shí)，當(dāng)升旗鍵按下時(shí)，對(duì)ISD2560輸出播音控制信號(hào)播放國(guó)歌，國(guó)旗經(jīng)43s的時(shí)間勻速?gòu)淖畹投松仙阶铐敹酥螅瑖?guó)歌停奏，然后自動(dòng)經(jīng)14s的時(shí)間勻速下降到總高度的2/3高度處（120cm）停止；當(dāng)降旗鍵按下時(shí)，不播放國(guó)歌。

3.1.4無(wú)線遙控模塊

在本設(shè)計(jì)中采用SP多用途無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊， SP模塊必須用信號(hào)調(diào)制才能正常工作，常見(jiàn)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LSD2272，LSD2262將A0～A5和A6/D5～A11/D0決定的地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，當(dāng)TE為低電平時(shí)，從DOUT輸出編碼信號(hào)，編碼信號(hào)提供給RF或IR電路發(fā)射，由RF或IR接收電路接收后，經(jīng)LSD2272解碼，實(shí)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(dá)到很好的傳輸效果，但實(shí)際上需要考慮解碼器件的輸入阻抗，調(diào)制起來(lái)有點(diǎn)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。

SP多用途無(wú)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(dāng)環(huán)境溫度在－25～＋85度之間變化時(shí)，頻漂僅為3ppm/度。特別適合多發(fā)一收無(wú)線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。具有較寬的工作電壓范圍3～12V，當(dāng)電壓變化時(shí)發(fā)射頻率基本不變。

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