自动控制升降旗系统设计文档格式.docx

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尊敬国旗体现着维护国家的尊严。

升降国旗是一件严肃的事情。

严格按照《中华人民共和国国旗法》要求升降国旗。

通过升降国旗仪式使学生受到直接的爱国主义教育，增强国家和民族观念。

然而，由于各种条件的限制，国旗的自动控制的应用还不够广泛，有些升降仪式完全是手动的，有些只是单纯的电动机转动，而不能与国歌的播放同步和自动控制，更不能接近开关的检测防止误差，容易让严肃的升旗仪场面变得难堪。

随着科技的进步，自动系统的广泛发展，以及升降旗存在的问题，自动系统也逐渐的应用到升降旗上，且具有较强的应用性。

特别是单片机测控技术和自动控制技术的迅速发展，已经完全可以使用自动控制系统来完成国旗的升降控制，同时还可以达到国歌演奏何时能够将快慢的完美配合，从而可以避免由于人为操作带来的不协调等诸多问题，保证了升旗仪式的严肃性和庄重性[1]。

用AT89C51单片机作为自动控制升降旗控制系统的控制芯片,采用光电传感器检测旗帜高度,选用H型驱动电路驱动直流电机,利用8255A和相关电路实现键盘、显示功能,实现国旗的自动升降控制[2]。

或以单片机AT89C52为核心,以键盘为输入系统,按键选定执行要测试的旗杆高度参数,按开始键执行升旗程序,并将旗帜高度和升旗所用时间显示在LCD液晶显示屏上.测试的升降旗系统[9]。

采用单片机控制的步进电机带动国旗升降，实现对国旗升降的自动控制。

并在此基础上实现多个国家国旗选择、升降,同时奏相应国家的国歌；

红外遥控升降旗所有动作,包括设置高度、时间；

控制键盘采用优先级扫描，从而有效地防止误操作；

可以按照用户的要求上升或下降到指定位置，并可在任意位置停止[9]。

自动控制升降系统在现实生活中应用非常广泛，有医学领域中有自动升降医床的设计，建筑领域的升降梯设计，公共涉及领域的其中车的设计等等，不仅应用在普通的生产领域，还能应用在高端军事的设计，火箭发射系统，先进武器研制方面未来还会向更广领域延伸。

随着工业装置的大型化，连续化，高参数化，对自动产品的要求不断提高。

为了达到工业设备的安全升降，稳定运行，优化操作等要求，必须将设备整合，满足人们正常高校生活的目的。

升降系统设计不仅要想高精度，智能化的方向发展，向更加多的方面发展，领域会更加广泛，电梯，工程提重，农业生产，军事科研等，更好地应用与未来社会生产。

1.方案论证及选择

1.1采用STC89C52单片机设计自动升降旗控制系统

采用STC89C52单片机作为控制器，主要包含四个部分：

驱动电机电路部分、语音电路，液晶显示电路，无线接收电路。

总体采用开关控制总的中断，实现语音显示，国歌播放，无线控制国旗的自动升降及停止功能。

STC89C52单片机设计方案原理图如图1.1所示。

图1.1STC89C52单片机设计方案原理图

单片机输出控制脉冲，直接加载到ULN2003芯片控制的电机驱动模块上，将信号进行处理后，转化为依据步进电机的步序高低电平信号，直接加载到步进电机上，驱动步进电机转动，电机转动带动旗帜的升降，同时还可以根据输入脉冲的多少调节电机的转速的快慢。

无线接收模块是通过红外发射器发射一个控制信号，通过接收器到的高低电平控制开关的中断，通过开关选择电机正传还是反转。

语音模块采用放大器驱动蜂鸣器播放国歌语音程序代码进行国歌播放。

同时，LCD显示电路采用的是LCD1602液晶显示国旗的实时高度，LCD1602液晶屏既可以显示数字，也可以字母，连接比较简单。

这种方案的优点是系统设计简单，且STC89C52有自带的内带4K字节EEPROM存储空间，电路的连接少，代价少，电机控制程序比较简单，具有广泛的实用性。

缺点是语音模块采用代码控制，只能机械的播放国歌的音调，不能出现明晰的声音，同时液晶显示和语音模块的程序复杂。

1.2采用数字电路设计自动控制升降旗系统

设计方案二：

采用数字电路控制。

主要包含六个部分：

电气控制部分，电源部分，驱动电机部分，无线接收部分，高度显示部分，音乐控制部分。

数字电路设计方案原理图如图1.2所示.。

图1.2数字电路设计方案原理图

该系统运用现代电子技术，将升旗仪式与演奏国歌混为一体，按下上升键后，国旗匀速上升，同时流畅的播放国歌：

上升到最高点时自动停止，同时国歌演奏完毕：

按向下键后，国旗匀速下降，降旗的时间不放国歌，下降到最低点时自动停止：

可以任意指定高度，使旗帜上升后下降到位置后自动停止，旗帜所在高度可以通过数字显示仪表进行实时显示。

电源电路部分主要由变压、整流、滤波、稳压等部分组成。

220v交流电压经过变压器变压，全桥整流，电容滤波，TW7809稳压之后，最终形成9V的直流电压，作为控制电压。

稳速部分采用PID积分电路进行控制使输出产生与转速成正比的脉冲，然后经过微分-检波-积分-放大，得到与转速成正比的电压，然后通过反馈控制步进电机的驱动电压而得到稳定的线速度。

而电气控制部分主要是利用电气元件中的逻辑门、电阻，开关主城复杂的控制电路，通过开关控制各个模块的电平变化达到控制各模块的目的。

高度显示部分采用光电传感器进行非接触式检测，然后根据结果输出一个高低电平，形成脉冲，然后去触发单片机外部中断，单片机根据脉冲数，计算出高度然后驱动数码管显示。

音乐播放部分采用的是电气控制部分的输出信号的高低电平驱动语音是否播放。

这种设计系统能够实现多种功能，且开关控制简单，元器件简单，无软件设计，但是这种电路太过庞杂，且还有干扰大，代价高，不能实现无线控制等缺点。

1.3采用PIC16F877A单片机设计自动控制升降旗系统

采用单片机作为主控制器设计的自动控制升降旗系统主要由PIC16F877A单片机，二相步进电机、E2PROM、国歌语音电路、键盘电路、LCD显示屏六部分组成。

PIC16F877A单片机设计方案原理图如图所示

图1.3PIC16F877A单片机设计方案原理图

系统加电后，首先读取E2PROM中的数据，判断是否在最低点。

如果不在最低点，强行将国旗降到最低点，这个过程，LCD液晶显示屏先是国旗的高度，并将其写入E2PROM，进行记忆。

然后判断国旗的升降模式，正常情况下，按下上升键，国旗上升，国歌播放，液晶显示高度，并不断将高度写入E2PROM。

至最高点，国旗、国歌都自动停止；

按下降键，国旗下降，语音模块不工作，LCD显示实时高度，并不断将高度送入E2PROM。

至最低点，降旗停止。

国旗处在半旗模式下时，国旗匀速上升，同时播放国歌，显示实时高度，并将其计入E2PROM，至最高点，国歌停止，国旗开始匀速下降，到达2/3处自动停止。

该电路因为PIC单片机具有E2PROM，结构简化，且单片机采用的是RISC指令集，速度快，步进电机因为采用双桥结构，完全通过程序控制，所以精度高，同时语音模块采用的是语音芯片播放录到的国歌，是声音更清晰流畅。

但是采用E2PROM记录高度，会出现系统延时，造成显示误差太大，同时手动控制按键，不能实现远程的控制。

同时语音芯片太贵，耗价高。

1.4总方案的选择

此次设计要求制作一个自动控制升降旗系统，要求设计速度和高度可调，LCD液晶显示，能够实现无线升降及停止等。

我们将上述几个方案进行比较如下：

对于采用STC89C52单片机的方案，由于采用的是四相八拍的步进电机，所以步进电机不仅能够实现速度的调节，而且相比二相电机来说更加的精确，速度的调节就能够实现高度的自主设定，同时语音模块采用三极管驱动扬声器发声，不仅耗价更小，电路简单，也易于制作，更方便调试。

同时还设无线模块设计的方案来说，能够控制升降及停止，基本达到设计的要求，该方案可行。

对于采用数字电路设计的方案，虽然用按键控制能够实现电机的驱动，但是，线路比较复杂，控制过程中会产生延时，使电机产生抖动，造成升降过程中的不稳定，同时，线路采用的是开关控制，没有无线模块，不能实现无线升降，同时耗价较高，所以方案不可取。

对于采用PIC16F877A单片机设计方案，PIC单片机虽然具有E2PROM，可以实时的记录瞬间的高度值，但是，这会造成显示高度与实际高度的误差，是现实不精准，而语音模块采用语音芯片对录制国歌的播放，能够起到流畅的效果逼真的效果，但是语音芯片对声音的录制会根据型号的不同，他们的录制的时间和效果就不同，同时录制过程比较复杂，且环境和电路也会产生影响使效果下降。

同时语音芯片较昂贵，所以该方案不可取。

综上考虑，我们选择采用STC89C52单片机设计自动控制升降旗系统。

2系统硬件的设计

该系统的硬件主要由5V电源，单片机最小系统，电机驱动电路，步进电机，LCD1602液晶显示电路，语音播放电路，被控的旗帜，测试用的旗杆，挂钩，细绳等组成。

下面是主要单元的电路设计。

2.1单片机最小系统的设计

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

此设计采用的单片机是STC89C51RC芯片，最小系统治一般应该包括：

单片机、五伏电源、晶振电路，下面进行详细的设计。

图2.1单片机最小系统设计图

2.1.1晶振电路的设计

单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟信号有两种：

内部时钟方式和外部时钟方式。

采用内部时钟时，片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接晶体振荡器作为反馈元件，然后通过晶体振荡器，两边各接一个瓷片电容，瓷片电容出来后接地。

晶振与电容组成的是一个并联谐振回路，由此构成的一个自己振荡器向内部时钟电路提供震荡时钟。

这个时钟提供给单片机，使单片机工作。

晶振一般采用的是石英晶体振荡器，这种晶体振荡器因频率稳定度高而广泛被采用。

频率有好多，一般51单片机采用的晶振频率为11.0952MHz或12.000MHz，而电容一般采用瓷片电容，他具有微调的作用，通常取值在30pF左右。

单片机晶振电路在单片机最小系统设计图如图2.2所示。

2.1.2复位电路设计

单片机在启动运行时都需要复位，复位使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的工作状态，并从这个状态开始工作。

在系统中，有时也会出现显示不正常，也为了调试方便，需要设计一个复位电路，复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

图1为基本RC复位电路，其电路为高电平复位有效，SW1为手动复位开关，可以实现上述基本功能。

单片机复位电路在单片机最小系统设计图如图2.1所示。

2.2电机驱动模块的设计

此电机驱动模块采用的是电机专用驱动芯片ULN2003驱动四相步进电机28BYJ来实现。

要完成此模块的设计，首先，我们先来了解一下ULN2003驱动芯片和28BYJ-48步进电机.

2.2.128BYJ-48步进电机

熟悉了驱动芯片ULN2003外，还必须要对所用的步进电机28BYJ－48熟悉。

28BYJ-48步进电机的外观图如图2.2所示。

图2.228BYJ-48步进电机外观图

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，也就是说，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（及步进角）。

28BYJ步进电机通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机