《自动升旗系统设计（论文）8200字》

自动升旗系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u168321引言 引言升国旗代表了国家的主权和独立的象征，对于一个国家的尊严和国威具有重大意义。举行升旗仪式是对每个公民进行爱国主义教育、国旗意识教育、团体意识教育的重要途径；也是衡量一个公民是否心存国家观念、爱国、爱党的标志；同时也能衡量公民的素质。所以，升旗仪式绝对不可以理解为形式主义，而是一项十分庄严、严肃的团体活动。升旗仪式应该严格按照《中华人民共和国国旗法》的规定升降国旗。但是传统形式上的手动升降国旗或者单纯意义上的电机转动来升降，显现出了很多弊端，比如，升旗不能与国歌同步，不能接近开关检测防止误差等。有时一些错误的操作可能会出现一些尴尬局面，严重影响了庄严的升旗仪式。随着现代科技的进步，自动控制系统已经逐渐广泛应用，尤其是单片机应用的普及，它以其极高的性价比，受到人们的重视和关注。单片机具有体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、价格低廉、灵活性好、较易开发等优点。由于具备很多的优点，单片机已经被十分广泛的应用，小到电子生活用品，大到机器人、航天、医疗、工业电子设备等领域。图1.1国旗升降装置原理图2系统硬件设计本系统由单片机STC89C52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、LED指示灯、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。2.1STC89C52单片机及相关电路2.1.1STC89C52单片机概述51系列单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。因此市面上出现了各式各样的均以51为内核的单片机。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。STC89C52单片机的基本组成框图见图3-1。图3-1STC89C52单片机结构图1）一个8位的微处理器(CPU)。2）片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。3）片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等。目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用。4）四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。5）两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。6）五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就有9个中断源。7）一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。2.1.2晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图3-3是单片机的晶振电路。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期＝1/12μs；机器周期Sm=1μs指令周期T＝1~4μsXTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。图3-3单片机晶振电路图2.1.3复位电路在上电或复位过程中控制CPU的复位状态，这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令，执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。复位后，PC内容初始化为0000H,是单片机从0000H单元开始执行程序。单片机复位后不影响内部RAM的状态。89C52单片机复位信号的输入端是RESET引脚，高电平有效。其有效时间持续24个时钟周期以上。单片机RESET端得外部复位电路有两种操作方式：上电自动复位和按键手动复位。上电自动复位是利用电容储电来实现的，如图3-4所示。上电瞬间，RC电路充电，RESET端出现正脉冲，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。按键手动复位用电平方式。按键电平复位是相当于RESET通过电阻接高电平。按键为S1。图3-4复位电路图2.2电机驱动模块如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。步进电机步数及速度的确定方法如下：要想使步进电机按一定的速度精确地到达指定位置（角度或位移），步进电机的步数N和延时时间DALAYA是两个重要的参数。前者用来控制步进电机的精度，后者用来控制其步进的速率。步进电机步数的确定：本设计采用的步进电机的步距角φ为1.80，即电机转动一周实际“走”步数设为N，N=360/1.8=200（式3-1）实际测量得，绕线轴周长C为4cm。确定电机要转动的实际里程Scm后，步进电机要“走”的实际步数，设为NSJ,NSJ=(S/C)×200（式3-2）附：转子齿数设为Zr，由步距角φ=3600/（M×Zr×C）（式3-3）C——状态系数，G——转子齿数，M——相数Zr=3600/（φ×M×C）=3600/（1.80×2×1）=100（式3-4）步进电机实际要“走”的步数，即为接收到的来自控制模块的脉冲数ƒ。升降国旗所需的脉冲数：升国旗一秒所走的距离：SQ=H/T=180/43=4.186cm/s（式3-5）H——旗杆的高度，T——国歌的时间1.80所走的路程：L=（C-1.80）/3600=0.02cm/s升国旗一秒所需的脉冲数：N=SQ/L=4.186/0.02=205个ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。因为在本设计中我们使用的是四相步进电机，所以ULN2003完全符合要求。其电路原理图如图3-5所示。图3-5电机驱动电路2.3步进电机控制方法当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，即步进角。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。对于步进电机有以下特点：①步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机相电流随频率或速度增大而减小，从而导致力矩下降。②步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数叫空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。③步进电机的保持转矩是指通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。④步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。⑤步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。⑥改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪，机器人等设备都以步进电机为动力核心。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。四相步进电机工作原理如图3-6所示。图3-6四相步进电机工作原理图中间部分是转子，由一个永磁体组成，边上的是定子绕组。当定子的一个绕组通电时，将产生一个方向的电磁场，如果这个磁场的方向和转子磁场方向不在同一条直线上，那么定子和转子的磁场将产生一个扭力将定子扭转。依次改变绕组的磁场，就可以使步进电机正转或反转(比如通电次序为A->B->C->D正转，反之则反转)。而改变磁场切换的时间间隔，就可以控制步进电机的速度了，这就是步进电机的驱动原理。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作电源通电时序与波形分别如图3-7所示。单四拍

双四拍

八拍图3-7步进电机工作方式此处采用步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）。28BYJ48型电机是4相5线的步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：64，步进角为5.625/64度。如果需要转动1圈，也就是旗杆滑轮的周长，则需要360/5.625*64=4096个脉冲信号，根据旗杆的高度和滑轮周长之间比例关系即可算出升旗所需要的全部脉冲。升旗的时间是43秒，用43除以脉冲个数即可算出控制速度。2.4升降旗按键与指示灯电路设计在本设计中使用了2个按键分别控制国旗的升降，相对应有两个升降旗的指示灯。当按下升旗按键时，红色LED灯亮，当按下降旗按键时，绿色LED指示灯亮。图3-8和图3-10889为按键和LED指示灯电路。图3-10按键电路图3-9指示灯设计2.5液晶显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各种小系统中得到了更广泛的应用。本设计中使用的液晶显示模块是LCD1602。图3-10所示为本设计LCD1602的连接图。图3-10LCD1602连接图LCD1602是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器模块，它显示的容量为2行16个字。其实物如图3-11和图3-12所示，它的显示内容丰富、体积小、美观和易于控制都是本设计选择作为显示模块的原因。图3-11LCD1602正面图图3-12LCD1602反面图工作原理：线段的显示．点阵图形式液晶由M行×N列个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1个字节的8个位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元和显示RAM区1024个字节相对应，每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H～00FH的16个字节的内容决定，当（000）=FFH时，则屏的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH=FFH时，则屏的右下角显示一短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，…（00EH）=FFH，（00FH）=00H时，则在屏的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本意思。字符的显示．当用LCD显示一个字符时就较复杂了，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，即要找到和屏上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节，并且要使每个字节的不同的位为‘1’，其它的为‘0’，为‘1’的点亮，为‘0’的点暗，这样一来就组成某个字符。但对于内带字符发生器的控制器（如T6963C）来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示．汉字的显示一般采用图形方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码，每个汉字占32字节，分左右两半部，各占16字节，左边为1、3、5…,右边为2、4、6…,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一个字节，光标位置加1，送第二字节，换行按列对齐，送第三字节…直到32字节显示完就可在LCD上得到一个完整的汉字。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。其中：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为始能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15～16脚：空脚。第17脚：复位端，低电平有效。第18脚：显示驱动电压输出端。第19脚：VDD背光电源正端+5V。第20脚：VDD背光电源负端。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令如下：指令1：清显示。指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位。光标返回到地址00H。指令3：光标和现实模式设置I/D。光标移动方向，高电平右移，低电平左移S：屏幕上所有文字是否左移或右移。高电平有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B:控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示以为S/C。高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL。高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平双行显示。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址BF。为忙标志，高电平表示忙，此时模块不能接受命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。2.6语音模块电路设计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ISD400408，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ISD400408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3-13所示。图3-13语音模块的电路原理图ISD器件的地址不是通常意义上的字节地址单元，而是内部存储器的行地址。行是语音信息段的基本组成单位。以ISD4004-8MP为例，它内部的3840K闪烁存储器单元共分为1600行，每个地址单元指向其中的一行，即有1600个行地址单元。ISD4004-8MP的录放时间为八分钟，采样频率为8kHz，因此它的每行语音长度为200ms，即地址分辨率为200ms。

ISD器件可以进行多段录放操作，每一段称为一个语音信息段。一个语音信息段由其起始地址、记录的数据和信息结束标志EOM(表示一个语音信息段的结束)三部分组成。ISD器件出厂时，其内部存储器的一行已经设计有多个可能的EOM标志位置。ISD4004系列一行有八个，第一个位于行起始后的25ms处，第八个位于行结束处，剩下EOM标志间隔25ms均匀分布。录音停止后，向器件发送STOP命令，录音的进程不会马上停止，到了下一个最近的可能EOM标志位置时，用一个EOM标志写入器件来记录语音结束的位置。这样做可以使录音的进程在尽可能短的时间内停止。在实际应用中，一行最多只能有一个EOM标志说明语音信息段的结束，无论这个标志在哪里，下一条语音信息将从新的一行开始。所以一个语音信息段可以占用一行或多行存储空间，可以包括多个地址单元；一个地址单元最多只能作为一个独立的段。ISD4004最多可以分为1600个语音信息段。

3系统的软件设计单片机系统是整个自动控制升降旗系统的核心部分，它主要用于键盘按键、步进电机控制国旗的升降以及与国歌的同步、升降旗时间调整等。主要包括STC89C52单片机、步进电机、步进电机驱动器、液晶显示芯片LCD1602与集成语音芯片等器件组成。软件编程在KeiluVision4环境下，采用C语言进行编写。软件主要包括：系统主程序、降旗子程序、升旗子程序。开始启动主程序，当按下按键后，对升旗或者降旗指令做出电机旋转方向会做出相应的反应，语言芯片选择是否播放，LCD实时显示国旗的高度。图4-1系统主程序流程图当升旗按键按下后步进电机开始正转，与此同时语音模块开始播放国歌，绿色LED指示灯亮，此时LCD实时显示国旗到达的高度，如果这期间没有其他命令响应，系统在运行了43S后，国旗升到顶端且语音模块静音。当升旗按键按下降旗按键，此时跳转到降旗子程序，电机开始反转，国旗下降，与此同时LCD实时显示国旗下降的高度。图4-2升旗子程序流程图当按下降旗按键后，步进电机开始反转，红色LED指示灯亮，此时语音模块静音，LCD实时显示国旗运动的高度，直至国旗降到底部系统停止运行。当升旗按键按下降旗按键，此时跳转到降旗子程序，电机开始反转，国旗开始上升，语言播放器开始演奏国歌，与此同时LCD实时显示国旗上升的高度。图4-3降旗子程序流程图4结论本文以STC89C52为控制核心，设计并制作了一套国旗升降装置，实现了国旗升降的自动化，有效减小了人工升旗时出现故障或者误操作等尴尬局面的产生。该装置通过按键控制国旗的升降，升旗的同时伴随国歌演奏，实现了对升旗与国歌同步的精准控制，避免了人工升旗时与国歌不同步的难题，在升降国旗时分别对应不同的指示灯，同时还能在LCD显示屏上显示国旗升的实时高度。该装置具有体积小、维护方便、控制精准、成本低等优点。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(2003),北京理工大学出版社.[2]郭彩萍.基于步进电机的自动控制升降旗系统设计[J].山西大同大学学报(自然科学版),2015,31(05)：31-33.[3]张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2013.[4]吴金戌.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社．2002.[5]张立科.单片机典型模块设计实例导航[M].北京：人民邮电出版社．2004.[6]李光飞.单片机C程序设计实例指导[M].北京：航空航天大学出版社．2005.[7]侯振鹏.嵌入式Ｃ语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社．2006.[8]戴佳.51单片机Ｃ语言应用程序设计[M].北京：电子工业出版社．2006.[9]余永权.单片机在控制系统中的应用[M].北京：电子工业出版社．2004.[10]王松武.电子创新设计与实践[M].北京国：防工业出版社．2005.[11]李银华.电子线路设计指导[M].北京：航空航天大学出版社．2005.[12]楼然苗.51系列单片机设计实例[M].北京：航空航天大学出版社，2005.[13]吴兴波，刘长升等.基于MSP430F449升降旗系统的设计[J].吉林化工学院学报，2011，28(3)：62-66.[14]刘守义.单片机应用技术[M].西安电子科技大学出版社.2003.[15]SamsungElectronics.User’sManualS3C2410X32-BitRISCMicroprocessor[Z].2003.372-413.[16]赵芝龄，HYPERLINK"/KCMS/detail/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20