国旗升降自动控制系统毕业设计论文.docx

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山东科技大学泰山科技学院

毕业设计（论文）

题目：

国旗升降自动控制系统

摘要

本设计是关于自动控制升降旗系统的设计。

本着实用、调整控制方便、功能完善等方面的原则，采用在线编程、功能强大的单片机—P89c51RC2HFA来控制步进电机，实现国旗的自动升降等功能。

在步进电机的驱动电路上直接选用了模块化的控制器，大大减轻了CPU的负担,也完全符合快速设计的原则。

本系统设计了实现精确定时的时钟电路和用于掉电保护的存储电路，同时还设计了功能齐全的键盘/显示电路和使国旗飘扬的鼓风电路以及遥控电路。

该系统具有以下特点：

可按键、可遥控自动控制升旗和降旗，并在任意指定位置自动停止，升旗过程中能准确与国歌乐曲同步；实现半旗状态的功能；具有断电保护功能；升降速度可调功能；还具有无线遥控的作用等特点。

需要设定的升、降过程以及半旗状态是通过按键实现，并能显示上升或下降时间和旗帜所在高度。

本系统的创新点包括：

防止升降旗过程中出现冒顶系统；国旗到达顶点时，旗面保持迎风飘扬而不缠杆。

在实现以上功能的过程中，升降旗时间在30~120秒内可调，通过改变步进电机的转动速度来改变旗帜上升或下降的速度，并通过LED显示上升或下降时间和旗帜所在高度。

旗帜达到顶端后，由鼓风机提供风源使旗帜始终处于飘扬的状态。

测试表明，该自动控制升降旗系统达到了题目所有的任务要求，同时在发挥部分的设计要求之上，我们还提出了具有特色的创新点。

在操作方便和误差较小的基础上，保证了系统完整协调地工作。

关键字：

自动控制；断电保护；无线遥控；冒顶

ABSTRACT

Thedesignisbasedonthepracticalandconvenientadjustmentcontrol,andsofunctionalimprovement,withtheoffonlineprogramming,thepowerfulMCU—P89C51RC2HFAtosteppermotorcontrol,torealizetheautomaticraising/loweringofthenationalflag.Steppermotordrivecircuitisdirectlyintheselectionofamodularcontroller,thusreducingtheburdenontheCPU,butalsowiththerapiddesignprinciple.Thesystemisdesignedtoachieveprecisetimingandtheclockcircuitusedforsolvingthememorycircuit,butalsodesignedafullyfunctionalkeyboard/displaycircuit,sothatthenationalflagflyingandremotecontrolcircuitblast.

Thesystemhasthefollowingfeatures:

aflagraisingandloweringcanbecontrolledbybuttonorremotecontrol,andcanautomaticallystopatanydesignatedlocation,thenationalanthemandflag-raisingprocesscanaccuratelymusicsynchronization;Functionofachievingthehalf-maststate;Havepoweroutagesprotectivefunction;Adjustableratemovementsfunction;Therolealsohaswirelessremotecontrolfeatures.Settheascending,descendingprocessofthestateandhalf-mastthroughthebutton,anditcanshowthetimeandtallnessinriseorlowering.

Theinnovationofthesysteminclude:

preventingflagrisingemergedinthecourseofrising;Flagarrivedattheapex,tokeeptheflagflutteringinthewindratherthanwrappedaroundpoles.Intheprocessofachievingtheabovefunctions,30-120secondsfortheflagrisingisadjustable,bychangingtherotationalspeedofthestepmotor,theflagraisingspeedcanbechanged,andthe

time&tallnesswillbeshowedontheLED.Aftertheflagreachedthetop,thewindprovidedbytheblowerwillmaketheflaginflutteringstate

Thetestresultsshowthattheflagcontrollingsystemraisingatopicallofthetasksandrequirements,andsomefeaturesareontopofthedesignrequirements.Wehaveinitiateduniqueinnovations.

Basedonlesserrorandconvenientoperation,thesystemisensuredtoworkintegratedandcoordinate.

Keyword:

Automaticcontrol；Wirelessremotecontrol；Poweroutagesprotective；Risingemerged

目录

1、绪论 1

2、设计总体要求 2

3、方案的比较与选择 3

3.1单片机的选择 3

3.2电机的选择 8

3.3系统工作电源的制作 10

3.44显示的选择 12

4、系统设计 13

3.51系统框图 13

4.2系统硬件设计 14

4.2.1系统控制电路 14

4.2.2复位电路和步进电机驱动：

15

423按键与显示电路：

16

4.2.4语音电路：

16

4.2.5无线遥控电路 18

4.2.6定时电路的设计 18

4.2.7接近开关电路的设计 20

4.3软件设计 21

4.1.1主程序 21

4.1.2升旗子程序 21

4.1.3半旗状态子程序 22

4.1.4时间和高度调整子程序 22

5、系统原理与理论分析 29

5.1单片机最小系统组成 29

5.2控制原理 29

5.1.1步进电机驱动脉冲数的计算 29

5.1.2国旗运动的控制 30

5.2.3掉电现场的保护 31

5.2.4无线遥控 32

525端点保护控制 33

5.2.6创新功能 33

6、操作说明 34

6.1数码管显示说明 34

6.1.1在国旗上升或下降过程中数码管的编号和功能如下 34

6.1.2调键状态下编号和功能如下 35

6.2按键操作说明 36

7.3具体操作方法和实现的功能 36

7.1.1升旗 37

7.1.2半旗 37

7.1.3国旗到达指定位置 37

7.1.4升国旗时间的调整 38

7.1.5开机时的上次运行状态的处理 38

7.1.6无线遥控 38

7.1.7抱闸 38

7.1.8防冒顶 39

7、系统调试与测试结果 40

7.1系统分块调试 40

8.2测试结果 40

8.1.1升旗时间和位置测试 40

8.1.2高度调整测试 42

8.1.3时间调整测试 42

7.3误差分析 43

7.1.1滑轮的半径 43

7.1.2软件计算中的误差 43

7.1.3悬挂装置用线的形变 43

7.1.4机械制作工艺上的其他部分 44

8、特色与创新 45

9、参考文献 46

10、致谢 47

附录：

部分芯片中英文对照 48

1、绪论

随着科学技术的日新月异，自动化技术已成为当代科技发展的潮流，遍及人类生活、生产等各领域。

然而传统的国旗升降存在国歌的播放与国旗上升步调不一致，易受环境因素影响等弊端。

中华人民共和国国旗是中华人民共和国的象征和标志。

为了消除国旗升降中的众多问题提高升旗质量和效率，作为中华人民共和国公民我们有义务做点贡献。

因此本研究将致力于用单片机控制国旗自动识别、自动升降，同时自动播放与之相关国歌的研究，同时也用科技彰显出中国国旗和国歌的庄严和庄重性。

自动控制技术室一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。

我国自动控制技术发展道路，大多是引进成套设备同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。

2、设计总体要求

采用P89c51RC2HFA单片机、步进电机、WT2560语音芯片、时钟芯片X1226I、显示电路、遥控电路、按键等基本的部分组成的控制国旗升降系统。

采用由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。

采用接近开关FR12-4DN,防止旗帜在最高点或最低点误动作，从而实现了双重保险的作用。

使用抱闸装置保证步进电机在不通电的时候静止不动。

本系统应实现以下特点：

（1）可手动、可遥控。

即可以通过按键来控制旗帜的匀速升降，也可以通过遥控器来实现远距离控制；

（2）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；（3）国旗在上升过程中能准确与国歌乐曲同步；

（4）能实现半旗的升降功能；

（5）具有断电保护功能；

在实现以上功能的过程中，升降旗时间在30至120秒内可调，通过改变步进电机的转动速度来改变旗帜上升或下降的速度，并通过LED显示上升、下降时间和旗帜所在高度。

旗帜达到顶端后，鼓风机提供的风源使旗帜始终处于飘扬的状态。

3、方案的比较与选择

3.1单片机的选择

单片机（即CPU）是本系统的工作核心，它的选择不仅关系到系统的工作效率，同时也为系统的工作提供可靠的保障，因此CPU的选择是系统的关键所在。

方案一：

采用AT89s52单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。

但是AT89s52需外接模数转换器来满足数据采样，硬件电路相对复杂。

另外，增强型单片机在线操作不易掌握,需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。

方案二：

采用P89c51RC2HFA单片机实现，该单片机内部资源丰富，集成了内部看门狗、双数据指针、在线系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便。

本设计采用方案二

AT89S52单片机简介：

1、与MCS-51单片机产品兼容

2、8K字节在系统可编程Flash存储器

3、1000次擦写周期

4、全静态操作：

0Hz-33MHz

5、三级加密程序存储器

6、32个可编程I/O口线

7、三个16位定时器/计数器

8、六个中断源

9、全双工UART串行通道

10、低功耗空闲和掉电模式

11、掉电后中断可唤醒

12、看门狗定时器

13、双数据指针

14、掉电标识符

引脚说明：

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结,单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，pl输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流CIlDo

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（PL1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

Pl.lT2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）PL5MosI（在系统编程用）

P1.6MIS0（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动AT89s52引脚图PLCC封装

4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如M0VX@RI）访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）oP3口亦作为AT89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INTO（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4TO（定时/计数器0）

P3.5T1（定时/计数器1）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要,可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89s52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次

PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为OOOOH-FFFFH）,EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

特殊功能寄存器

并不是所有的地址都被定义了。

片上没有定义的地址是不能用的。

读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效。

用户不应该给这些未定义的地址写入数据“1”。

由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位都为“0”。

定时器2寄存器：

寄存器T2cON和T2MOD包含定时器2的控制位和状态位（如表2和表3所示），寄存器对RCAP2H和RCAP2L是定时器2的捕捉/自动重载寄存器。

中断寄存器：

各中断允许位在IE寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE中设置。

双数据指针寄存器：

为了更有利于访问内部和外部数据存储器，系统提供了两路16位数据指针寄存器：

位于SFR中82H-83H的DP0和位于84H〜85。

特殊寄存器AUXR1中DPS=0选择DPO；DPS=1选择DPI。

用户应该在访问数据指针寄存器前先初始化DPS至合理的值。

MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。

程序存储器：

如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89S52,如果EA接VCC,程序读写先从内部存储器（地址为0000H-1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：

2000H〜FFFFH。

数据存储器：

AT89S52有256字节片内数据存储器。

高128字节与特殊功能寄存器重叠。

也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址,而物理上是分开的。

当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。

直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）o

例如，下面的直接寻址指令访问OAOH（P2口）存储单元MOVOAOH,#data使用间接寻址方式访问高128字节RAM。

例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H,访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。

MOV@R0,#data堆栈操作也是间接寻址方式。

因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。

3.2电机的选择

电机在本系统中是国旗升降的主要控制部件，它为系统提供动力支持。

本文从以下几个方面阐述本系统的方案。

方案一：

采用直流电机控制升降旗运动，直流电机力量大，能获得较大的启动转矩，相应快，但控制复杂，不能自锁。

方案二：

采用步进电机控制升降旗运动，步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%）,所以广泛应用于各种开环控制。

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。

步进电机不需要使用传感器就能精确定位，而且通过给定的脉冲周期,能够以任意速度转动，定矩运动教精确。

虽然步进电机不能高速转动，但根据题目要求的时间和移动距离，步进电机完全能够符合要求，是该种要求下广泛使用的一种电机。

基于上述理论分析，我们选择了方案二。

所选步进电机的型号为17Hsi01,同时考虑降低CPU的负担，避免让CPU来产生步进电机的驱动脉冲节拍以及驱动步进电机的功率驱动电路，因此我们也直接购置与步进电机配对的驱动器，该驱动器型号为SH-2H042Mb,为两相四线式，细分的步距角有0.045°、0.09°、0.18°、0.36°、0.9°等5档。

步进电机的控制非常简单，从理论上说，只需给驱动器脉冲信号即可,每给驱动器一个CP脉冲，步进电机就旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角），也就是说步进电机时时跟随CP脉冲的变化。

但是实际上，如果CP信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化，这时就会产生堵转和丢步现象。

所以步进电机在启动时，必须有升速过程；在停止时必须有降速过程，一般来说升速和降速过程规律相同，以下以升速为例介绍。

升速过程由突跳频率加升速曲线组成（降速过程反之）。

突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和丢步。

升降速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线或正弦曲线等。

用户需根据自己的负载选择合适的突跳频率和升降速曲线，找到一条理想的曲线并不容易，一般需要多次‘试机'才行。

指数曲线在实际软件编程中比较麻烦，一般事先算好时间常数存贮在计算机存贮器内，工作过程中直接选取。

步进电机的升降速设计为控制软件的主要工作量，其设计水平将直接影响电机运行的平稳性、升降速快慢、电机运行声音、最高速度、定位精度。

一种特例是：

步进电机的运行速度不超过突跳频率，这时将不存在升降速问题。

3.3系统工作电源的制作

直流稳压电源的制作方案较多，而且可供选择的余地也较大，我们本着简单、实用、安全、可靠的原则，着重从以下两个方案中进行了论证选择：

方案一：

采用开关电源，优点是输出功率大、体积小、效率低；缺点是输出纹波系数较大、对电网易产生干扰。

方案二：

采用传统的线性稳压电源，优点是输出电压可以随意调节、输出纹波系数较小；缺点是效率低、体积大、电路较为复杂，综合成本较高。

综合制作难易程度以及成本和本系统使用实际情况，我们选用了第一套方案。

为了能满足步进电机驱动器所需供电电压为单24V/1.7A的要求，我们直接购置了24V/6.5A输出的开关电源作为步进电机的电源。

开关电源就是用通过电路控制开关管进行