基于PIC单片机的自动控制升降旗系统设计
王同宏 刘霞
[文章摘要] 自动控制升降旗系统是以单片机（PIC16F877A）为中心的自动控制系统。该系统由键盘输入模块、液晶显示模块、步进电机、步进电机驱动器、旋转编码器、无线遥控模块、语音模块、时钟芯片DS1302等部分组成。该系统能够自动实现：国旗的自动升降控制、在指定位置自动停止、在上下极限位置具有防超限功能、升降旗的时间与国歌的演奏时间吻合。除此之外本系统还可通过键盘上的数字按键，可以预置国旗在旗杆上的停止位置；键盘上设置了升降旗的时间调整按键，可以调整升降旗的速度；使用液晶显示屏可以直观的看到升、降旗的高度变化过程及工作时间；使用编码器进行高度测量，其控制精度上可以达到毫米级。
[关 键 词] PIC16F877A 旋转编码器 无线遥控 语音模块 DS1302
一、系统组成及方案论证 1.系统组成
该系统由键盘输入模块、显示模块、电机及驱动器、旋转编码器、无线遥控模块、语音模块、时钟芯片等部分组成。
2.方案论证
⑴显示方式的选择与论证
方案①：采用液晶显示器（LCD）显示。液晶屏功能强大，可显示各种字体的数字、汉字、图象，还可以自定义显示内容，显示内容也较丰富；方便操作者读取信息，及一些扩展功能的实现。
方案②：采用LED数码管显示。数码管具有编程简单，夜间显示效果好，但只能显示有限的符号和数码字，但显示内容有限，完成题目中的基本要求还可以，但还要增加具体功能的提示比较困难。
分析以上的两种方案的优缺点，选择第一种方案。
⑵电动机的选择与论证
方案①：采用直流电动机。直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，但直流电动机的运转速度及运行的平稳性难以控制，很难达到本设计的要求。
作者简介：王同宏 男 电气工程系副教授
刘 霞 女 工学硕士 电气工程系助教
方案②：采用交流电动机。交流电动机具有结构简单、运行可靠、成本低廉等优点；但对交流电动机进行调速需要比较高的技术和成本。
方案③：采用步进电动机。步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，在轻载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，累积误差小，控制精度高。
分析以上的三种方案的优缺点，显然第三方案更为方便实用。所以选择第三种方案。
⑶单片机的选择与论证
方案①：采用的MCS－51系列单片机，其驱动能力较弱，速度较慢，附加功能少。
方案②：采用由美国Microchip公司推出的PIC16F877A单片机，首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术。具有丰富的I/O控制功能，具有片内256B的EEPROM，可以完成掉电保存数据的功能。
本设计要求升降旗与播放国歌同步，同时要求具有比较多的接口驳接时间、显示和控制接口以及
应用技术研究
具有掉电保持功能，所以采用第二种方案。
3.系统结构原理图见下页图1。 二、单元电路设计 1.主控制电路
这部分电路的核心是单片机PIC16F877A。它具有强大的数据处理功能及较快的数据处理速度。通
步进电机转动，从而带动国旗的升降。单片机还能接收编码器的输出脉冲通过软件计算得出国旗所在的高度，并控制液晶显示器显示。
2.步进电动机驱动及编码器
步进电机是把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动。在自动控制装置中作为
过单片机可以发出控制脉冲，经过电机驱动器带动 液晶显示电机驱动 模块 无线遥控模块键盘模块 时钟芯片 语音模块
图1.系统结构原理图执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。
为使得步进电机运行平稳，使用的驱动电路能实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离。
图2.步进电机驱动电路
单 片 机 编码器步进电机国旗
系统采用ZSP3.806-001G500BZ1/12C光电编码器，如图2.由于其能准确的检测出步进电机的转速，并把检测到的信号反馈给单片机。然后单片机把这个转速信息与已设定并存在RAM中的标准转速相比较，从而可以控制电机平稳地运转。
3.键盘及液晶显示电路（略） 4.时钟电路
在本系统测试及数据分析中，需要记录升降旗的时间。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。
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5.语音模块
语音模块采用ISD2560，它是ISD系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为60秒，可重复录放10万次。在语音录放系统中的实际应用效果非常好，而
图3.时钟电路
且编程也比较简单，自己设计电路实现录音操作十分方便。
三、系统软件设计
本系统软件设计了特殊的功能键，通过对键盘的简单操作，便可实现升降旗、半旗状态、国旗位置的预设置以及升降旗速度的调整等功能。
采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便。
本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。软件主体流程图如图：
图4.语音模块电路
系统初始化：加电后完成系统硬件和系统变量的初始化。其中包括变量设置、标志位设定、置中断和定时器状态、设置控制口的状态、设置功能键等。
控制检测：由单片机读取所设定的数值，进行数据处理。
等待功能键输入及显示测量结果：PIC16F877A控制8279键盘显示接口芯片，由键盘输入命令，
参考文献
使用4位数码管显示测量的数据。 四、 结束语
自动控制升降旗系统采用了以上的硬软件设计后，经过样机测试，不仅能完成升降旗并伴奏国歌、预置位置、遥控等功能，而且在精度上达到了毫米级以上，功能先进，技术领先具有较好的市场推广价值。
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应用技术研究
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