基于STC89C52单片机的国旗自动升降系统设计

1、目 录1引言11.1 国旗自动升降系统国内外发展状况11.2选题目的和意义22 整体设计方案与理论分析32.1 系统装置理论分析32.2 电机的选择可以有两种方案32.3 电机驱动选择方案42.4 语音部分方案的选择与论证42.5 单片机选择方案52.6 LCD显示选择方案52.7 按键的选择方案63 系统硬件设计73.1 STC89C52单片机与相关电路7单片机概述7晶振电路9复位电路103.2电机驱动模块103.3步进电机控制方法113.4升降旗按键与指示灯电路设计133.5液晶显示电路133.6语音模块电路设计164 系统的软件设计175 结论19致谢20参考文献21附录一元件清单22附录二系统原理图和PCB23附录三实物图25附录四国旗自动升降控制系统源程序26 / 1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

2、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与,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1.1国旗自动升降系统国内外发展状况目前像有些学校、机关单位升旗大部分还停留在人工升旗的阶段,用最原始的办法人为地来一步步完成,在升旗的过程中不可避免的会出现升降国旗与国歌演奏时间不协调,为了解决这个难题,这就需要自动化的装置来完成这项工作,它把整个升降旗的过程作为一个可控的装置来运行,要求自动控制系统像神经系统一样,具备系统性、全面性、准确性.国内相关技术的发展为自动化控制产业的升级提供了技术的支持.所以

3、研究与完善国旗升降系统很有必要.对于国外单片机自动化控制技术的发展,使国旗升降更加平稳和精确.自动控制升降旗系统主要用一个电机控制旗帜自动升降,所以系统的主要功能就是控制电机的运转,而国外步进电机最早是由英国人所开发的.后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易,后来发展到对步进电机的控制和驱动主要是采用专用芯片,结果大大缩小了驱动器的体积,明显提高了升旗装置的性能.现在的装置则设计的的更为合理.1.2选题目的和意义随着电子技术日益发展,自动控制升降旗系统也在向前发展,然而传统的国旗升降存在着国歌的播放与国旗上升步调不一致现象,易受环境因素影响等弊端.为了解决国旗升降中的众多问题,提高升旗的质量和效率,可以使用自动控制升降系统来完成国旗的升、降控制,使升降旗速度与国歌演奏时间准确配合,从而避免了人为升降国旗与国歌演奏时间不协调而出现的尴尬场面发生,保证了国旗升、降仪式的顺利进行.并且由于实际的需要,对它的精度和功能要求也越来越高,这样不仅可以规范升旗过程,使升旗更加方便更加实用,而且可以通过不同的设置满足不同的需求.另外减少了人力资源的使用,大大减少资金的投入

4、.系统最主要的是控制电机的转动,目前应用最多的是步进电机.由于步进电机系统控制精度高,控制形式较为简单,易于实现数字化控制等特点使得步进电机的应用范围非常广泛,成为目前不可缺少的电机组件.通过单片机控制的步进电机使得设计更加简单.在技术的不断进步下,越来越多的保护和监控系统的出现,以与安全可靠性的提高和对室外环境的适应范围扩大,使现代升降系统总的发展趋势从自动化变得更加智能化和柔韧灵活性.让单片机用于升降系统中,使控制技术和单片机技术相结合,从而可实现机电一体化控制,提高升降系统的自动化程度与运行可靠性和稳定性.单片机的应用,使得许多领域和自动化得以提高,也使生产效率得到有效提升.由于电子电源的集成化、模块化、智能化的发展、功率集成技术已模糊了整机与器件的界限.自单片机问世以来,在升旗装置上的应用也日益完善,现如今的自控升降集成了越来越多的功能,结构更加合理、美观、实用,越更具有开阔的市场前景；步进电机的出现,在结合了单片机后让自动升降国旗系统变得更加精准和便捷.因此在升降国旗的问题上,自控系统也能与之高效的结合,采用单片机可以实现国旗的自动升降,解决了传统升降国旗方式遇到的不便,以保

5、证升旗仪式的庄重和严肃性.采用单片机为控制核心的国旗自动升降系统,不仅实现了演奏国歌与升旗同步,由按键控制步进电机的正反转,来操作国旗的升降,采用的接近开关能够防止误触操作,与此同时LCD能够实时显示国旗的位置,在国旗到达顶部后能自动打开鼓风机对国旗吹风使其飘扬.2整体设计方案与理论分析2.1系统装置理论分析本文在实际应用的国旗自动升降系统的原理上,以STC89C52单片机为控制核心,设计了一套模拟装置,实现国旗自动升降的主要功能.该控制系统由单片机STC89C52作为升降旗系统的控制和检测核心,通过键盘控制、液晶显示与语音等几个部分,实现国旗的自动升降.该系统主要包括电机驱动模块、键盘与显示模块、语音模块等几个部分.系统方案的整体思路是：设置上升高度为1m,按键对单片机执行命令,然后单片机对步进电机进行控制实现国旗升降动作,LCD能够显示国旗的当前状态.当按下升旗按键后,电机正转,升旗LED指示灯亮,LCD显示国旗高度,语音芯片是播放国歌且升旗的动作同步,当国旗升到顶部时国歌刚好演唱完毕；当按下降旗按键,语言模块静音,降旗LED指示灯亮,步进电机反转,LCD显示国旗高度,国旗自动下降

6、到底部.图2.1为本设计的整体框图.图2.1 系统整体框图本问设计的系统的控制器采用STC公司的STC89C52,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.2.2 电机的选择可以有两种方案方案1：采用直流减速电机.上电即转动,掉电后惯性较大,停机时还会转动一定的角度后才会停下来；转矩小,无抱死功能,如要求准确停在一个位置,其闭环算法复杂.方案2：采用交流电动机.交流电动机具有结构简单、运行可靠、成本低廉等优点；但对交流电动机进行调速需要比较高的技术和成本方案3：采用步进电动机.步进电动机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转变为角位移,即给一个脉冲,步进电机就转一个角度,因此非常合适单片机控制,在轻载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,累积误差小,控制精度高.方案4：采用普通的直流电机.普通直流电动机具有优良的启动特性和调速性能,调速平滑、方便,调整范围广,过载能力强,热动和制动转矩较大,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.这也是交流电机无法取代的直流电动机的原因.直流电机只要加上合

7、适的电压就会转,因此在某些大型设备,比如轧钢机上都采用直流电动机拖动.但它也存在着一个严重的问题, 就是换向困难,还会产生火花、寿命短、结构复杂、要经常维护、价格也贵,并且维护检修不方便,转的圈数难以精确控制.因为步进电机属于脉冲电动机,是靠脉冲信号变换工作,相比较而言步进电机节能,更适合精密仪器或小型产品,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,基于上述理论上的分析,本设计采用方案3的步进电机控制国旗升降运动.2.3电机驱动选择方案根据任务书的要求,选用四相步进电动机,因为步进电动机是纯粹的数字控制电动机,有很好的控制精度,易于起停、正反转与变速.电动机的驱动方法我们比较了以下几种方案：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

8、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ULN2003.ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN 达林顿管组成.用单片机控制达林顿管使之输出合适的脉冲信号,可精确调整电动机的运动状态正转、反转和停止等动作.这种电路工作效率高,电机的转动精度可以由机械设计与单片机的程序来保证.由于该芯片在5V的工作电压下与TTL和CMOS电路直接相连,可以保证负载电流的供给,同时也减少其它驱动芯片被烧毁的事故.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.所以综上所述本设计采用方案三.2.4 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2

9、0秒.方案二：采用语音芯片WT588D,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.WTW-16P采用WT588D-20SS做为核心控制电路,WTW-16P内部包含了WT588D-20SS外围所需的SPI-FLASH、震荡电路、复位电路.外部只需要接上电源、控制端以与扬声器或者功放就能正常工作.方案三：采用YF1600系列录音IC模块,它是单片机中最简单的录音芯片,可以替代其它录音模块.YF1600系列录音IC是根据录音产品市场而成功开发的录音IC系列产品,采用主控IC和外挂FLASH的方式实现10秒780秒可擦写单段录音和掉电存储功能.由于录音采样频率高,音质好,音量大,负载能够直推动外接扬声器,并且不需要太多的外围元件,成本低、便于生产、应用灵活.主要功能特点表现在同一颗主控IC中实现录音键和播放键的不同组合应用.方案四：ISD系列语音芯片是Winbond公司推出的产品.该芯片采用多电平直接模拟存储专利技术,声音不需要A/D转换和压缩,模拟信号直接存储在片内的闪烁存储器中,没有A/D 转换误差, 因此能够真实、自然地再现语音、音乐与效果声.避免了传统录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声.ISD4004系列语音芯片的所有操作由微控制器控制,操作命令通过串行通信接口送入.录音采样频率可为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0Hz,录放时间可为8min、10min、12min、16min.采样频率越低,录放时间越长,但音质则有所下降.片内信息存于闪烁存储器中,可在断电情况下保存100年,反复录音10万次.器件工作电压为3V,工作电流为1525mA,维持电流为1A.适用于移动 机与其它便携式电子产品中.综上所述,因为在本系统国歌的的演奏时间需要43秒钟,所以在此选用方案四.2.5 单片机选择方案STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flas

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