《升降旗系統(tǒng)設計（論文）》6500字

前言伴隨著人類文明科技的的不斷創(chuàng)新和提高，智能自動控制系統(tǒng)被寬泛地應用于許多領域，例如機器人領域、醫(yī)用方面、家用電器、工業(yè)軍事設備、各種電子設備等，所以，研究自動控制系統(tǒng)對于現(xiàn)實生活和實用性都有重要意義。一、引言（一）研究背景及現(xiàn)狀當今有大部分學校和機關單位升旗時，還采用人工來升旗的方法來逐步完成，因此，在升旗與降旗這一往返過程中，很難避免發(fā)生國歌播放與人為升降國旗進度不一致。作為智慧生物當然能想到這一問題，為了破解此難題，聰明的人類就想到了用微型控制系統(tǒng)來完成這項偉大的工作，這一系統(tǒng)就好比是神經(jīng)系統(tǒng)，同時具有準確、全面和系統(tǒng)性的優(yōu)點，可以使得升旗的過程變得更加協(xié)調(diào)、平穩(wěn)。現(xiàn)如今，國內(nèi)與此相關的技術的進步與發(fā)展，使自動化控制系統(tǒng)的創(chuàng)新得到了技術的支持，因此，也同時使得國旗升降自動化裝置的研究更加完善，再加上國外嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，升國旗的過程變得更加協(xié)調(diào)與平穩(wěn)。這個系統(tǒng)其主要部分是用電機來控制國旗的自動上升和下降，而電機的運轉(zhuǎn)是依靠微型控制器即單片機來控制，而電機分為很多種，最常用的是步進電機。步進電機的作用逐漸明顯，解決了數(shù)字化方面的難題，使得數(shù)字化的控制變得更加簡單和方便，再后來，伴隨著人類智慧文明飛一般的發(fā)展，使用特定的芯片來控制和驅(qū)動電機成為了主流，各種驅(qū)動器的空間占用大小在逐漸地縮減，與此同時，芯片的各項性能方面，同時也提高了許多，整個系統(tǒng)也越來越完善起來。二、設計方案與理論分析（一）系統(tǒng)裝置理論分析本文章以STC89C52嵌入式控制器為中樞，運用自動升國旗系統(tǒng)的原理，結合國內(nèi)外一些參考文獻和裝置，設計了一整套模擬系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了自動升降國旗的核心功能。該系統(tǒng)的控制和檢測功能主要由單片機實現(xiàn)，重點通過步進電機、液晶顯示器、控制鍵盤、語音芯片等部分，來達到自動升降國旗的目的。本設計方案的整體大致思路如圖2-1所示：首先將旗桿高度設為16厘米，通過按下按鍵對嵌入式控制器執(zhí)行上升和下降指令，以此方式來實現(xiàn)控制當前國旗的上升和下降,而LCD液晶顯示器則是可以在屏幕上展示當前國旗高度和旗桿高度。當我們按下升旗指定鍵時，步進電機就會轉(zhuǎn)動，同時在語音芯片上也會播放國歌，伴隨著國歌演奏結束，國旗正好會升到旗桿頂部，整個過程升旗LED指示燈一直會亮直到國歌演奏結束；而按下降旗按鍵后，此時語音芯片會靜音，國旗慢慢下降到最低處，同樣降旗指示燈會亮；本設計還加入了降半旗儀式，即國旗先伴隨國歌先升到最高處，再下降到大約距離旗桿頂端的三分之一處停止；當然還有降半旗禮畢儀式，即從該停止處上升到旗桿頂部在下降到最底端。圖2-1系統(tǒng)整體框圖（二）步進電動機及驅(qū)動芯片ULN2003本設計的電動機采用的是步進電動機。步進電機是一種純數(shù)字化的電動機,它的功率因數(shù)較高，其工作原料是非常科學的，在功能方面可以取得優(yōu)秀的表現(xiàn)；其次它的運行效率很高，這源自它科學的工作原理，以及較為先進的產(chǎn)品技術，因此，步進電機可以有效地優(yōu)化設備正常的運作；最后，它的穩(wěn)定性非常好，尤其表現(xiàn)在性能和結構方面，能夠穩(wěn)定發(fā)揮它自身所具備的功能。電機驅(qū)動芯片采用的是UNL2003芯片。它輸出在集電極的開路端，分為截止狀態(tài)與飽和狀態(tài)。其輸出擊穿電壓最大可高達五十伏特，輸出電流的最大值可達到五百毫安，可工作的適用溫度范圍也非常廣泛，通常在負四十攝氏度至八十五攝氏度之間。更有甚者，它的價格也不貴，因此受到人們的喜愛，被廣泛用于高速和大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。（三）WT588D語音芯片語音芯片選用的是WT588D語音芯片，它是一款以嵌入式控制器為中樞的語音芯片，它將單片機和語音電路二者結合為一體，并且功能較多、應用范圍廣泛，與其他市面上的語音芯片相比有明顯的優(yōu)勢；其次，它的音質(zhì)非常好，其采樣頻率為六千赫茲到兩萬二赫茲之間，可以將其所加載的音頻完美的顯示出來。它的獨特魅力迫使我選擇了它。（四）LCD1602液晶顯示器該顯示器屏幕選擇LCD1602液晶顯示器。它的顯示性能的質(zhì)量很高,這主要是因為它的每個點接收到指令或者信號后,都會一直處于持續(xù)地給定的亮度和顏色,保持在發(fā)光狀態(tài),并且其畫質(zhì)清晰,沒有以前那種舊式顯示器閃爍的缺點;其次，它是一種數(shù)字式液晶屏，這使得它與單片機的接口變得簡單穩(wěn)當，在操作時也比其它顯示器更加方便；在功耗方面，相對于市面上的其他顯示器也更低，省電也是它的一大優(yōu)點；最后，它的體積也較小，比傳統(tǒng)顯示器更輕，更便于攜帶。因此，它當仁不讓地成為了我的首選。（五）獨立式鍵盤本設計中使用的是獨立式鍵盤。由它的名字就可以看出，它的每個按鍵是兩兩單獨工作的的，彼此之間不受任何影響，并且每個獨立按鍵都各自與一條I/O口線相連接，如若想要知道鍵盤中的某一個按鍵被不小心按下的話，也非常簡單，即用儀器檢測出口線的電平狀態(tài)，這也更加便于進行調(diào)試和實驗，檢測的方法如下：例如，如果某個按鍵被啟動，那么該按鍵相應的電平也會呈現(xiàn)低電平的狀態(tài)，而其他口線的狀態(tài)仍然為高電平。因此,只需要判別I/O口線路的工作狀態(tài)是否屬于低電平，就很輕松地識別被觸摸的按鍵。同時，按鍵之間的相互獨立、彼此之間不受影響等特點也使得用戶在識別按鍵符號的程序中使用軟件進行編寫非常便捷，電路的選擇也尤為簡單，非常適合在按鍵字數(shù)量不多的情況下，而本文的設計中所需要使用的按鍵的數(shù)目也相對比較少，所以選擇一個獨立式的鍵盤最恰恰不過了。三、系統(tǒng)硬件設計本設計以單片機STC89C52作為自動升國旗裝置的控制中樞，實現(xiàn)了液晶顯示高度、鍵盤控制電路、語音播放國歌、LED指示燈顯示狀態(tài)等功能，與之相對應的同樣有各種電路來支持它們功能的實現(xiàn)，使得整個系統(tǒng)各部分相互配合，完成工作。下面我們就來分析各個電路模塊及其實現(xiàn)的功能。（一）晶振電路這類電路中的晶振即石英晶體震蕩器，它以其高工作精度和良好的高穩(wěn)定性著稱，因此被現(xiàn)代人們廣泛采用，多應用在電視機、計算機、遙控裝置等各種不同類型的震蕩電路中，在無線通信系統(tǒng)中，常常被廣泛應用于為一些特定的數(shù)據(jù)處理裝置產(chǎn)生相應的時鐘信號，也為一些特殊系統(tǒng)提供相應的基準信號。自然也表明它在整個單片機系統(tǒng)中的地位作用之大，它的頻率可以與我們單片機內(nèi)部的各個控制電路相互地完美結合，形成我們所使用需要的時鐘頻率，而且每個單片機的工作頻率和運行速度則取決于它所能夠形成的的頻率，頻率越高，速度也就越快，同時，這也是所有指令運行的基礎。要使得系統(tǒng)能完整的運行，設計好晶振電路也是尤為重要的一步。如圖3-1是本設計的晶振電路。圖中C1、C2分別為反饋式的電容，其中經(jīng)典的數(shù)值一般在20pF到100pF之間進行選取,而本設計所需要的的電容不大，選取的大小為22pF。圖3-1晶振電路圖（二）復位電路復位電路的作用在系統(tǒng)內(nèi)部電路運行前后，與CPU的復位息息相關：使CPU在這段時間空隙中處于休息狀態(tài)，而不讓CPU處于連環(huán)的工作狀態(tài)，以防內(nèi)部的信息滯留導致CPU錯誤運行。單片機在正式運行前都要經(jīng)過復位電路的校正，保證CPU及系統(tǒng)在運行時不會出錯。復位后,PC的復位內(nèi)容被初始復位變換表示成0000H，MCU的自動復位并沒有直接影響內(nèi)部系統(tǒng)RAM的工作狀態(tài)。89C52單片機的兩個復位控制信號以低和高電平兩個輸入引腳作為一個復位引腳，高電平有效。本次設計的復位電路圖如圖3-2所示。圖3-2復位電路圖（三）電機驅(qū)動電路UNL2003芯片的抗干擾能力和適應功能強大，而最主要的是，它的價格比較便宜，對于我們這些學生而言，較為廉價平民，因此我毫不猶豫的選擇了它，其電路原理圖設計也十分簡單明了，并不復雜，在設計驅(qū)動電路上，我并沒有花費太多的時間，很快就完成了它的電路圖，如圖3-3為電機驅(qū)動的原理圖。圖3-3電機驅(qū)動電路原理圖（四）液晶顯示電路LCD1602液晶顯示器因為顯示質(zhì)量高、持續(xù)發(fā)亮的優(yōu)點而被人們廣泛使用，我選擇它的一大原因也是因為它的亮度高，可以清晰的看出數(shù)據(jù)，其次比較省電，功耗較低，并且它的體積較小，方便攜帶。其電路設計也較為簡單，一目了然，如圖3-4為本次液晶顯示電路的電路圖。圖3-4LCD1602液晶顯示電路圖（五）語音模塊電路WT588D語音芯片將單片機的功能和語音電路完美的結合在一起，它不僅可以反復擦寫，并且抗干擾性很強，音質(zhì)相對于其他市面上的語音芯片有明顯的優(yōu)勢，幾乎可以完好無損地展現(xiàn)出所加載的音頻，應用非常廣泛，經(jīng)常應用于工業(yè)領域。我之所以選用他，也是因為它能清楚無雜音的播放出所錄入的音頻，況且國歌本應該就是莊嚴鄭重的，如圖3-7為本設計的語音模塊電路圖。圖3-7語音模塊的電路原理圖（六）升降旗按鍵與指示燈電路設計在按鍵設計中一共使用了6個按鍵來控制電路，其中4個按鍵實現(xiàn)國旗升降的基本功能，并與四個LED指示燈相互對應，分別為升國旗，降國旗，降半旗，降半旗禮畢。另外還有一個暫停按鍵和一個復位按鍵。在國旗的上升和下降期間，可以按下暫停鍵使得國旗停止不動，而當按下復位按鍵時，國旗會自動地上升和下降，然后回到原來的位置。如圖3-8和圖3-9為按鍵電路原理圖和LED指示燈電路原理圖。圖3-8按鍵電路原理圖圖3-9指示燈電路原理圖四、系統(tǒng)的軟件設計嵌入式控制器系統(tǒng)是整個自動升降國旗裝置的中樞部分，而運作單片機需要C語言來支持它，相對于其他復雜的匯編語言，C語言易學易用，簡潔緊湊，靈活方便，并且它的數(shù)據(jù)類型豐富多樣，而本次軟件設計采用的軟件是Keil開發(fā)軟件，是一款較為領先和被人們常用的軟件。程序主要執(zhí)行內(nèi)容包括：系統(tǒng)主程序、升降旗子程序、暫停以及復位子程序等。啟動了整個主程序之后，通過啟動控制按鍵即可對整個程序進行操作和控制，步進式電機的運轉(zhuǎn)控制著國旗的自動升降，同時國旗的上升高度在液晶顯示屏上被清晰地顯示出來，暫停鍵可以控制電機的啟動與停止，而當按下復位按鍵后，國旗會回到最初的位置，如果國旗停在錯誤的位置上，可以通過按下復位按鍵，就可以使國旗自動地移動回去。如圖4-1為主程序的流程圖。圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖當我們按下了升旗的按鍵后，電機就會開始運行，同時用于語音播放的芯片也會開始播放國歌，第一個LED的指示燈就會點亮，此時國旗的上升高度在液晶顯示屏上被清晰地顯示出來，國旗緩慢地勻速上升，這期間如果按下暫停鍵，小國旗會停止上升，若沒有按下暫停鍵，當?shù)竭_旗桿頂部后停止，同時國歌也恰好演奏完畢。如圖4-2為升旗子程序的流程圖。圖4-2升旗子程序流程圖當我們按下了降旗按鍵時，第二個LED的指示燈就會點亮，電機運行，國旗也就開始緩慢地下降，但此時語音芯片并不會播放國歌，同樣這期間我們按下了暫停鍵，國旗就會停止不動，LCD的液晶顯示器就會實時地顯示出國旗在旗桿上的高度，當我們把國旗降至最底部時，國旗就會停止不動。如圖4-3為降旗模塊程序流程圖。當我們按下了降半旗按鍵時，步進電機就啟動，第三個LED的指示燈就會被點亮，同時語音芯片系統(tǒng)開始播放國歌，國旗從最底端上升至旗桿的最高處之后，同時國歌也恰好會演奏完畢，然后國旗將下降至大約距離國旗桿頂部的三分之一高度處停止；當我們按下了降半旗禮畢按鍵后，第四個LED指示燈被點亮，國旗從剛才的高度緩慢地上升至旗桿最頂端，然后再下降到最低處停止。降半旗儀式是對于公眾致以悲哀的重要儀式，一般是不允許停止的。如圖4-4為降半旗及其禮畢程序的流程圖。這四個流程圖都清晰地反映了每個功能的大致流程，各種操作都清楚可見，結構清晰，邏輯性強，更方便理解整個系統(tǒng)的基本功能，使得我們更好的了解每個程序的各個步驟與大致思路。圖4-3降旗子程序流程圖圖4-4降半旗及禮畢程序流程圖五、仿真設計及硬件調(diào)試（一）仿真設計本設計采用C語言程序編碼進行書寫，運用一些了復雜的語言邏輯，實現(xiàn)自動升降國旗系統(tǒng)的基本功能。編寫程序完畢后需要進行程序的錯誤和警告查詢，沒有任何錯誤后，緊接著在Keil平臺上建立工程檔案文件，將代碼添加進去后，選擇hex文件，經(jīng)過編譯、構建無錯誤后，進行仿真測試。在仿真軟件Proteus上進行硬件電路的模擬，將上一步已經(jīng)創(chuàng)建好的hex文件導入所選好的單片機內(nèi)，啟動仿真調(diào)試開始的按鍵，然后進行仿真實驗，觀察LED燈和液晶顯示器的變化。本次仿真達到了預期的效果，通過按下升旗重新按鍵模塊模擬出了國旗的高度和旗桿的高度，使得相應的數(shù)值在液晶顯示器上顯示出來，模擬步進電機轉(zhuǎn)動，LED指示燈也對應亮了，升旗過程仿真圖如圖5-1所示。圖5-1升旗過程仿真圖（二）硬件調(diào)試最后一步進行硬件調(diào)試，首先依據(jù)畫好的電路原理圖，采用Protel軟件畫出PCB圖，如圖5-2。根據(jù)PCB圖，然后用各種元件焊接出實物，元件清單如表一所示。用小標簽代替國旗，橡皮筋代替升國旗的繩子，小塑料板代替國旗桿，實物圖如圖5-3和5-4。然后將寫好的上述程序都燒錄到微型單片機中，再下一步接通電源，最后就可以觀察實物運行了。調(diào)試中遇到了一點小問題如下：當電路板的實物被焊接好并安裝完成之后，通上電源后，LCD液晶顯示器看不見背光。解決辦法：先拿出一個萬用表,把萬用表的測量端分別接入電路的電源和地端，經(jīng)過測量，結果發(fā)現(xiàn)電壓值為0，接著切斷了電源，再使用萬用表的LED檢測功能,然后再進行測量，之后萬用表就發(fā)生了鳴叫，這就是說明了電源與接地兩端之間已經(jīng)發(fā)生了一次短路。仔細檢查背面的電路后，這才發(fā)現(xiàn)了問題所在，原來是我錯誤地把電源和地兩端的電線搭在了一起，果斷選擇重新進行了一下電線焊接，最終徹底排除了該問題的故障。解決了問題后，重新對小國旗系統(tǒng)進行了測試，再次按下升國旗的按鍵后，小國旗就開始緩慢地上升，第一個升國旗的指示燈也亮了，同時還會用語音直接播放國歌，在小國旗終于到達頂部后，國歌恰好是播放完畢;當我們按下降國旗按鍵后，語音不會播放，小國旗慢慢地開始向下下降，在這期間按下了暫停鍵，小國旗就停止不動，表明小國旗暫停鍵沒有任何問題；再次按下降半旗儀式的按鍵，小國旗如預期那樣，先伴隨著國歌升到頂部，再降到距旗桿頂部三分之一處，顯示器顯示約10.6厘米，在這過程中指示燈也亮了，經(jīng)測試后，本設計基本功能都能實現(xiàn)。圖5-2電路原理PCB圖圖5-3單片機實物圖正面圖5-4單片機實物圖反面六、總結從測試結果來看，本設計基本完成了任務要求：本系統(tǒng)的語音采用中華人民共和國國歌《義勇軍進行曲》，播放時間為46秒左右，通過單片機對步進電機的精確控制，隨著國歌的響起，國旗開始冉冉上升，同時國旗的上升高度在液晶顯示屏上顯示，并且使得小國旗升到旗桿最頂端的同時，國歌也恰好播放完畢，達到了升旗完畢和國歌演奏結束的同步，成功得防止了國歌播放與人為升降國旗進度不一致的窘?jīng)r，在完成國旗自動升降的功能前提下，也實現(xiàn)了本次設計預期的目標。心得體會：在剛開始著手畢業(yè)設計時，面對第一次寫論文，毫無頭緒，在老師同學的幫助下，逐漸有了自己的思路。雖然大學課程中學習了單片機課程，但由于長時間沒有復習鞏固，許多知識早就已經(jīng)忘掉了，所以不得不再次鞏固一遍已經(jīng)學過的知識，這也花費了我不少時間，但這也是必需的，在完成了打基礎之后才開始了真正的設計，從開題報告到初稿再到無數(shù)次修改，然后到最終定稿，這一路上花費了大量精力與時間。本次畢業(yè)設計也使我了解到自己所掌握的知識還是有所欠缺，但同時也讓我學到了很多新的知識，因為在這過程中，我查閱了