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原创升降旗

 2007-5-21 18:01  4522 5 18 分类: MCU/ 嵌入式

摘要

本系统采用 AT89S52 单片机作为主控单元，步进电机作为动力源，4×4 键盘、组合键和无线键盘作为输入，液晶显示器和国旗状态指示灯作为输出构成一个具有良好人机交互方式的系统。通过键盘的输入，可以实现国旗升降、升降半旗、任意时间升降、任何位置升降等功能，通过显示器输出显示当前高度、目标高度、当前时间、目标时间等必要信息。国旗上升时，上升标志灯亮；下降时，下降标志灯亮；半旗状态时，半旗标志灯亮。具有无线遥控升降旗功能，可以控制国旗升降、升降半旗。通过与单片机配套的 EEPROM 存储器可实现掉电保护功能。为避免误操作，国旗上升至最高位置时，按上升键不起作用；下降至最低位置时，下降键不起作用。可顺利实现系统要求的基本功能和发挥功能。关键字：AT89S52，驱动电路，中断，SPI 接口，无线收/发，防干扰。

Abstract

This system
is based on
AT89S52
single-chip as
the main
control unit,
step-by-step motor as the drive, the 4× 4-keyboard and the wireless-keyboard as the input, LED and indicator of national flag as the out put. Most of these make up
a system, which has
an excellence
man-machine
conversation function. It can implement functions by input via keyboards such as raise-low a flag, raise-low the half-mast, raise-low the flag at any time, park the flag at any highness, and so on. It can show the highness currently, the anticipative highness, the time currently,
the
anticipative time and some useful info. When the flag is been rising up, the up
arrow lights. When the flag is been lowing down, the down arrow lights. When the flag
is
in
the half-mast state,
the half-mast sign
light lights. And it has
the long-distance wireless control function, which can command the flag raise low and half-mast.
It
even can implement
safeguard power
break
off
function with EEPROM controlled by single-chip. To avoid the wrong actions, the rising key is useless
when
the national flag is in the
highest point and
the lowering key
is
useless when the
national
flag
is
at the
lowest point.
It can carry basal
and patulous demand out all right.

Keyword：AT89S52，drive circuit，blackout，SPI port，wireless receive/transmit，

disturb prevent.

- 1 -

一、方案比较与设计论证

根据题目的基本要求，本系统主要由三个模块构成：主控单元、电机与驱动模块、键盘与显示模块。

1. 主控单元方案论证与比较

方案一：采用 FPGA（现场可编程门阵列）作为控制器。使用 GW48－CK 型 EDA 开发系统对 Altera 公司的 FLEX10K 系列 FPGA、Altera II 自行设计的开发软件 MAX＋PLUS II 和硬件描述语言 VHDL 对 FPGA 进行编程与调试。FPGA 具有容量大，集成度高，可反复编程与调试，可靠性高，触发器与引脚丰富等优点。常用于大规模实时性要求较高的系统。在本设计中，FPGA 的高速处理能力得不到充分发挥。

方案二：采用 PLC（可编程逻辑控制器）作为控制器。使用 SIEMENS 公司的 S7－200 CPU224 型 PLC，SETP7-Micro/WIN32 编程软件。PLC 的特点是可靠性高，I/O 接口丰富，采用模块化结构和安装简单等特点。PLC 广泛地用于工业控制领域，但是输入端采用 R－C 滤波器，输入会有 10~20ms 的延迟时间，且价格昂贵。

方案三：采用 MCS-51 系列单片机作为控制器。使用 AT89S52 单片机作为控制核心，Keil Uvision2 编程软件和 C51 语言对系统程序进行编写和调试。该单片机内部资源丰富，集成了内部看门狗、双数据指针、在系统编程（串行下载目标程序）等功能。编程语言和软件使用方便，对外部扩展器件要求较低，控制简单。这对时间紧，任务重的开发工作非常方便。

基于以上分析，我们选用 AT89S52 单片机作为本系统的控制器。

2. 电机的比较和选择

方案一：采用直流伺服电机作为动力源,其特点是控制简单；调速范围广，可以平滑调速；起动转距大，易于快速起动和制动。但是直流电机需要有换向器换向，采用有刷电机容易造成换向器磨损甚至使程序跑飞，采用无刷电机则结构复杂价格较贵。故舍弃此方案。

方案二：采用步进电机作为动力源，其特点是定位精度高，分解性能高，响应性能高，可靠性能高。步进电机采用位置和速度为控制变量，可非常方便地进行速度和位置控制，即使以开环控制也可以保证位置和速度精准。因此步进电机非常适合以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合。结合竞赛要求和实际情况，我们选用此方案。

3. 电机驱动的比较和选择

选用步进电机之后，我们需要一个合适的电机驱动方案，以保证电机能够平稳运行，易于起停、正反转及变速。同时程序运行时能够节省 CPU 资源。

方案一：使用可逆计数器和 EPROM 芯片组合电路提供相序，然后使用达林顿管将相序电流放大为电机所需要的电流。此方案需要将所需相序提前存储至 EPROM 芯片 M2716 的特定地址，然后用可逆计数器 74LS191 输出端接 M2716 的相应地址线，这样，计数器每加 1，就输出一个 4 位的地址给 M2716，使 M2716 输出相应的相序信号。相序信号经达林顿管放大可为步进电机提供电流。但是，本方案的缺点是每次调整步进电机工作方式都需要重新向 M2716 中写入新相序，比较麻烦，且

- 2 -

使用分立器件搭成的放大电路可靠性不强。

方案二：使用 L297 和 L298 芯片电路为步进电机提供相序和驱动电流。L297 提供步进电机所需要的相序，而且可以很容易地对相序正/反向循环、不同工作方式切换进行控制。L298 将 L297 提供的相序信息放大至步进电机需要的大电流相序以驱动步进电机转动。此方案需要元件很少，从而使得装配成本低，可靠性高，占用空间少，通过软件开发可以简化和减轻 CPU 的负担。

综合考虑上述两种方案，我们选用方案二作为电机驱动方案。

4. 显示器方案比较和选择

方案一：采用 LED 数码管显示数据。本系统只需要六只数码管即可显示高度和时间信息。利用数码管显示的优点是控制简单，价格便宜，功耗低可以实现高亮显示；不足之处是只能显示 0-9 以及几个字母信息。

方案二：采用 LCD 液晶显示数据和相关信息。使用 1602 液晶显示模块可以方便显示必要的字符串信息和数据，有着非常良好的人机交互界面，其功耗低，体积小，显示控制方便。但缺点是成本高，显示亮度不高，不利于夜间观察。

方案三：同时采用 LED 数码管和 LCD 液晶显示两种方式。由于该系统为升降旗系统，需要适合远距离观察的显示器，也需要易于操作的人机交互界面。采用此方案可以同时发挥两种显示方式的优点，使系统设计更加人性化。

由上述分析，我们选择方案三。

5. 系统工作电源的选择

直流电源的制作方法很多，我们本着简单，实用和竞赛锻炼的目的对以下方案做出比较。

方案一：采用开关电源。优点是输出功率大，体积小，效率高。缺点是输出纹波系数较大，容易对电网和系统造成干扰，无论采用自制还是模块方案成本都较高，不利于竞赛需要。

方案二：采用线性稳压电源。特点是输出连续可调，输出纹波系数小，制作简单、可靠。成本低，体积小。

因此，我们采用方案二。

二、整体分析与计算

1.系统功能

用按键控制国旗的自动升降和状态；升旗同时播放国歌；通过步进电机精确控制升降旗，实现国旗位置控制和速度控制。为避免误操作，在最高点位置时，上升键不起作用，在最低点位置时，下降键不起作用。可在指定位置自动停止，步进 1cm。增设一个半旗标志（发光二极管），当国旗处于半旗状态时，发光二极管被点亮；按升旗键，国旗上升同时播放国歌，上升至最高端（180cm）国歌停奏，1s 后国旗以相同的速率降至 2/3 处（120cm）；按降旗键，国旗升至最高端，间隔 1s 后降至最低端后自动停止。利用无线遥控模块实现对系统升旗、降旗、升半旗、降半旗的控制。利用 EEPROM 芯片 AT24C01 可实现掉电保护。升降旗速度可调，调整范围是

30s－180s，步进 1s。

2.系统总体方框图

- 3 -

直流稳压电源

有线输入

国旗

电机运转升降

无线输入

AT89S52

国歌播放

显示部分

图1

3.系统功能实现原理

本系统采用 AT89S52 单片机为主控单元，控制整个系统的运作。采用键盘显示芯片 HD7279 组成的 4 × 4 键盘作为系统有线输入，编码 / 解码芯片 PT2272/PT2262 组成无线收发模块作为系统无线输入，1602 液晶显示模块和数码管显示器作为输出。同时，利用语音芯片 ISD2560 组成的语音电路为升旗播放国歌。

电机采用混合式四相步进电机 57BYGH803。为了降低 CPU 的负载，我们采用以 L297 和 L298 为核心的步进电机驱动电路，为步进电机提供运转相序和运转电压。CPU 只需要提供方向信号和控制脉冲信号即可以控制整个电机的运转。步进电机采用四相八拍，转距角 0.9 度。因此电机转动一步，国旗升降 0.0157cm，即使不用反馈也可精确国旗运动。采用 12V 电压为电机驱动供电。

三、设计部分

1. 硬件电路设计

1．1 电机与驱动电路的原理与设计

本系统采用 L297 和 L298 作为步进电机的驱动电路，控制步进电机

57BYGH803 运转。主要运用了步进电机可以将电脉冲信号转变为线位移的特性，通过开环控制精准控制国旗升降。

1．1．1 步进电机的运动原理

57BYGH803 型混合式步进电机具有精确度高、转矩大、步进角度小的优点，可以采用四相八拍、四相单四拍，四相双四拍三种工作方式。在本系统中，我们采用四相八拍工作方式，步矩角 0.9 度。

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步进电机轴径 2cm，则周长 L＝3.1415926×D＝6.2831852cm 步进电机运行时，每转过一个步距，电机转动 0.9 度，国旗升降高度： HIGH＝L×0.9/360＝0.015707963cm

转过 11459 个步距，国旗升降高度为 179.997548017cm，由此可以看出，理论最大累计误差仅为 0.002451983cm,可以忽略不计。

1．1．2 电机驱动工作原理

本系统采用电机驱动为 L297 和 L298 搭成的驱动电路，控制简单，占用 CPU 资源很少。其电路原理图如图 2 所示：

图 2

通过控制 L297 的 CW/CCW 端可以控制电机正/反转；控制 CLOCK 端脉冲变化频率控制电机转动快慢；控制 HALF/FULL 和 CONTROL 端可以是电机工作于不同的工作方式。其中：

HALF/FULL＝0 、CONTROL＝0 时，工作于四相八拍方式，电机工作相序为： A-C-B-D-A。

HALF/FULL＝1 、CONTROL＝0 时，工作于四相八拍方式，电机工作相序为： D-AD-A-AC-C-BC-B-BD-D。

HALF/FULL＝1 、CONTROL＝1 时，工作于四相八拍方式，电机工作相序为： D-AD-A-AC-C-BC-B-BD-D。

HALF/FULL＝0 、CONTROL＝1 时，工作于四相双四拍方式，电机工作相序为： BC-BD-AD-AC-BC。

本系统采用四相八拍工作方式，为节约单片机引脚，将 HALF/FULL 和 CONTROL 直接与 5V 电位相连，单片机只需要控制方向引脚 CW/CCW 和速度控制引脚 CLOCK 即可。

通过对 L297 的控制，可以在其输出端自动输出相序给 L298。L298 将输入的小电流经过放大输出能够驱动步进电机的大电流输出。为保护驱动电路芯片和步进电机，在驱动电路中加入过电流保护电路和绕组保护电路。当步进电机工作的

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时候，在其绕组线圈中会产生一个反电动势，当电机停止工作时，在绕组中会产生反相压降，此时电流可以通过二极管流出，保护电机和驱动电路不受损害。

1.1.3 本系统中步进电机与驱动的工作参数工作温度：－20oC―― ＋50 oC

工作电压：12V

电阻：4.7 Ohm

电感：1.8 Mh

保持力矩：14.3 Kg/cm

系统设定电机转动线速度：1cm/s----4.186cm/s

1.2 系统输入/输出电路原理与设计

本系统的输入为键盘输入，包括使用单片机引脚的键盘、无线输入键盘、专用键盘芯片组成的键盘电路。输出为液晶显示器输出、数码管输出、电机状态标志输出。

1.2.1 系统输入部分电路设计

系统输入部分中，采用 HD7279 组成的输入输出电路。HD7279 是具有 SPI 接口的键盘显示芯片，其控制信号和数据信号的输入和输出方式符合 SPI 接口标准，其中 KEY 接口接入单片机的中断，当有键按下时，KEY 引脚上会被下拉成低电平，触发单片机中断，处理 4×4 键盘的按键信息。

在数据和控制信号的输入/输出传递中，我们采用模拟 SPI
数据收发信号的方式。利用单片机的 I/O 引脚向 HD7279 提供脉冲信号，然后利用另一位 I/O 引脚接受或发出控制信号或输出信号的位信息。

HD7279 键盘电路原理图如图 3 所示。

图3

因为本系统需要组合键，而 HD7279 不支持组合键，键盘部分采用 HD7279

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和独立按键共同应用。这样可以方便有效地实现按键组合。组合键是利用单片机的

P00、P01、P02、P03 引脚引出四个按键开关，控制电机的基本运作。根据本系统的需要，我们设置了遥控键盘以便远程控制国旗的升旗、降旗、升

半旗、降半旗功能。我们采用 PT2262/PT2272 组成编码/解码电路，应用方面，控制效果良好，通讯距离可达 250 米其详细介绍见。

键盘设置如下：

4×4 键盘设置：

1 2 3 高度设置

4 5 6 时间设置

7 8 9 取消

0 确定

组合键设置：

K1 K2 K3 K4

升旗降旗升半旗降半旗

无线键盘设置：

升旗升半旗降旗

1.2.2 系统输出部分电路设计根据本系统的需要，输出部分由三部分组成：数码管输出、液晶显示器输出、

升降旗状态标志。

数码管输出采用键盘显示芯片 HD7279 组成的显示电路，输出数据由 SPI 接口发至 HD7279，然后由其控制输出。具体电路原理图如图 3 所示。

液晶显示器采用 1602
字符型液晶模块，可以显示必要的字符信息。鉴于本系统的显示内容较多，格式相对复杂，故需要加入此模块，为整个系统提供一个友好的人机交互界面。

为显示国旗升降状态，我们特别设制一状态输出标志。旗杆上安装三个发光二极管，上下两个发光二极管指示国旗升/降状态，国旗上升或下降时，相应的发光二极管亮；中间一个为半旗标志，国旗处于半旗状态时亮。由于升降标志发光二极管采用的是工业用二极管，通常的 5V 电压不能将其点亮。我们采用三级管

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8050 推动放大将其点亮。具体电路如图 4 所示。

图4

1.3. 电源管理电路设计

电源管理电路对于电子设备而言非常重要，直接影响到系统的安全、稳定运行。在本系统中，间接管理电源的设计方法，保证系统获得稳定的电源。

小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几部分组成，如图所示。在电路中，变压器将常规的交流电压（220V、380V）变换成所需要的交流电压；整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电；滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉，得到一个较平滑的直流电；稳压电路用来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响，从而使输出电压稳定。电路框图如图 5 所示。

图5

本系统需要+5V 和+12V
电源，所以电源模块需要有这两种电压值的输出。使用+5V 电源作为单片机、液晶、语音芯片、键盘的电源，使用+12V 电源作

8 -

为电动机驱动器和工业用发光二极管的电源。介于本系统中电机驱动器电源驱动电机运转需要较大电流，因此我们在 LM7812 上加了较大的散热片以加快热量散发。电源电路图如图 6 所示。

图 6

1.4.
语音电路原理与设计

由于在升国旗的同时需要播放国歌，因此有必要选用音质好、控制简单的语音电路。我们选用语音芯片 ISD2560 作为国歌播放芯片。

ISD2560 具有抗断电、音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。录音时间为 60 s，能重复录放达 10 万次。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了 A/D、D/A 转换器。每个采样值直接存储在片内单个 EEPROM 单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。ISD2560 集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480 K 字节的 E2PROM 等。ISD2560 控制电平与 TTL 电平兼容，接口简单，使用方便。非常适合单片机控制和短期开发的需要。

由于本系统仅需要播放一首国歌，每次音乐的录放都从同一地址开始，因此可以将所有地址引脚都接地，这样可以节省单片机引脚，使系统更加易于控制。其电路原理图如图 7 所示。

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图7

1.5 无线遥控电路原理与设计

无线部分采取无线编码/解码芯片 PT2262/PT2272 电路实现。组成收发单元，以完成无线遥控功能。其原理图如图 8、图 9 所示。

图8

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图9

1.6 存储器电路设计

本系统具有断电保护功能，是通过存储器即时存储国旗状态实现的，当系统复位时，单片机首先会读取存储器数据，以判断国旗状态。本系统存储器采用与 AT89S52 相配套使用的 EEPROM 芯片 AT24C01。

AT24C01 是具有 I2C 接口的 EEPROM 存储芯片，其最大可存储 128 字节信息。由于符合 I2C 接口标准，使用 AT24C01 只需要控制 SDA 和 SCL 两个引脚即可实现数据的写入和读出。可有效地节省单片机引脚资源。AT24C01 电路原理图如图 10 所示。

图10

当 SCL 是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换表示进入起始状态。数据传输完毕后，SCL
是高电平时，SDA
线从低电平向高电平切换表示停止

条件。起始、停止时序图如图 11 所示。

- 11 -

数据传输时序图如图 12 所示。

图 11

2. 软件设计部分

2．1 系统程序设计思想

图 12

本系统软件部分主要由主函数和中断函数组成。其设计思想是：系统上电复位后先从 EEPROM 芯片 AT24C01 中读出国旗状态，若是特殊状态（0cm，120cm，

180cm）则进入相应的处理程序；若是非特殊状态，则将国旗降至 0cm。然后进行系统和各个部件的初始化。初始化之后不断检测组合键若按下，则进入相应程序执行。此时若有外部中断到来，也可进入相应的程序执行。

2．2 系统流程图主程序流程图：

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注：特殊状态子程序是指若国旗处于 180cm，则进入降旗子程序等待按键降旗；若国旗处于 120cm，则进入降半旗子程序等待按键降半旗；其他状态则自动使国旗降至 0cm 点。

键盘中断程序流程图：

升降旗流程图：

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升旗子程序流程图降旗子程序流程图

3. 关键技术解决方案与创新点

3.1 系统防干扰解决方案

3.1.1 系统干扰来源分析必要的防干扰措施对于任何一个复杂的电路系统都很重要，在本系统中也不

例外。本系统涉及 5V 电压数字电路与 12V 电压电机驱动电路同时使用的情况；人机交互过程中，键盘按键的意外抖动，造成输入信号错误；在数字电路部分，电源电势由于外部强烈的磁电干扰等原因发生的突变也容易击坏电路芯片。为解决上述对系统不利的干扰，我们分别从硬件设计、软件编写、芯片选择等方面解决干扰问题，力求降低干扰。

3.1.2 电路设计防干扰在电路板的布线中，电源与地、不同电位之间、都接有滤波电容。当信号线

上产生信号突变时可将突变信号滤去。在 HD7279 键盘电路中，由于 HD7279 自身带有防抖动设计，因此按键使不会有抖动现象产生。在驱动电路中，由单片机引出的信号电压只有 5V，很容易被驱动电路的 12V 电压所干扰且一旦 12V 电压被错误加载到单片机引脚上，必然造成芯片烧坏的情况。在本系统中，使用 L297 作为电机相序产生电路，同时 L297 将数字信号与 L298 电路的大电流信号相隔离，避免造成不必要的干扰。

3.1.3 软件设计防干扰

由于组合键直接与单片机地 P0 口相连，操作时组合键会有抖动现象，容易造成干扰。解决办法是：当单片机检测到独立按键按下时，进入相应子程序，然后延时 20ms，再次检测按键是否仍然处于按下状态。如果是认为按下按键，则 20ms

之后按键状态不会有所改变，否则改变。通过这样判断是否干扰，若是干扰则忽略，不是干扰则相应动作。

3.2 国旗运行状态标志设置上升、下降和半旗标志，国旗上升时，上升标志灯点亮；下降时，下降

标志灯点亮。半旗状态时指示半旗状态。分别由显示器和标志灯实时显示国旗的详细运动状态。

四、测试方法与仪器

1 调试方法

1）升旗。国旗在非运动状态，0cm 位置时，按下升旗键后，国歌起，上升标志灯亮，国旗缓慢上升。数码管、液晶显示器同时同步显示国旗高度和上升时间。43s 后国歌停，国旗上升至 180cm 位置，显示器显示 180cm 位置和 43s 时间上升标志灯灭，国旗停止上升。此时除降旗键以外的其他按键都处于无效状态，等待降旗键按下后时间显示为 0s，国旗匀速下降，经 43s 降至 0cm 。

2）升半旗。国旗在非运动状态，0cm 位置时，按下升半旗键后，国歌起，上升标志灯亮，国旗缓慢上升。43s 后国歌停，国旗上升至 180cm 位置停止，

1s 后国旗下降，经 14s 降至 120cm 处停止，半旗指示灯亮。此时除降半旗键以外的其他按键都处于无效状态。当降半旗键按下后，半旗指示灯灭，国旗在

14s 内升至 180cm 位置处，停留 1s 然后降至 0cm 处。降半旗全过程不奏国歌。

3）国旗到达指定高度。国旗在非运动状态，0cm 位置时，按高度输入键，然后根据液晶显示器提示输入高度，按确认键（若按取消键则可以重新输入）将信息输入。然后按上升键，国旗匀速上升至指定高度，上升期间国歌不奏。高度设定可在 1――180 cm 选择。当国旗在非运动状态，非 0cm 位置时，输入高度后国旗会自动判断，然后上升或下降至指定高度，同时上升/下降指示灯也会做出相应指示。按降旗键，国旗回到 0cm 位置。整个过程不放国歌。

4）升国旗时间调整。国旗在非运动状态，0cm 位置时，按时间输入键，然后根据液晶显示器提示输入时间，按确认键（若按取消键则可以重新输入）将信息输入。然后按升旗键，国旗可在指定时间上升至顶部（180cm）。时间设定可在 30s――180s 选择。按降旗键，国旗以相同时间降至 0cm 处。整个过程不放国歌。

5）无线遥控。无线发射模块有 3 个按键，键为升旗键，键为升半旗键键为降旗键。国旗在非运动状态，0cm 位置时，按键，以 43s 时间上升至 180cm，或按键升半旗。按键时国旗执行相应的降旗/降半旗程序。

6）开机时的上次运行状态的处理。当开机时如位置显示为 0cm，则不处理可以按键；当位置显示 180cm，表示上次断电时国旗在顶端，此时升旗、半旗、调时、调高无效，必须先按下下降键把国旗降下，才能进行其它功能操作；当位置显示 120cm，按下下降键，国旗以降半旗的方式降至底端，才能进行其它功能操作；当位置显示非 120cm、180cm、0cm 时，开机后，国旗自动下降至底端，开始进行其它功能操作。