自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng).doc

1、摘要隨著科技的發(fā)展，許多設(shè)備都趨向自動(dòng)化,而國(guó)旗升降也在向自動(dòng)化方向發(fā)展.為了實(shí)現(xiàn)這一功能,本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī)作為主要控制單元，以步進(jìn)電機(jī)作為升旗的動(dòng)力，獨(dú)立式鍵盤(pán)作為輸入，通過(guò) LED 顯示器顯示系統(tǒng)信息。系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)的 IO 口發(fā)出信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)控制器，進(jìn)而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn).通過(guò)滑輪傳動(dòng)裝置完成升旗和降旗動(dòng)作。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能： 按下上升按鍵后，國(guó)旗勻速上升,同時(shí)演奏國(guó)歌,在旗桿的最高端自動(dòng)停止;按下下降按鍵后，國(guó)旗下降，降旗時(shí)不放國(guó)歌，在最低端不需要人為操作能夠自動(dòng)停止,從而使操作簡(jiǎn)單化。旗幟的升降由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)的控制按鍵有上升鍵、下降鍵、復(fù)位鍵、停止鍵

2、等。 升旗時(shí)間為 43 秒，同時(shí)旗從旗桿的最下端上升到頂端.降旗不演奏國(guó)歌，同時(shí)，旗從旗桿的最上端下降到底端.可以避免誤動(dòng)作,國(guó)旗在最高端時(shí)按上升鍵不起作用；在最低端時(shí)，按下降鍵不起作用。關(guān)鍵詞：STC89C52 ，步進(jìn)電機(jī) ，LED Abstract With the development of science and technology,many equipment to be automated,and the national flag in the automatic and direction。In order to achieve this function，the syst

3、em use the STC89C52 microcontroller as the main control unit,step motor hoist a flag as a dynamic，independent type keyboard as input，displaying system information by the LED。The system make the chip microcomputer of I/O mouthessignal to the stepping motor controller，and then control motor are turnin

4、g and reverse.the pulley transmission device to complete the flag-raising and the flag of surrender. The system can realize the following functions： 個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途Press the up button, the flag rise at a constant speed， and playing the national anthem,the flag can stop at the most high; P

5、ress the button down，the national flag down, when flag down,it is not put the national anthem。 In the bottom，it can automatically stop，so that the operation is simplification.motor drivesfunction is the rise and fall of flag , this buttons is：the up button、the down button、the reset button、the stop b

6、utton, etc。 The flag raising time is 43 seconds, and at the same time,the flag rise to the top. When droping the flag it is not play the national anthem.the flag decline to the end.In order to avoid misoperation， the flag in the high doesnt work，when pressing button. and so does the flag of surrende

7、r.Key words： STC89C52,step motor，LED目 錄摘要 .IABSTRACT .II目 錄 .III1 引言 .11.1 選題背景.11。2 自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r.11。3 選題的目的和意義.22 升降旗控制的方案選擇與論證 .32.1 升降旗電機(jī)的選擇與論證.32。2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證.32.3 語(yǔ)音部分方案的選擇與論證.42.4 顯示方案比較.42。5 鍵盤(pán)的比較與選擇.52。6 總體電路框圖設(shè)計(jì).53 系統(tǒng)各主要單元設(shè)計(jì) .73。1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì).73。1。1 單片機(jī)發(fā)展概況及發(fā)展方向 .73。1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 .83。1。3

8、單片機(jī) STC89C52 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu) .83。1。4 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .103。2 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì).113。2。1 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r .123。2.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) .123。2.3 步進(jìn)電機(jī)的具體控制方法 .133.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).143。4 顯示電路設(shè)計(jì).173。4.1 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及代碼顯示 .173。4.2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路 .193.5 語(yǔ)音電路及繼電器電路設(shè)計(jì).234 升降旗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .265 安裝與調(diào)試 .32結(jié) 論 .35參考文獻(xiàn) .36致謝 .37附錄 A 電路原理圖 1 .38附錄 B 電路原理圖 2 .39附錄 C 實(shí)物圖.40附錄 D C 語(yǔ)言程序代碼 .

9、41附錄 E 材料清單.451 引言單片機(jī)從出現(xiàn)以來(lái)，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。單片機(jī)功能強(qiáng)、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性好、靈活性好、開(kāi)發(fā)較為容易。由于具有很多優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)的應(yīng)用范圍已十分廣泛，小到生活用品,像信用卡,大到航天器，機(jī)器人?？梢哉f(shuō)，在人們的生活生產(chǎn)中都離不開(kāi)單片機(jī)。1.1 選題背景在我國(guó)，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個(gè)方面。單片機(jī)的應(yīng)用具有范圍廣的特點(diǎn)，對(duì)各個(gè)行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品智能化的更新?lián)Q代起著重要的推動(dòng)作用。在實(shí)時(shí)自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,單片機(jī)往往是作為

10、一個(gè)核心部件來(lái)使用，它已成為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機(jī)種,具有廣泛地的發(fā)展前景。單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使得許多領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度得以大大提高。由于電子電源的集成化、模塊化、智能化的發(fā)展，功率集成技術(shù)己模糊了整機(jī)與器件的界限。單片電源和模塊電源已取代了整機(jī)電源在一些技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用,并且派生出新的供電體系分布供電，使單一的集中供電體系走向多元化。 自單片機(jī) 70 年代問(wèn)世以來(lái)得到蓬勃發(fā)展，目前升旗裝置正日漸完善和發(fā)展.首先自動(dòng)控制升降旗集成越來(lái)越多的功能，結(jié)構(gòu)更為合理，更美觀，更實(shí)用,具有更加廣闊的市場(chǎng)前景；其次變得更加微型化。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的出現(xiàn)，結(jié)合單片機(jī)的控制讓升降旗的控

11、制變得更加精確和方便。1。2 自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r目前像有些學(xué)校、機(jī)關(guān)單位升旗大部分還停留在人工升旗的階段，用最原始的辦法人為地來(lái)一步步完成,在升旗的過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)升降國(guó)旗與國(guó)歌演奏時(shí)間不協(xié)調(diào)，為了解決這個(gè)難題，這就需要自動(dòng)化的裝置來(lái)完成這項(xiàng)工作,它把整個(gè)升降旗的過(guò)程作為一個(gè)可控的裝置來(lái)運(yùn)行，要求自動(dòng)控制系統(tǒng)像神經(jīng)系統(tǒng)一樣,具備系統(tǒng)性、全面性、準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為自動(dòng)化控制產(chǎn)業(yè)的升級(jí)提供了技術(shù)的支持。所以研究與完善國(guó)旗升降系統(tǒng)很有必要。對(duì)于國(guó)外單片機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，使國(guó)旗升降更加平穩(wěn)和精確。自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)主要用一個(gè)電機(jī)控制旗幟自動(dòng)升降,所以系統(tǒng)的主要功能就

12、是控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，而國(guó)外步進(jìn)電機(jī)最早是由英國(guó)人所開(kāi)發(fā)的。后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易，后來(lái)發(fā)展到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)主要是采用專用芯片，結(jié)果大大縮小了驅(qū)動(dòng)器的體積，明顯提高了升旗裝置的性能?，F(xiàn)在的裝置則設(shè)計(jì)的的更為合理。1.3 選題的目的和意義隨著電子技術(shù)日益發(fā)展,自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)也在向前發(fā)展，然而傳統(tǒng)的國(guó)旗升降存在著國(guó)歌的播放與國(guó)旗上升步調(diào)不一致現(xiàn)象，易受環(huán)境因素影響等弊端。為了解決國(guó)旗升降中的眾多問(wèn)題，提高升旗的質(zhì)量和效率，可以使用自動(dòng)控制升降系統(tǒng)來(lái)完成國(guó)旗的升、降控制,使升降旗速度與國(guó)歌演奏時(shí)間準(zhǔn)確配合，從而避免了人為升降國(guó)旗與國(guó)歌演奏時(shí)間不協(xié)

13、調(diào)而出現(xiàn)的尷尬場(chǎng)面發(fā)生，保證了國(guó)旗升、降儀式的順利進(jìn)行。并且由于實(shí)際的需要,對(duì)它的精度和功能要求也越來(lái)越高，這樣不僅可以規(guī)范升旗過(guò)程,使升旗更加方便更加實(shí)用,而且可以通過(guò)不同的設(shè)置滿足不同的需求。另外減少了人力資源的使用,大大減少資金的投入.系統(tǒng)最主要的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，目前應(yīng)用最多的是步進(jìn)電機(jī).由于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制精度高,控制形式較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制等特點(diǎn)使得步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛,成為目前不可缺少的電機(jī)組件.通過(guò)單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。在技術(shù)的不斷進(jìn)步下，越來(lái)越多的保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及安全可靠性的提高和對(duì)室外環(huán)境的適應(yīng)范圍擴(kuò)大，使現(xiàn)代升降系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)從自

14、動(dòng)化變得更加智能化和柔韌靈活性.讓單片機(jī)用于升降系統(tǒng)中，使控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，從而可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化控制,提高升降系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。2 升降旗控制的方案選擇與論證根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,系統(tǒng)有單片機(jī)電路、電機(jī)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、語(yǔ)音電路及繼電器電路組成，有它們相互配合共同完成自動(dòng)控制升降旗功能.2.1 升降旗電機(jī)的選擇與論證方案一:采用普通的直流電機(jī)。普通直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的啟動(dòng)特性和調(diào)速性能,調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，熱動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。這也是交流電機(jī)無(wú)法取代的直流電動(dòng)機(jī)的原因。直流電機(jī)只要

15、加上合適的電壓就會(huì)轉(zhuǎn)，因此在某些大型設(shè)備，比如軋鋼機(jī)上都采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng).但它也存在著一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題, 就是換向困難,還會(huì)產(chǎn)生火花、壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要經(jīng)常維護(hù)、價(jià)格也貴，并且維護(hù)檢修不方便，轉(zhuǎn)的圈數(shù)難以精確控制.方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，控制容易,成本低.步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)顯著特點(diǎn)是它具有快速的啟停能力,如果所帶負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值情況下，能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。另一個(gè)特點(diǎn)就是它的控制精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活.因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)屬于脈沖電動(dòng)機(jī)，是靠脈沖信號(hào)變換工作，相比較而言步進(jìn)電機(jī)節(jié)能，更適合精密儀器或小型產(chǎn)品，在本系統(tǒng)中需要精確的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換時(shí)間且啟停要迅速，所以在本設(shè)計(jì)中

16、我們選擇方案二。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、易損環(huán)、壽命短、可靠性不是很高。方案二：利用高耐壓、大電流的達(dá)林頓管組成的 ULN2003 芯片。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之輸出合適的脈沖信號(hào)，可精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止等動(dòng)作） 。這種電路工作效率高，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度可以由機(jī)械設(shè)計(jì)與單片機(jī)的程序來(lái)保證。由于該芯片在 5V 的工作電壓下與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以保證負(fù)載電流的供給，同時(shí)也減少其它驅(qū)動(dòng)芯片被燒毀的事故

17、。另外步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)精度達(dá)到 0。01 度，而且在一周時(shí)間內(nèi)誤差不會(huì)發(fā)生累積的優(yōu)點(diǎn)。使它驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)，精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度和脈沖頻率完全沒(méi)有問(wèn)題。利用該芯片是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的一種簡(jiǎn)單方法，該方法設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件編程方便的特點(diǎn)。所以綜上所述我們采用方案二。2.3 語(yǔ)音部分方案的選擇與論證方案一:采用語(yǔ)音芯片 ISD1420。該芯片采用 CMOS 技術(shù),內(nèi)含震蕩器、話筒前置放大、自動(dòng)增益控制、平滑濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及 EEPROM,一個(gè)最小的錄放系統(tǒng)僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按扭、電源及少數(shù)電阻電容即可，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且它的音質(zhì)好、功耗低,但其錄放音時(shí)間太短，只有 8

18、到 20 秒，達(dá)不到要求。方案二:采用 YF1600 系列錄音 IC 模塊，它是單片機(jī)中最簡(jiǎn)單的錄音芯片，可以替代其它錄音模塊.YF1600 系列錄音 IC 是根據(jù)錄音產(chǎn)品市場(chǎng)而成功開(kāi)發(fā)的錄音 IC 系列產(chǎn)品，采用主控 IC 和外掛 FLASH 的方式實(shí)現(xiàn) 10 秒780 秒可擦寫(xiě)單段錄音和掉電存儲(chǔ)功能。由于錄音采樣頻率高，音質(zhì)好，音量大,負(fù)載能夠直推動(dòng)外接揚(yáng)聲器，并且不需要太多的外圍元件，成本低、便于生產(chǎn)、應(yīng)用靈活.主要功能特點(diǎn)表現(xiàn)在同一顆主控 IC 中實(shí)現(xiàn)錄音鍵和播放鍵的不同組合應(yīng)用。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中,國(guó)歌的演奏時(shí)間需要 43 秒,綜合各方面考慮，所以選用方案二。2。4 顯示方案比較方案一：

19、靜態(tài)顯示 顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再作用，直到下一次需要更新數(shù)據(jù)時(shí)再傳送新數(shù)據(jù)，靜態(tài)顯示方法比較簡(jiǎn)單，只將顯示段碼送至段碼口,并把位控字送至位控口即可.靜態(tài)顯示雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用卻受到限制。因?yàn)樵谕粫r(shí)刻只顯示一種字符的場(chǎng)合是不多的，大多數(shù)情況下，需要顯示的是不同字符，這就要采用動(dòng)態(tài)顯示方法。靜態(tài)顯示編程容易、管理簡(jiǎn)單、顯示亮度高、顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定、占用很少的 CPU 時(shí)間，但是引線較多,線路復(fù)雜，有時(shí)占用太多的 IO 口，硬件成本較高。方案二：動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)顯示需要 CPU 時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會(huì)有閃爍感，占用的 CPU 時(shí)間多，但使用的硬

20、件少，能節(jié)省線路板空間.這兩種顯示方式各有利弊，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定,占用很少的 CPU 時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路,使用的硬件較多。動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的 CPU 時(shí)間多，但使用的硬件少,能節(jié)省線路板空間。綜上所述,由于不需要顯示復(fù)雜的數(shù)據(jù),本設(shè)計(jì)采用方案一.2.5 鍵盤(pán)的比較與選擇在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù),系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵或鍵盤(pán)，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。通常的按鍵開(kāi)關(guān)為彈性機(jī)械開(kāi)關(guān)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)并不會(huì)馬上穩(wěn)定地閉合，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)馬上斷開(kāi),因而機(jī)械開(kāi)關(guān)在閉合及斷開(kāi)瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)。抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短

21、由按鍵開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性及按鍵的人為因素決定，一般為5ms20ms 時(shí)間，按鍵式的抖動(dòng)如圖 2.1 所示。按鍵抖動(dòng)如果處理不當(dāng)會(huì)引起一次按鍵被誤處理多次，為了確保 CPU 對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，則必須消除按鍵抖動(dòng).在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)取鍵狀態(tài)，一般是判斷到鍵釋放穩(wěn)定后在作處理.消除鍵抖動(dòng)可用硬件和軟件兩種方法。消除鍵抖動(dòng)通常當(dāng)鍵數(shù)較少時(shí)用硬件方法，鍵數(shù)較多時(shí)用軟件方法.此處采用軟件方法。消除鍵抖動(dòng)的軟件方法是當(dāng)檢測(cè)出鍵閉合后執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，產(chǎn)生 5ms20ms的延時(shí),待前沿抖動(dòng)消失后再次檢測(cè)鍵的狀態(tài),如果鍵仍保持閉合狀態(tài)則可確認(rèn)為有按鍵按下.當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放并執(zhí)行延時(shí)程序，待后沿抖動(dòng)消失后才轉(zhuǎn)入

22、該按鍵的處理程序.按鍵通常是一種常開(kāi)型按鍵開(kāi)關(guān)，平時(shí)鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開(kāi)或開(kāi)路狀態(tài)，按下鍵時(shí)它們才閉合或短路。而鍵盤(pán)是一組按鍵的集合，從鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，獨(dú)立式鍵盤(pán)的每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一個(gè) I/O 接線口,每個(gè) I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤(pán)采用端口直接掃描方式。缺點(diǎn)為按鍵多時(shí)將占用的 I/O 口數(shù)目較多，優(yōu)點(diǎn)為電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且編程相對(duì)方便.因電路需要的鍵盤(pán)較少，采用獨(dú)立式鍵盤(pán)。圖 2。1 按鍵時(shí)的抖動(dòng)2。6 總體電路框圖設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為核心，由 6MHZ 的晶振提供時(shí)鐘輸入，同時(shí)與晶振相連的獨(dú)石電容采用 30pF 的電容,復(fù)位電路采用手動(dòng)按鈕復(fù)位以讓

23、單片機(jī)恢復(fù)到初始設(shè)定狀態(tài)。復(fù)位的電解電容容量為 1uF.當(dāng)需要復(fù)位時(shí)可采用此方法實(shí)現(xiàn)。通電時(shí)振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)輸入單片機(jī),此時(shí)單片機(jī)開(kāi)始掃描程序。當(dāng)鍵盤(pán)有輸入時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始按照設(shè)定的程序執(zhí)行輸出操作。當(dāng)上升鍵按下時(shí)，單片機(jī)同時(shí)給繼電器和步進(jìn)電機(jī)發(fā)出指令,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旗幟上升。繼電器 1 常開(kāi)觸頭閉合,接通語(yǔ)音電路播放國(guó)歌，延時(shí)一定時(shí)間后繼電器 2 的常閉觸頭分離，斷開(kāi)上升按鍵與單片機(jī)之間的連接,此時(shí)上升鍵失去作用，直到 43 秒結(jié)束時(shí)繼電器 1 失電，國(guó)歌停止,按下上升鍵旗幟也不再上升；當(dāng)按下下降按鍵時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)旗幟下降,同時(shí)繼電器 1 不動(dòng)作，語(yǔ)音電路不工作，降旗時(shí)國(guó)歌將不再播

24、放。繼電器 2 經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后恢復(fù)原始狀態(tài)，接通上升鍵與單片機(jī)之間的連接，斷開(kāi)下降按鍵與單片機(jī)的連接，直到降旗完成時(shí)按下降按鍵電機(jī)也不再轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)的電路框圖如圖 2。2 所示。 圖2.2 總體電路框圖單片機(jī)復(fù)位電路振蕩電路鍵盤(pán)輸入語(yǔ)音電路繼電器電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)國(guó)旗升降LED 顯示3 系統(tǒng)各主要單元設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)國(guó)旗的升降等功能，為此設(shè)計(jì)將采用單片機(jī)電路作為控制器，用它來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)電路實(shí)現(xiàn)國(guó)旗的升和降,和語(yǔ)音電路、繼電器電路相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)升旗時(shí)國(guó)歌的播放。同時(shí)鍵盤(pán)電路和顯示電路相連接來(lái)完成升旗時(shí)間信息的顯示。為了讓升旗和降旗的過(guò)程更加逼真,設(shè)計(jì)將采用 8 位綠色 LED 發(fā)光二級(jí)管排成一排來(lái)指

25、示升旗和降旗的狀態(tài),升旗時(shí) 8 位發(fā)光二級(jí)管從下向上依次輪流點(diǎn)亮,表示電機(jī)正在正轉(zhuǎn)，旗幟正在上升；相反，降旗時(shí) 8 位發(fā)光二極管從上到下依次點(diǎn)亮，表示電機(jī)正在反轉(zhuǎn)，旗幟正在下降。當(dāng)燈不再依次點(diǎn)亮?xí)r，表示系統(tǒng)停止工作。3。1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī),給人類生活帶來(lái)了根本性的改變。單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī).它是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件像中央處理器 CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O 接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控

26、制要求設(shè)計(jì)的，故又叫單片微控制器。3.1。1 單片機(jī)發(fā)展概況及發(fā)展方向單片機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究得到了質(zhì)的飛躍,可以毫不夸張地說(shuō)，它給現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。目前，單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比,在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動(dòng)化、日常生活用品等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用,并已走入普通家庭,從洗衣機(jī)、微波爐到音響、汽車，到處都可見(jiàn)到單片機(jī)的蹤影。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。如單片機(jī)家族中的主流產(chǎn)品 MCS51 系列，還有最近推出的 PIC 和凌陽(yáng)系列都是比較優(yōu)秀的單片機(jī)芯片，是構(gòu)建我們不同的設(shè)計(jì)

27、系統(tǒng)的最佳選擇。早期單片機(jī)大多結(jié)構(gòu)體系,指令復(fù)雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一、指令運(yùn)行很難實(shí)現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運(yùn)行速度的提高。例如 MCS51 系列單片機(jī)，時(shí)鐘頻率 12MHz 時(shí)，單周期指令運(yùn)行速度僅 1 秒。雖然單片機(jī)對(duì)運(yùn)行速度要求遠(yuǎn)不如通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)字信號(hào)處理對(duì)指令運(yùn)行速度的要求,但速度的提高會(huì)帶來(lái)許多好處，并拓寬單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域.一方面可獲得很高的指令運(yùn)行速度，另方面,在相同的運(yùn)行速度下，可大大降低時(shí)鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。專用單片機(jī)是專門(mén)針對(duì)某一類產(chǎn)品系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的。使用專用單片機(jī)可最大限度地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使資源利用效率最高。在大批量使用時(shí)有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性

28、效益。專用單片機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體集成工藝和微電子設(shè)計(jì)技術(shù)。采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)單元的快速設(shè)計(jì)及快速半導(dǎo)體集成工藝,將加速專用單片機(jī)的發(fā)展。3.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 單片機(jī)以其卓越的性能,得到了廣泛的應(yīng)用，已深入到各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)應(yīng)用在檢測(cè)、控制領(lǐng)域中，具有如下特點(diǎn)：1）小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。它能方便地組裝成各種智能式測(cè)、控設(shè)備及各種智能儀器儀表。2）可靠性好,適應(yīng)溫度范圍寬。單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這是其它機(jī)種無(wú)法比擬的。3）易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)。單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng),指令系統(tǒng)有各種控制功能用指令。4）可以很方便

29、地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制. 單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，在下述的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用：1） 工業(yè)方面 各種測(cè)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人,智能化儀器，機(jī)、電一體化產(chǎn)品。2） 智能儀器儀表方面 單片機(jī)應(yīng)用在智能儀器、儀表方面，不僅使傳統(tǒng)的儀器儀表發(fā)生根本的變革，也給傳統(tǒng)的儀器、儀表行業(yè)改造帶來(lái)了曙光。3) 通訊方面 調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)。4) 民用方面 電子玩具、錄像機(jī)、激光唱機(jī)。5） 導(dǎo)彈與控制方面 導(dǎo)彈控制、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。6) 各種計(jì)算機(jī)外部設(shè)備及電器方面 打印機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、彩色與黑白復(fù)印機(jī)，磁帶機(jī)等.由上所述，單片機(jī)從家用電器、智能儀器儀表、工業(yè)控制直到尖端技術(shù)領(lǐng)

30、域，單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用。3.1。3 單片機(jī) STC89C52 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī),它是一種低電壓、低功耗、高性能微控制器，具有 8K 字節(jié)可編程可擦出只讀存儲(chǔ)器.使得 STC89C52 為眾多控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。它與 MCS51 指令系統(tǒng)兼容.STC89C52 是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī),但它只有 40 個(gè)引腳，其中 P1 是一個(gè)完整的 8 位雙向 I/O 口，此外，從 STC89C52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，引腳 RST、XTAL1、XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機(jī)相應(yīng)引腳

31、一致.如圖 3。1 所示.引腳功能說(shuō)明如下： VCC：供電電源。 GND:電路地. P0 口（P0。0P0.7）:為雙向 8 位 IO 端口。當(dāng)作為 IO 口使用時(shí)，可直接連接外部 IO 口設(shè)備，由于內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，故要接上拉電阻。它是地址總線低 8 位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載.一般作為擴(kuò)展時(shí)的地址數(shù)據(jù)總線口使用。當(dāng) P0 口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用時(shí)不用接上拉電阻。 P1 口（P1.0P1。7）：為 8 位準(zhǔn)雙向 IO 口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置 1),可以驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載. P2 口（P2.0P2.7）:為 8

32、 位準(zhǔn)雙向 IO 口，當(dāng)作為 IO 口使用時(shí)，可直接連接外部 IO 設(shè)備，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8 位復(fù)用口。 P3 口(P3。03.7）：為 8 位準(zhǔn)雙向 IO 口，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載,是雙功能復(fù)用口，它的另一功能如表 3.1 所示。 RST：復(fù)位輸入。RST 一旦變成高電平，所有的 I/O 引腳就復(fù)位到“1” 。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí),持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位.每一個(gè)機(jī)器周期需 12 個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為0.5V 的低電平，以保證單片機(jī)的正常工作。 XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)

33、生器的輸入。 XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。表 3.1 P3 口的另一功能 P3 口引腳功能P3。0RXD(串行輸入端口）P3。1TXD（串行輸出端口)P3。2INT0(外中斷 0）P3。3INT1(外中斷 1）P3。4TO(定時(shí)器 0 外部輸入）P3.5T1(定時(shí)器 1 外部輸入）14023933843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P

34、2.0 P1.0 P1.1 P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD) P3.0(TXD) P3.1(INT0) P3.2(INT1) P3.3(T0) P3.4(T1) P3.5(WR) P3.6(RD)P3.7XTAL1XTAL2GND圖 3.1 STC89C52 引腳結(jié)構(gòu)圖此外，從 STC89C52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與 8051 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，引腳 RST、XTAL1、XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致。3.1。4 復(fù)位電路設(shè)計(jì)在上電或復(fù)位過(guò)程中控制 CPU 的復(fù)位狀態(tài)，這段時(shí)間內(nèi)讓 CPU 保持復(fù)位狀態(tài),

35、而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止 CPU 發(fā)出錯(cuò)誤的指令，執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無(wú)論使用哪種類型的單片機(jī),總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì).而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性.許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作.51 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的觸發(fā)器中的.當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2

36、 個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)振蕩周期)以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。 C31uF10kVCCRESETVCCRSTGNDVCCSTC89C521uF10k 圖 3。2 手動(dòng)按鈕復(fù)位電路 圖 3。3 上電復(fù)位電路 上電復(fù)位：STC89C52 的上電復(fù)位電路如圖 3.3 所示，RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，在RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個(gè)電阻到地即可。只要高電平的復(fù)位信號(hào)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的有效時(shí)間，就可以使單片機(jī)上電復(fù)位.上電復(fù)位的工作過(guò)程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，RST 端

37、電位與 Vcc 相同,此高電平信號(hào)隨著 Vcc 對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落，即RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位,RST 端的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。上電時(shí)，Vcc 的上升時(shí)間約為10ms，在圖 2 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)使 RST 端電壓迅速下降到 0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài).如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不到一個(gè)合適的初值,因此，CPU 可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開(kāi)始執(zhí)行程序。 手

38、動(dòng)按鈕復(fù)位：手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平（如圖 3。2 所示）。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的+5V 電平就會(huì)直接加到 RST 端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒,所以,完全能夠滿足復(fù)位的要求。3.2 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，在非超載的情況下，電機(jī)的

39、轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%而且無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單.雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)在常規(guī)下使用。3。2.1 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r步進(jìn)電機(jī)最早是在 1920 年由英國(guó)人開(kāi)發(fā)出來(lái),1950 年以后因晶體管的發(fā)明逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上后，使得對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易，之后經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，步進(jìn)電機(jī)逐漸應(yīng)用在需要高精度定位，高響應(yīng)性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自

40、動(dòng)化、省力、效率高的機(jī)械中,我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的身影，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用的最多。由于步進(jìn)電機(jī)必須由脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。3.2。2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，即步進(jìn)角。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)有以下特點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降.當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),

41、電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大.在它的作用下，電機(jī)相電流隨頻率或速度增大而減小,從而導(dǎo)致力矩下降。 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)叫空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn).在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng),脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。 步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩是指通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩.它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一

42、,通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度(稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。3.2。3 步進(jìn)電機(jī)的具體控制方法只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)

43、電機(jī)工作原理如圖 3.4 所示.圖 3。4 四相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖中間部分是轉(zhuǎn)子，由一個(gè)永磁體組成,邊上的是定子繞組.當(dāng)定子的一個(gè)繞組通電時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)方向的電磁場(chǎng)，如果這個(gè)磁場(chǎng)的方向和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向不在同一條直線上，那么定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)將產(chǎn)生一個(gè)扭力將定子扭轉(zhuǎn)。依次改變繞組的磁場(chǎng)，就可以使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)(比如通電次序?yàn)?AB-CD 正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)） 。而改變磁場(chǎng)切換的時(shí)間間隔,就可以控制步進(jìn)電機(jī)的速度了，這就是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小.八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以

44、保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作電源通電時(shí)序與波形分別如圖 3。5 所示。 單四拍 雙四拍 八拍圖 3。5 步進(jìn)電機(jī)工作方式此處采用步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48 型四相八拍電機(jī)，電壓為 DC 5V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（一個(gè)步距角）.當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距.四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見(jiàn)的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ABCD-A)，雙（雙相繞組通電)四拍（AB-BCCDDAAB)，八拍（A

45、-AB-BBC-CCD-D-DA-A） 。28BYJ48 型電機(jī)是 4 相 5 線的步進(jìn)電機(jī)，而且是減速步進(jìn)電機(jī)，減速比為1：64,步進(jìn)角為 5。625/64 度。如果需要轉(zhuǎn)動(dòng) 1 圈,也就是旗桿滑輪的周長(zhǎng),則需要 360/5。62564=4096 個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)旗桿的高度和滑輪周長(zhǎng)之間比例關(guān)系即可算出升旗所需要的全部脈沖。升旗的時(shí)間是 43 秒，用 43 除以脈沖個(gè)數(shù)即可算出控制速度.3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)，一般都是使用ULN2003 達(dá)林頓大電流陣列驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然，使用下拉電阻或三極管也是可以驅(qū)動(dòng)的，只不過(guò)效果不是那么好,產(chǎn)生的扭力比較小.

46、ULN2003 芯片是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列,由七個(gè)硅 NPN 復(fù)合晶體管組成。它的每一對(duì)達(dá)林頓管都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，另外由于輸入 5V TTL 電平,它的工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓輸出，還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。正是它具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 像單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。也可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 ULN2003 采用 DIP16 封裝.ULN2003

47、芯片接線如圖 3。6 所示。GND87651162341514131211109ULN2003IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7COMGND引腳 1： CPU 脈沖輸入端。 引腳 2: CPU 脈沖輸入端。引腳 3: CPU 脈沖輸入端。 引腳 4： CPU 脈沖輸入端. 引腳 5： CPU 脈沖輸入端。 引腳 6： CPU 脈沖輸入端。 引腳 7： CPU 脈沖輸入端。 引腳 8: 接地端。 引腳 9： 接電源端。引腳 10：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 7 腳信號(hào)輸入端。 引腳 11:脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 6 腳信號(hào)輸入端。 引腳 1

48、2：脈沖信號(hào)輸出端,對(duì)應(yīng) 5 腳信號(hào)輸入端. 引腳 13：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 4 腳信號(hào)輸入端。 引腳 14：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 3 腳信號(hào)輸入端。 引腳 15：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 2 腳信號(hào)輸入端. 引腳 16：脈沖信號(hào)輸出端,對(duì)應(yīng) 1 腳信號(hào)輸入端。該驅(qū)動(dòng)器電路簡(jiǎn)單可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，相當(dāng)于一個(gè)放大器的作用，對(duì)于 I/O 口線與單片機(jī)資源緊張的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特別適用.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 3.7 所示。圖 3.6 ULN2003 芯片接線圖1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10COM9ULN200312345VCCGNDP1.08P1

49、.1P1.2P1.3M4M3M2M1圖 3.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 紅線接電源 5V 電源，橙色電線接 P1。3 口，黃色電線接 P1.2 口,粉色電線接 P1.1 口,藍(lán)色接 P1。0 口。由于單片機(jī)接口信號(hào)不夠大，需要通過(guò) ULN2003 芯片放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，驅(qū)動(dòng)芯片提供給步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的相序如表 3.2所示。 從表 3-2 中可以定義電機(jī)的旋轉(zhuǎn)相序如下：uchar code CCW8=0 x08,0 x0c，0 x04，0 x06，0 x02，0 x03,0 x01,0 x09； /逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)相序表。uchar code CW8=0 x09，0 x01，0 x03,0 x02，0

50、 x06,0 x04,0 x0c,0 x08; /正時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)相序表。表 3.2 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相序橙 A P1.3黃 B P1.2粉 C P1.1藍(lán) D P1。0十六制（P1 口）10000 x0811000 x0c01000 x0401100 x0600100 x0200110 x0300010 x0110010 x093。4 顯示電路設(shè)計(jì)設(shè)備上常用的顯示器主要有 LED 數(shù)碼管顯示器和 LCD 液晶顯示器,近年來(lái)也有配置其他高端顯示器的.前者價(jià)廉,配置靈活，與單片機(jī)接口方便;后者可進(jìn)行圖形顯示，但接口較復(fù)雜，成本也較高。對(duì)于 LED 數(shù)碼管顯示器具有很多如下顯著特點(diǎn): 微功耗: 工作電壓低，

51、工作電流只有十幾個(gè)微安。 體積?。?安裝時(shí)占用面積小，減小了設(shè)備的體積 . 壽命長(zhǎng)： LED 器件連續(xù)點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)，不容易燒毀。綜合性價(jià)比考慮,由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。LED 有共陰極和共陽(yáng)極兩種，如圖 3。8 所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地,而共陽(yáng)極則將發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，接入+5V 的電壓。一位顯示器由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成,其中 7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個(gè)筆劃（段)ag，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為 dp 發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮;不加電壓則暗。為了保護(hù)各段 LED 不被損壞，需外加限流

52、電阻。3.4。1 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及代碼顯示眾所周知,LED 顯示數(shù)碼管通常由硬件 7 段譯碼集成電路，完成從數(shù)字到顯示碼的譯碼驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)采用軟件譯碼，以減小體積，降低成本和功耗,軟件譯碼的另一優(yōu)勢(shì)還在于比硬件譯碼有更大的靈活性。所謂軟件譯碼，即由單片機(jī)軟件完成從數(shù)字到顯示碼的轉(zhuǎn)換。從 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理可知，為了顯示字符，要為L(zhǎng)ED 顯示數(shù)碼管提供顯示段碼，組成一個(gè)“8”字形字符的 7 段,再加上 1 個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì) 8 段,因此提供給 LED 數(shù)碼管的顯示段碼為 1 個(gè)字節(jié)。各段碼位與顯示段的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 3.8 所示。圖 3。8 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖需說(shuō)明的是當(dāng)用數(shù)據(jù)口連接 LED

53、 數(shù)碼管 adp 引腳時(shí)，不同的連接方法，各段碼位與顯示段有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常數(shù)據(jù)口的 D0 位與 a 段連接，D1 位與 b段連接，D7 位與 dp 段連接。數(shù)碼管的各段碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 3.3 所示.表 3.3 各段碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系段碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcba 對(duì)于 LED 發(fā)光二極管，它是一種由某些特殊的半導(dǎo)體材料制作成的 PN 結(jié).其發(fā)光強(qiáng)度與其正向壓降 VF 和電流 IF 的乘積有關(guān)，其乘積越大，則發(fā)光強(qiáng)度越大。工作電流一般在 5mA20mA。從系統(tǒng)整體考慮,選用的是 3.6 寸七段 LED 數(shù)碼管。LED 數(shù)碼管由 8 只發(fā)光二極管 VD1 至

54、VD8 連接并按 8 字形結(jié)構(gòu)排列而成.這樣，我們將這些二極管連接合適的電壓時(shí)，相應(yīng)的二極管就會(huì)導(dǎo)通而發(fā)光,從而使數(shù)碼管呈現(xiàn)不同的字符。此時(shí)要想使數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字,這就需要用到 4 線七段譯碼器，從而實(shí)現(xiàn) 7 段數(shù)碼顯示功能。對(duì)于 BCD 七段譯碼器真值表如表3。4 所示。表 3。4 BCD 七段譯碼器真值表輸入D C B A輸出Fa Fb Fc Fd Fe Ff Fg字形0 0 0 01 1 1 1 1 1 00 0 0 10 1 1 0 0 0 00 0 1 01 1 0 1 1 0 10 0 1 11 1 1 1 0 0 00 1 0 00 1 1 0 0 1 10 1 0 11 0

55、 1 1 0 1 10 1 1 01 0 1 1 1 1 10 1 1 11 1 1 0 0 0 01 0 0 01 1 1 1 1 1 11 0 0 11 1 1 1 0 1 13.4。2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路為了使 LED 數(shù)碼管點(diǎn)亮，還需要數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路。由于升旗的時(shí)間是 43 秒，所以顯示的內(nèi)容為：升旗開(kāi)始時(shí)數(shù)碼管從 43S 開(kāi)始倒計(jì)時(shí),直到升旗完成時(shí)數(shù)碼管顯示的內(nèi)容變?yōu)?0，以反映升旗的過(guò)程.為了達(dá)到這一要求，硬件電路將采用74LS192 芯片電路,用它來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。先利用一塊 NE555 芯片搭建多諧振蕩器，使其輸出信號(hào)的頻率為 1HZ，這正好可以作為 74LS192 芯片的時(shí)鐘輸入信

56、號(hào),則此時(shí)的二十四數(shù)制的計(jì)數(shù)器就變成了 43S 計(jì)時(shí)器了。顯示模塊采用 74LS48 芯片，主要功能是將二進(jìn)制編碼編譯為可以在 7 段數(shù)碼管上顯示數(shù)字的編碼.顯示電路工作過(guò)程如圖 3。9 所示.圖 3。9 顯示電路的工作過(guò)程當(dāng)通電時(shí)計(jì)數(shù)脈沖負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)頻率為 1HZ 的脈沖信號(hào),此信號(hào)作為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖，因此,計(jì)數(shù)器就成了最小單位為 1 秒的計(jì)時(shí)器了；計(jì)數(shù)器采用置數(shù)法連接，每當(dāng)循環(huán)一周即 43S 之后置數(shù)端有效，從而實(shí)現(xiàn) 43S 的計(jì)時(shí)顯示；顯示部分包括對(duì)二進(jìn)制數(shù)的從新編碼和顯示，74LS48 芯片用來(lái)對(duì)二進(jìn)制數(shù)重新編碼,而此時(shí)可以用七段數(shù)碼管作為顯示.綜合起來(lái)完成 43S 的升旗顯示功能。計(jì)

57、數(shù)模塊計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器沖顯示器沖的設(shè)計(jì)如圖 3。10 所示.圖 3。10 計(jì)數(shù)模塊電路74LS192 芯片為可預(yù)置的十進(jìn)制減計(jì)數(shù)器，此處使用它的計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能.首先預(yù)置數(shù)，令置數(shù)狀態(tài)時(shí)輸出值為 43,也就是 D3、D2、D1、D0 端的值為 0100.當(dāng) PL 置數(shù)端為 0 時(shí),計(jì)數(shù)器輸出為 43。計(jì)數(shù)時(shí) PL 的值為 1.將 U1 的 DN端(計(jì)數(shù)脈沖輸入端）與 U2 的 TCD 端（借位輸出端)相連,此時(shí) U1 輸出為十位，U2 輸出為個(gè)位。兩個(gè)芯片相互配合完成升旗時(shí)的 43 秒倒計(jì)時(shí)。其中 MR 為清零端，計(jì)數(shù)時(shí)應(yīng)保持為 0 狀態(tài)。由 NE555 芯片產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖由 U2 的 D

58、N 端輸入。由于此時(shí) NE555 芯片的計(jì)數(shù)脈沖設(shè)置為 1S 產(chǎn)生一個(gè)脈沖,當(dāng) 74LS192 芯片收到一個(gè)脈沖時(shí)，將產(chǎn)生 1S 的倒計(jì)時(shí),輸出的結(jié)果將由后級(jí)電路處理,最終由數(shù)碼管顯示出來(lái)。 R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U3NE555R220kR162KC210uF1HZ脈沖輸出端VCCC1O.O1uF圖 3.11 1HZ 脈沖產(chǎn)生電路NE555 芯片是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器。1 腳為接地端；2 腳為低電平觸發(fā)端，由此輸入低電平觸發(fā)脈沖;6 腳為高電平觸發(fā)端,由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；4 腳為復(fù)位端，輸入負(fù)脈沖（或使其電壓低于 0。7V）可使 555 定時(shí)器直接

59、復(fù)位；5 腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以改變 555 定時(shí)器內(nèi)部比較器的參考電壓，不用時(shí)經(jīng) 0.01uF 的電容接地，以防止引入干擾;7 腳為放電端；3 腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓 1V3V，輸出電流可達(dá) 200mA,因此可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8 腳為電源端，可在 5V18V 范圍內(nèi)使用.由 NE555 芯片組成的電路很多,此處只用它產(chǎn)生 1HZ 的脈沖。其中輸出脈沖由 NE555 芯片對(duì)外部電容 C2 的充放電產(chǎn)生，C1 為耦合電容,作為濾波電容之用，輸出脈沖的頻率有 R1 和 R2 以及 C2 控制，其周期為 T=0.7(R1+R2)C2+0。7R2*C2

60、。產(chǎn)生 1HZ 脈沖電路如圖 3.11 所示.A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U874LS48VCC圖 3.12 數(shù)碼管接線圖此模塊主要利用了 74LS48 芯片對(duì)二進(jìn)制數(shù)的重新編碼的功能。它是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器。廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。此處用來(lái)完成時(shí)間的顯示.例如,當(dāng)輸入端 DBCA 為 0101 時(shí)，輸出端 QAQG分別為 1011011,此時(shí)在七段數(shù)碼管上顯示為“5” 。35 腳為控制端，接高電平即可.數(shù)碼管接線如圖 3.12 所示。A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI