单片机原理及应用课程设计自动控制升降旗装置

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1、湖南人文科技学院课程设计报告课程名称:单片机原理及应用课程设计设计题目： 自动控制升降旗装置 系 别： 通信与控制工程系 专 业： 通信工程 班 级： 07通信一班 学生姓名: 学 号: 0 起止日期: 2010年6月8日 2010年6月22日 指导教师: 教研室主任： 指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成绩邓晓雄王成胡楚煊1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日摘 要本系统采用单片机STC89C52作为自动控

2、制升降旗系统的检测和控制核心，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。该电路主要由电机驱动控制模块、键盘与显示模块及语音模块几个部分组成。电机驱动控制模块采用集成驱动芯片ULN2003L，采用键盘作为输入控制和数码管作为输出显示，语音模块采用报警蜂鸣器(LS)电路。关键字：步进电机；自动控制；语音；数码管显示；按键 目 录设计要求11 方案选择与论证11.1电机的选择与论证11.2 电机驱动方案的选择与论证22 自动控制升降旗整体电路设计22.1整体电路原理23 单元电路设计33.1 步进电机电路的设计33.2 数码管显示电路的设计43.3 音乐发声电路的设计53.4

3、 矩阵4X4键盘电路的设计63.5 外部ROM存储器电路设计74 自动控制升旗装置软件设计84.1 系统总程序流程图84.2 步进电机转动的软件设计94.3 数码管实时显示的软件设计104.4 国歌音乐的软件设计104.5 矩阵键盘实时控制软件设计114.6 外部ROM实时访问的软件设计125 详细仪器清单136 总结与思考及致谢14参考文献15附录一：系统程序代码16附录二：总原理图27自动控制升降旗装置设计要求基本部分: 1).按下上升按键后，旗帜匀速上升，同时流畅地播放歌曲，上升到最高端时自动停止上升，歌曲停奏；按下下降按键后，旗帜匀速下降，降旗的时间不放歌曲，下降到最低端时自动停止；

4、2).旗帜在最高端,上升按键不起作用；在最低端时，下降按键不起作用； 3).升降旗的时间均为43秒，与国歌的演奏时间相等； 4).即时显示旗帜所在的高度，以CM为单位，误差不大于2CM。发挥部分: 1). 重新合上电源后，所显示的旗帜高度数据不变； 2). 要求升降旗的速度可调整，调整范围是30120秒钟，步进1秒（除43秒外，其他时间可与国歌不同步）； 3). 在最高升降速度下（以自选的电机参数定），能在指定的位置上自动停止，定位误差2CM。1 方案选择与论证1.1电机的选择与论证方案一：采用普通的直流电机。普通直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁

5、的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转。方案二：采用步进电机。步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲转化为角位移，即一脉冲，电机就转动一角度，因此很适合单片机控制。步进电机的一个显著特点是具有快速的启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，可以通过步数实现精确定位，可正转反转控制灵活。综上所述，我们选用方案二。1.2 电机驱动方案的选择与论证方案一：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，

6、耗电流，不能很好的驱动步进电机，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ULN2003驱动。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。所以综上所述我们采用方案三。2 自动控制升降旗整体电路设计2.1整体电路

7、原理系统整体电路原理框图如图1所示：图1总体电路框图3 单元电路设计3.1 步进电机电路的设计根据设计要求，我们采用了步进电机的准确步进来控制旗杆的升降，电路图如图3所示：图 3 步进电机原理图 步进电机是数字控制电机，不同于直流电机。它将脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，非常适合单片机控制。工作原理如下： （1）控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的六拍工作方式，其各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C各相得通断。 （2）控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，电机正

8、转，如果按反序通电换相，电机就反转。 （3）控制步进电机的速度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，它就会再转一步。两步脉冲的时间间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。步进电机步序表如表1所示：表1 步进电机步序表步序C4C3C2C1ULN2003输出单片机输出100010x010x0e200110x030x0c300100x020x0d401100x060x09501000x040x0b611000x0c0x03710000x080x07810010x090x06 如果按步序1-步序 8输出数据，步进电机正转，按步序8步序一输出数

9、据，步进电机反转。 3.2 数码管显示电路的设计由于要求升降过程中即时显示所在高度，故采用四位数码管即可显示出来。本试验所采用的开发板上有一排六位的数码管，每个数码管的8段是由芯片8255得PB口控制亮灭，即可得到所要显示的数字，每个数码管的公共脚分别由8255的PA0PA5经三极管扩流后进行控制，原理图如图4所示：图 4 数码管显示电路原理图 要在某位数码管上显示一个数字，首先把待显示数字的显示码送给8255的PB口，接着选中要显示的位。例如：要在开发板的最左边的数码上显示一个0，则需要先把0得显示码0xc0送8255得PB口，接着PA0赋0（低电平），随后让单片机保持这个值不变。3.3 音

10、乐发声电路的设计为了在升旗得过程中同步放出国歌的音乐，本实验采取蜂鸣器来奏响国歌。单片机的P33引脚用来控制蜂鸣器的工作，当P33输出高电平时，蜂鸣器不工作。当P33引脚输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器工作，同时二极管发光。蜂鸣器音乐电路如图5示：图 5 音乐发声电路3.4 矩阵4X4键盘电路的设计本实验中用来控制的功能比较多，故采取按键控制的方法来实现控制功能。电路如图6示：图 6 矩阵4X4键盘电路 矩阵式键盘的按钮识别办法可以确定矩阵式键盘上何键被按下，采用的方法之一为“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常见的按钮识别方法，键盘如上所示。具体实现过程如下：判断键盘

11、中有无键按下。将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键低于低电平线与4根行线交叉的4个按钮之中。若所有列线均为高电平，则按键中无键按下。判断闭合键所在的位置：在确认有键按下的情况下，即可进入确定具体键的过程。操作是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他线为高电平。在确定某根行线为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮。3.5 外部ROM存储器电路设计由于设计要求要掉电后将数据保存，即重开电源后单片机要从上次掉电前得状态继续执行，故采取I2C总线形式挂载外部程序

12、存储器来存储掉电前得数据。原理图如图7所示：图 7 外部ROM存储器电路I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二进制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。AT24C08是低功耗的CMOS串行EEPROM，内含256*8位存储空间，工作电压宽，擦写次数多，写入速度快等特点。本设计中24C08的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在开发板上均接地，第8脚和第4脚分别接正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入输出，数据通过这条I2C总线串行传送，与单片机的P27连

13、接。第6脚SCL为串行时钟输入线与单片机的P26连接。SDA与SCL都需要和正电源间各接一个2K的上拉电阻。第7脚需接地。4 自动控制升旗装置软件设计4.1 系统总程序流程图系统工作总程序流程图如图8所示：图8 整体程序流程图4.2 步进电机转动的软件设计步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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）。可以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；同时也可以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。其工作流程图如图9所示： 图9 步进电机程序流程图此次设计中，采用的为

14、四相八拍的步进电机控制方式。代码中，先定义了要用到的步进电机正转和反转的时序数组，以使后面的程序能够随时更改电机接收到的脉冲时序，以达到实时地控制电机的正转和反转，从而实现旗帜的上升与下降。更改脉冲时序的条件由所按下的键盘按键决定，所以可以实时地更改脉冲的时序，达到实时地控制电机转动方式。4.3 数码管实时显示的软件设计数码管显示的部分硬件上是通过8255扩展I/O芯片实现控制，且采用的为动态数码管显示的方法，也就是六要数码管共用的为一个八位数据线。上面函数的功能为在指定的数码管上显示指定的数字。实际中要显示的数字不只有一位，所以必须在人的视觉停留的时间内，即1/12秒的时间内，把所有要显示的

15、数码管全部点亮，才能给人感觉像是所有数码管同一时刻全部点亮了。数码管工作流程图如图10所示：图 10 数码管子程序流程图4.4 国歌音乐的软件设计 音乐功能主要在两个中断中完成;定时器0中断主要输出一定频率的方波，定时器1中断完成音长的控制，在完成特定音符的音长后读取下一个音符,并且更新定时器0的初始设置值。演奏时，要根据音符的不同把对应半周期的定时时间初始值送入定时器T0，再由定时器T1按时输出高低电平，定时器控制音乐程序流程图如图11所示： 图 11 定时器T0、T1控制音乐子程序流程图4.5 矩阵键盘实时控制软件设计本次设计采用的为4X4矩阵键盘，这种键盘是由16个按键组成的开关矩阵。其

16、程序流程图如图12所示，程序中用来识别用户按下的按键采用的方式为动态扫描的方式，即分别对矩阵进行行扫描，再进行列扫描即可得到识别按键所需的两个坐标值，在程序中定义全局变量test_x,test_y用来存储键盘扫描得到的值。个体的程序设计中，因为实时控制电机的转动，音乐的开关均以用户按下的按键为基准，故程序中多次要用到键盘扫描，所以将键盘扫描程序抽象出来形成一个单独的函数scanKeyboard()，提高编码效率。图12 键盘程序流程图4.6 外部ROM实时访问的软件设计因为RAM存储器的掉电易失性，而要达到掉电保存数据的效果，就必须将要保存的数据写到ROM中。本次设计中，采用外部程序存储器24

17、C08，采用的通讯协议为I2C串行总线方式，外部ROM程序流程图如图13所示。具体的程序设计中，将主要对存储器的操作抽象为两个函数以供调用，即存储器写函数Write24c02（uint ch,uchar address），功能为每一次写一字节到指定的存储器地址上，存储器读函数Read24c02(uchar address)，功能为读出指定地址上的一个字节。图 13 外部ROM程序流程图5 详细仪器清单表格 1 仪器清单仪器名称数量STC89C52芯片18255A芯片1ULN2003L1步进电机1七段LED数码显示器6按键166 总结与思考及致谢本系统采用单片机STC89C52作为自动控制升降旗

18、系统的检测和控制核心，采用由单片机控制的步进电机带动国旗升降，通过用按生键来实现对国旗升降的自动控制，最终与实践相结合的升降旗系统，实现单片机与人们活的密切应用。做本设计，深刻的体会到，要把各功能模块搞懂才能达到各硬件的融合，达到硬件和软件的结合。软件设计中，由于汇编的繁琐性，本系统采用C来编写程序，其实C是每一条语句可转化为汇编，汇编是更接近硬件的语言，写汇编可以对单片机的实际操作有更好的理解，故有时间可以尝试写“双语”。 感谢学校能给我们这次机会，让我们有一个发挥自己的平台,让我们把从课本学到的知识用到实际生活当中，从中得到锻炼。在系统设计过程中，刘老师、方老师、谭老师、周老师等提出了许多

19、宝贵的意见，在此深表感谢！同时得到了在校老师和同学们的支持与帮助，在此表示感谢!参考文献1 朱定华,戴汝平.单片微机原理与应用(M).北京:清华大学出版社20032 张鑫单片机原理及应用(M).电子工业出版社.20093 彭秀华单片机高级语言c51Windows环境编程与应用(M).电子工业出版社 20014 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(M).北京：理工大学出版社2003年5 彭为单片机典型系统设计实例精讲(M).电子工业出版社20056 沈庆阳8051单片机实践与应用(M).清华大学出版社20027 张立科单片机典型模块设计实例导航(M).北京：人民邮电出

20、版社 20048 陈涛单片机应用及c51程序设计(M).机械工业出版社2007附录一：系统程序代码#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code FFW8=0x75,0x65,0x6d,0x4d,0x5d,0x1d,0x3d,0x35;/步进电机正转数组uchar code REV8=0x35,0x3d,0x1d,0x5d,0x4d,0x6d,0x65,0x75;/步进电机反转数组/setflag用标志定位是否有效test_x,test_y用于定义16个按键中的任

21、一个uchar test_x=10,test_y=10,setflag=0;uchar setfalse=0;uint counter=0;/用于定义每隔多少个脉冲数码管上数字自增/定义四个变量分别存储四个要显示的数位的值four显最高位第四位的值，依此类推uint sum=0,four=0,three=0,two=0,one=0;uint four_max=0,three_max=0,two_max=0,one_max=0;/定义四个变量，用来定位停止/音乐模块用到的些定义常量，变量，数组unsigned char volatile FlagBeat;/基本节拍单位计数变量unsigned

22、int volatile FreqTemp;unsigned char volatile music_temp; /暂时存放从MusicTable数组中读出的变量unsigned char volatile beat;unsigned char volatile freq;/简谱码对应T值数组的下标unsigned char volatile *pmusic;sbit Pin_Buzzer=P33; /串行外存定义的量#defineWriteDeviceAddress 0xa0/定义器件在IIC总线中的地址#defineReadDviceAddress 0xa1sbitSCL=P26;sbit

23、SDA=P27;unsigned char x1,x2,x3;unsigned int code FreqTab= /简谱对应的简谱码、T值65535,63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030;unsigned char code MusicTable=/音符节拍码0x52,0x84,0x02,0x82,0x82,0x01,0x81,0x52,0x61,0x71,0x84,0x84,0xa2,0x82,0x91,0xa1,0xc2,0x01,0xc1,0xc4,0xa2

24、,0x01,0xa1,0x82,0x01,0xa1,0xc2,0x01,0xa1,0x94,0x94,0x04,0xd4,0xc4,0x94,0xa4,0xc2,0xa4,0xc2,0xa2,0x91,0xa1,0x82,0x01,0x91,0xa4,0xc2,0x01,0x61,0x82,0xa2,0x01,0xa1,0xc2,0x01,0xc1,0x92,0x92,0x92,0x62,0x01,0x61,0x94,0x02,0x52,0x84,0x02,0x82,0xa4,0x02,0xa2,0xc4,0x04,0xc4,0x04,0x82,0x01,0xa1,0xc2,0x01,0xc1

25、,0xd4,0xc4,0xa2,0x01,0x81,0xc2,0xc2,0xc2,0xa2,0x82,0x54,0x84,0x32,0x01,0x81,0xc2,0xc2,0xc2,0xa2,0x82,0x54,0x84,0x54,0x84,0x54,0x84,0x84,;unsigned char const dis_table16= 0xA0, /*0*/ 0xBB, /*1*/ 0x62, /*2*/ 0x2A, /*3 */ 0x39, /*4*/ 0x2C, /*5 */ 0x24, /*6*/ 0xBA, /*7*/ 0x20, /*8*/ 0x28, /*9 */;void De

26、layMs(unsigned int number) unsigned char temp;for(;number!=0;number-) for(temp=112;temp!=0;temp-) ;/开始总线void Start() SDA=1;SCL=1;SDA=0;SCL=0;/结束总线void Stop() SCL=0;SDA=0;SCL=1;SDA=1;/发ACK0void NoAck() SDA=1;SCL=1;SCL=0;/测试ACKbit TestAck() bit ErrorBit;SDA=1;SCL=1;ErrorBit=SDA;SCL=0;return(ErrorBit);

27、/写入8个bit到24c08Write8Bit(unsigned int input) unsigned char temp;for(temp=8;temp!=0;temp-) SDA=(bit)(input&0x80);SCL=1;SCL=0;input=input1;/写入一个字节到24c08中void Write24c02(uint ch,uchar address) Start();Write8Bit(WriteDeviceAddress);TestAck();Write8Bit(address);TestAck();Write8Bit(ch);TestAck();Stop();Del

28、ayMs(10);/从24c08中读出8个bituchar Read8Bit() unsigned char temp,rbyte=0;for(temp=8;temp!=0;temp-) SCL=1;rbyte=rbyte1;rbyte=rbyte|(unsigned char)(SDA);SCL=0;return(rbyte);/从24c08中读出1个字节uchar Read24c02(uchar address) uchar ch;Start();Write8Bit(WriteDeviceAddress);TestAck();Write8Bit(address);TestAck();Sta

29、rt();Write8Bit(ReadDviceAddress);TestAck();ch=Read8Bit();NoAck();Stop();return(ch);void delay()/延时主要用于控制display函数执行速度，以及电机的转带 uint i = 0; for(i = 0; i20;i+);void delaytest()/延时主要用作按键消抖作用。 uint i = 0; for(i = 0; i25000;i+);/动态扫描4X4键盘，不停的扫描则可以确实按下的为哪一个按键。void scanKeyboard() uint i,j,PC_data = 0; a8255

30、_CON=0x89; a8255_PB=0xff; a8255_PA=0xff; delay(); PC_data=a8255_PC; for(j = 0;j4;j+) if(PC_data&(1j) = (1j) for(i = 0;i4;i+) a8255_PA=1i; delay(); PC_data=a8255_PC; if(PC_data&(1j) = (1j) test_x = i; test_y = j; break;/定时器，音乐模块的一些初始化void initial()pmusic=MusicTable; beat=1; FlagBeat=0; TMOD=0x11;/定时器

31、0，1都工作16位计数方式 ET0=1; /允许定时器0溢出中断; ET1=1; /允许定时器1溢出中断 EA=1; TL1=0xF0; TH1=0xFF; TR1=1;IT0=1; /外中断跳变产生中断EX0=1;/数码管显示方法,在指定的place位置显示num数字。void display(uchar place,uint num) uchar i = 0,display_num = 0; uint test = 0; a8255_CON=0x89; a8255_PB=0xff; a8255_PA=0xff; delay(); if(place = 1) test = (0x10); e

32、lse if(place = 2) test = (0x11); else if(place = 3) test = (0x12); else if(place = 4) test = (0x13); else if(place = 5) test = (0x14); else if(place = 6) test = (0x15); a8255_PA=test;if(num = 0) display_num = dis_table0; else if(num = 1) display_num = dis_table1; else if(num = 2) display_num = dis_t

33、able2; else if(num = 3) display_num = dis_table3; else if(num = 4) display_num = dis_table4; else if(num= 5) display_num = dis_table5; else if(num = 6) display_num = dis_table6; else if(num = 7) display_num = dis_table7; else if(num = 8) display_num = dis_table8; else if(num = 9) display_num = dis_t

34、able9; a8255_PB=display_num; delay();/主函数入口，主要用来组合音乐，电机，显示模块以及通过按键实时的控制步进机，音乐播放void main(void)/用于掉电保存的数据，每次开机时，用于加载掉电前的数据uint stoNum=Read24c02(0x04);four_max=stoNum/100;three_max=stoNum/10%10;two_max=stoNum%10;four=four_max;three=three_max;two=two_max;one=one_max; while(1)/设定初始位置值，电机转到指定的位置停止 while(

35、1)scanKeyboard();/每次调用延时，以消除键盘抖动。 if(test_x=0&test_y=3)delaytest();test_x=0,test_y=1;four_max = +four_max%2;setfalse=1;if(test_x=1&test_y=3)delaytest();three_max=+three_max%6;test_x=0,test_y=1;setfalse=1;if(test_x=2&test_y=3)delaytest();two_max= +two_max%10;test_x=0,test_y=1;setfalse=1;if(test_x=3&t

36、est_y=3)delaytest();one_max= +one_max%10;test_x=0,test_y=1;setfalse=1;display(1,four_max);display(2,three_max);display(3,two_max);display(4,one_max);if(test_x=0&test_y=0)break;if(test_x=1&test_y=0)break; if(four_max!=0|three_max!=0|two_max!=0|one_max!=0)setflag=1;if( (test_x=0&test_y=0) | (test_x=1&

37、test_y=0) ) initial();while(1)uint i; scanKeyboard();for(i=0;i8; TR0=1; Pin_Buzzer=Pin_Buzzer;void timer1() interrupt 3 using 1FlagBeat+; TR1=0; TL1=0x68; TH1=0x48; TR1=1; if(*pmusic= =0x00)pmusic=MusicTable; if(FlagBeat= =beat) FlagBeat=0; music_temp=*pmusic; beat= music_temp&0x0F; /取得节拍数 beat=beat*4; freq =music_temp4; /取得音符编码 pmusic+; if(freq=0)TR0=0; else TR0=0; FreqTemp=FreqTabfreq; TL0= FreqTemp; TH0= FreqTemp8; TR0=1; 附录二：总原理图27