自动控制升降旗系统.doc

1、摘要随着科技的发展，许多设备都趋向自动化,而国旗升降也在向自动化方向发展.为了实现这一功能,本系统采用 STC89C52 单片机作为主要控制单元，以步进电机作为升旗的动力，独立式键盘作为输入，通过 LED 显示器显示系统信息。系统通过单片机的 IO 口发出信号到步进电机控制器，进而控制电机的正转和反转.通过滑轮传动装置完成升旗和降旗动作。该系统可实现以下功能： 按下上升按键后，国旗匀速上升,同时演奏国歌,在旗杆的最高端自动停止;按下下降按键后，国旗下降，降旗时不放国歌，在最低端不需要人为操作能够自动停止,从而使操作简单化。旗帜的升降由电动机驱动，该系统的控制按键有上升键、下降键、复位键、停止键

2、等。 升旗时间为 43 秒，同时旗从旗杆的最下端上升到顶端.降旗不演奏国歌，同时，旗从旗杆的最上端下降到底端.可以避免误动作,国旗在最高端时按上升键不起作用；在最低端时，按下降键不起作用。关键词：STC89C52 ，步进电机 ，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： 个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途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 录摘要 .IABSTRACT .II目 录 .III1 引言 .11.1 选题背景.11。2 自动控制升降旗系统国内外发展状况.11。3 选题的目的和意义.22 升降旗控制的方案选择与论证 .32.1 升降旗电机的选择与论证.32。2 电机驱动方案的选择与论证.32.3 语音部分方案的选择与论证.42.4 显示方案比较.42。5 键盘的比较与选择.52。6 总体电路框图设计.53 系统各主要单元设计 .73。1 单片机电路设计.73。1。1 单片机发展概况及发展方向 .73。1.2 单片机的特点及应用 .83。1。3

8、单片机 STC89C52 特点及结构 .83。1。4 复位电路设计 .103。2 步进电机电路设计.113。2。1 步进电机的发展状况 .123。2.2 步进电机的特点 .123。2.3 步进电机的具体控制方法 .133.3 步进电机驱动电路设计.143。4 显示电路设计.173。4.1 数码管结构及代码显示 .173。4.2 数码管驱动电路 .193.5 语音电路及继电器电路设计.234 升降旗系统软件设计 .265 安装与调试 .32结 论 .35参考文献 .36致谢 .37附录 A 电路原理图 1 .38附录 B 电路原理图 2 .39附录 C 实物图.40附录 D C 语言程序代码 .

9、41附录 E 材料清单.451 引言单片机从出现以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。单片机功能强、体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性好、灵活性好、开发较为容易。由于具有很多优点，单片机的应用范围已十分广泛，小到生活用品,像信用卡,大到航天器，机器人。可以说，在人们的生活生产中都离不开单片机。1.1 选题背景在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。单片机的应用具有范围广的特点，对各个行业的技术改造和产品智能化的更新换代起着重要的推动作用。在实时自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为

10、一个核心部件来使用，它已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种,具有广泛地的发展前景。单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度得以大大提高。由于电子电源的集成化、模块化、智能化的发展，功率集成技术己模糊了整机与器件的界限。单片电源和模块电源已取代了整机电源在一些技术中获得广泛应用,并且派生出新的供电体系分布供电，使单一的集中供电体系走向多元化。 自单片机 70 年代问世以来得到蓬勃发展，目前升旗装置正日渐完善和发展.首先自动控制升降旗集成越来越多的功能，结构更为合理，更美观，更实用,具有更加广阔的市场前景；其次变得更加微型化。同时步进电机的出现，结合单片机的控制让升降旗的控

11、制变得更加精确和方便。1。2 自动控制升降旗系统国内外发展状况目前像有些学校、机关单位升旗大部分还停留在人工升旗的阶段，用最原始的办法人为地来一步步完成,在升旗的过程中不可避免的会出现升降国旗与国歌演奏时间不协调，为了解决这个难题，这就需要自动化的装置来完成这项工作,它把整个升降旗的过程作为一个可控的装置来运行，要求自动控制系统像神经系统一样,具备系统性、全面性、准确性。国内相关技术的发展为自动化控制产业的升级提供了技术的支持。所以研究与完善国旗升降系统很有必要。对于国外单片机自动化控制技术的发展，使国旗升降更加平稳和精确。自动控制升降旗系统主要用一个电机控制旗帜自动升降,所以系统的主要功能就

12、是控制电机的运转，而国外步进电机最早是由英国人所开发的。后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易，后来发展到对步进电机的控制和驱动主要是采用专用芯片，结果大大缩小了驱动器的体积，明显提高了升旗装置的性能。现在的装置则设计的的更为合理。1.3 选题的目的和意义随着电子技术日益发展,自动控制升降旗系统也在向前发展，然而传统的国旗升降存在着国歌的播放与国旗上升步调不一致现象，易受环境因素影响等弊端。为了解决国旗升降中的众多问题，提高升旗的质量和效率，可以使用自动控制升降系统来完成国旗的升、降控制,使升降旗速度与国歌演奏时间准确配合，从而避免了人为升降国旗与国歌演奏时间不协

13、调而出现的尴尬场面发生，保证了国旗升、降仪式的顺利进行。并且由于实际的需要,对它的精度和功能要求也越来越高，这样不仅可以规范升旗过程,使升旗更加方便更加实用,而且可以通过不同的设置满足不同的需求。另外减少了人力资源的使用,大大减少资金的投入.系统最主要的是控制电机的转动，目前应用最多的是步进电机.由于步进电机系统控制精度高,控制形式较为简单，易于实现数字化控制等特点使得步进电机的应用范围非常广泛,成为目前不可缺少的电机组件.通过单片机控制的步进电机使得设计更加简单。在技术的不断进步下，越来越多的保护和监控系统的出现，以及安全可靠性的提高和对室外环境的适应范围扩大，使现代升降系统总的发展趋势从自

14、动化变得更加智能化和柔韧灵活性.让单片机用于升降系统中，使控制技术和单片机技术相结合，从而可实现机电一体化控制,提高升降系统的自动化程度及运行可靠性和稳定性。2 升降旗控制的方案选择与论证根据设计的要求,系统有单片机电路、电机电路、电机驱动电路、显示电路、语音电路及继电器电路组成，有它们相互配合共同完成自动控制升降旗功能.2.1 升降旗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启动特性和调速性能,调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，热动和制动转矩较大，能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速启动、制动和反转。这也是交流电机无法取代的直流电动机的原因。直流电机只要

15、加上合适的电压就会转，因此在某些大型设备，比如轧钢机上都采用直流电动机拖动.但它也存在着一个严重的问题, 就是换向困难,还会产生火花、寿命短、结构复杂、要经常维护、价格也贵，并且维护检修不方便，转的圈数难以精确控制.方案二：采用步进电机，控制容易,成本低.步进电机有一个显著特点是它具有快速的启停能力,如果所带负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值情况下，能够立即使步进电机启动或反转。另一个特点就是它的控制精度高，正转反转控制灵活.因为步进电机属于脉冲电动机，是靠脉冲信号变换工作，相比较而言步进电机节能，更适合精密仪器或小型产品，在本系统中需要精确的转换速度和转换时间且启停要迅速，所以在本设计中

16、我们选择方案二。2.2 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、可靠性不是很高。方案二：利用高耐压、大电流的达林顿管组成的 ULN2003 芯片。用单片机控制达林顿管使之输出合适的脉冲信号，可精确调整电动机的运动状态(正转、反转和停止等动作） 。这种电路工作效率高，电机的转动精度可以由机械设计与单片机的程序来保证。由于该芯片在 5V 的工作电压下与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以保证负载电流的供给，同时也减少其它驱动芯片被烧毁的事故

17、。另外步进电机转动精度达到 0。01 度，而且在一周时间内误差不会发生累积的优点。使它驱动四相步进电机，精确控制转动速度和脉冲频率完全没有问题。利用该芯片是实现驱动步进电机的一种简单方法，该方法设计的步进电机驱动系统具有硬件结构简单、软件编程方便的特点。所以综上所述我们采用方案二。2.3 语音部分方案的选择与论证方案一:采用语音芯片 ISD1420。该芯片采用 CMOS 技术,内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、平滑滤波器、扬声器驱动及 EEPROM,一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按扭、电源及少数电阻电容即可，结构简单，且它的音质好、功耗低,但其录放音时间太短，只有 8

18、到 20 秒，达不到要求。方案二:采用 YF1600 系列录音 IC 模块，它是单片机中最简单的录音芯片，可以替代其它录音模块.YF1600 系列录音 IC 是根据录音产品市场而成功开发的录音 IC 系列产品，采用主控 IC 和外挂 FLASH 的方式实现 10 秒780 秒可擦写单段录音和掉电存储功能。由于录音采样频率高，音质好，音量大,负载能够直推动外接扬声器，并且不需要太多的外围元件，成本低、便于生产、应用灵活.主要功能特点表现在同一颗主控 IC 中实现录音键和播放键的不同组合应用。因为在本系统中,国歌的演奏时间需要 43 秒,综合各方面考虑，所以选用方案二。2。4 显示方案比较方案一：

19、静态显示 显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再作用，直到下一次需要更新数据时再传送新数据，静态显示方法比较简单，只将显示段码送至段码口,并把位控字送至位控口即可.静态显示虽然简单，但实际应用却受到限制。因为在同一时刻只显示一种字符的场合是不多的，大多数情况下，需要显示的是不同字符，这就要采用动态显示方法。静态显示编程容易、管理简单、显示亮度高、显示数据稳定、占用很少的 CPU 时间，但是引线较多,线路复杂，有时占用太多的 IO 口，硬件成本较高。方案二：动态显示 动态显示需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据会有闪烁感，占用的 CPU 时间多，但使用的硬

20、件少，能节省线路板空间.这两种显示方式各有利弊，静态显示虽然数据稳定,占用很少的 CPU 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路,使用的硬件较多。动态显示虽然有闪烁感，占用的 CPU 时间多，但使用的硬件少,能节省线路板空间。综上所述,由于不需要显示复杂的数据,本设计采用方案一.2.5 键盘的比较与选择在单片机应用系统中为了控制系统的工作状态，以及向系统输入数据,系统应设有按键或键盘，以实现简单的人机对话。通常的按键开关为弹性机械开关，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时并不会马上稳定地闭合，在断开时也不会马上断开,因而机械开关在闭合及断开瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动的时间长短

21、由按键开关的机械特性及按键的人为因素决定，一般为5ms20ms 时间，按键式的抖动如图 2.1 所示。按键抖动如果处理不当会引起一次按键被误处理多次，为了确保 CPU 对键的一次闭合仅作一次处理，则必须消除按键抖动.在键闭合稳定时取键状态，一般是判断到键释放稳定后在作处理.消除键抖动可用硬件和软件两种方法。消除键抖动通常当键数较少时用硬件方法，键数较多时用软件方法.此处采用软件方法。消除键抖动的软件方法是当检测出键闭合后执行一个延时程序，产生 5ms20ms的延时,待前沿抖动消失后再次检测键的状态,如果键仍保持闭合状态则可确认为有按键按下.当检测到按键释放并执行延时程序，待后沿抖动消失后才转入

22、该按键的处理程序.按键通常是一种常开型按键开关，平时键的两个触点处于断开或开路状态，按下键时它们才闭合或短路。而键盘是一组按键的集合，从键盘的结构来看，独立式键盘的每个按键单独占用一个 I/O 接线口,每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为按键多时将占用的 I/O 口数目较多，优点为电路设计简单，且编程相对方便.因电路需要的键盘较少，采用独立式键盘。图 2。1 按键时的抖动2。6 总体电路框图设计根据设计要求，该系统以 STC89C52 单片机为核心，由 6MHZ 的晶振提供时钟输入，同时与晶振相连的独石电容采用 30pF 的电容,复位电路采用手动按钮复位以让

23、单片机恢复到初始设定状态。复位的电解电容容量为 1uF.当需要复位时可采用此方法实现。通电时振荡电路产生时钟信号输入单片机,此时单片机开始扫描程序。当键盘有输入时，单片机开始按照设定的程序执行输出操作。当上升键按下时，单片机同时给继电器和步进电机发出指令,步进电机正转，带动旗帜上升。继电器 1 常开触头闭合,接通语音电路播放国歌，延时一定时间后继电器 2 的常闭触头分离，断开上升按键与单片机之间的连接,此时上升键失去作用，直到 43 秒结束时继电器 1 失电，国歌停止,按下上升键旗帜也不再上升；当按下下降按键时驱动电机反转带动旗帜下降,同时继电器 1 不动作，语音电路不工作，降旗时国歌将不再播

24、放。继电器 2 经过一段延时后恢复原始状态，接通上升键与单片机之间的连接，断开下降按键与单片机的连接，直到降旗完成时按下降按键电机也不再转动。系统的电路框图如图 2。2 所示。 图2.2 总体电路框图单片机复位电路振荡电路键盘输入语音电路继电器电路驱动电机国旗升降LED 显示3 系统各主要单元设计系统的功能是实现国旗的升降等功能，为此设计将采用单片机电路作为控制器，用它来控制步进电机电路实现国旗的升和降,和语音电路、继电器电路相连接来实现升旗时国歌的播放。同时键盘电路和显示电路相连接来完成升旗时间信息的显示。为了让升旗和降旗的过程更加逼真,设计将采用 8 位绿色 LED 发光二级管排成一排来指

25、示升旗和降旗的状态,升旗时 8 位发光二级管从下向上依次轮流点亮,表示电机正在正转，旗帜正在上升；相反，降旗时 8 位发光二极管从上到下依次点亮，表示电机正在反转，旗帜正在下降。当灯不再依次点亮时，表示系统停止工作。3。1 单片机电路设计随着电子技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路产生而出现的微型计算机,给人类生活带来了根本性的改变。单片微型计算机简称单片机.它是把组成微型计算机的各功能部件像中央处理器 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器ROM、I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控

26、制要求设计的，故又叫单片微控制器。3.1。1 单片机发展概况及发展方向单片机的出现使现代科学技术研究得到了质的飞跃,可以毫不夸张地说，它给现代工业领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比,在工业控制系统、智能化仪器仪表、办公自动化、日常生活用品等诸多领域得到极为广泛的应用,并已走入普通家庭,从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。如单片机家族中的主流产品 MCS51 系列，还有最近推出的 PIC 和凌阳系列都是比较优秀的单片机芯片，是构建我们不同的设计

27、系统的最佳选择。早期单片机大多结构体系,指令复杂，指令代码、周期数不统一、指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。例如 MCS51 系列单片机，时钟频率 12MHz 时，单周期指令运行速度仅 1 秒。虽然单片机对运行速度要求远不如通用计算机系统或数字信号处理对指令运行速度的要求,但速度的提高会带来许多好处，并拓宽单片机应用领域.一方面可获得很高的指令运行速度，另方面,在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。专用单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的。使用专用单片机可最大限度地简化系统结构,使资源利用效率最高。在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性

28、效益。专用单片机发展的基础是半导体集成工艺和微电子设计技术。采用模块化标准单元的快速设计及快速半导体集成工艺,将加速专用单片机的发展。3.1.2 单片机的特点及应用 单片机以其卓越的性能,得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点：1）小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。2）可靠性好,适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能用指令。4）可以很方便

29、地实现多机和分布式控制. 单片机的应用范围很广，在下述的各个领域中得到了广泛的应用：1） 工业方面 各种测控系统，数据采集系统，工业机器人,智能化仪器，机、电一体化产品。2） 智能仪器仪表方面 单片机应用在智能仪器、仪表方面，不仅使传统的仪器仪表发生根本的变革，也给传统的仪器、仪表行业改造带来了曙光。3) 通讯方面 调制解调器、程控交换技术。4) 民用方面 电子玩具、录像机、激光唱机。5） 导弹与控制方面 导弹控制、智能武器装备、航天飞机导航系统。6) 各种计算机外部设备及电器方面 打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机，磁带机等.由上所述，单片机从家用电器、智能仪器仪表、工业控制直到尖端技术领

30、域，单片机都发挥着十分重要的作用。3.1。3 单片机 STC89C52 特点及结构本系统采用 STC89C52 单片机,它是一种低电压、低功耗、高性能微控制器，具有 8K 字节可编程可擦出只读存储器.使得 STC89C52 为众多控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。它与 MCS51 指令系统兼容.STC89C52 是一个功能强大的单片机,但它只有 40 个引脚，其中 P1 是一个完整的 8 位双向 I/O 口，此外，从 STC89C52 内部结构图也可看出，其内部结构与8051 内部结构基本一致，引脚 RST、XTAL1、XTAL2 的特性和外部连接电路也完全与 51 系列单片机相应引脚

31、一致.如图 3。1 所示.引脚功能说明如下： VCC：供电电源。 GND:电路地. P0 口（P0。0P0.7）:为双向 8 位 IO 端口。当作为 IO 口使用时，可直接连接外部 IO 口设备，由于内部没有上拉电阻，故要接上拉电阻。它是地址总线低 8 位及数据总线分时复用口，可以驱动 8 个 TTL 负载.一般作为扩展时的地址数据总线口使用。当 P0 口作为地址/数据复用时不用接上拉电阻。 P1 口（P1.0P1。7）：为 8 位准双向 IO 口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置 1),可以驱动 4 个 TTL 负载. P2 口（P2.0P2.7）:为 8

32、 位准双向 IO 口，当作为 IO 口使用时，可直接连接外部 IO 设备，可驱动 4 个 TTL 负载。一般作为扩展时地址总线的高8 位复用口。 P3 口(P3。03.7）：为 8 位准双向 IO 口，可驱动 4 个 TTL 负载,是双功能复用口，它的另一功能如表 3.1 所示。 RST：复位输入。RST 一旦变成高电平，所有的 I/O 引脚就复位到“1” 。当振荡器正在运行时,持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位.每一个机器周期需 12 个振荡器或时钟周期。复位后应使此引脚电平为0.5V 的低电平，以保证单片机的正常工作。 XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发

33、生器的输入。 XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。表 3.1 P3 口的另一功能 P3 口引脚功能P3。0RXD(串行输入端口）P3。1TXD（串行输出端口)P3。2INT0(外中断 0）P3。3INT1(外中断 1）P3。4TO(定时器 0 外部输入）P3.5T1(定时器 1 外部输入）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图 3.1 STC89C52 引脚结构图此外，从 STC89C52 内部结构图也可看出,其内部结构与 8051 单片机内部结构基本一致，引脚 RST、XTAL1、XTAL2 的特性和外部连接电路也完全与 51 系列单片机相应引脚一致。3.1。4 复位电路设计在上电或复位过程中控制 CPU 的复位状态，这段时间内让 CPU 保持复位状态,

35、而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 CPU 发出错误的指令，执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计.而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性.许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。 单片机在启动时都需要复位，以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作.51 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的触发器中的.当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2

36、 个机器周期（24 个振荡周期)以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。 C31uF10kVCCRESETVCCRSTGNDVCCSTC89C521uF10k 图 3。2 手动按钮复位电路 图 3。3 上电复位电路 上电复位：STC89C52 的上电复位电路如图 3.3 所示，RST 引脚是复位信号的输入端，在RST 复位输入引脚上接一电容至 Vcc 端，下接一个电阻到地即可。只要高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间，就可以使单片机上电复位.上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给 RST 端一个短暂的高电平信号，RST 端

37、电位与 Vcc 相同,此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而逐渐回落，即RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位,RST 端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc 的上升时间约为10ms，在图 2 的复位电路中，当 Vcc 掉电时，必然会使 RST 端电压迅速下降到 0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态.如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器 PC 将得不到一个合适的初值,因此，CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 手

38、动按钮复位：手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平（如图 3。2 所示）。一般采用的办法是在 RST 端和正电源 Vcc 之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则 Vcc 的+5V 电平就会直接加到 RST 端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以,完全能够满足复位的要求。3.2 步进电机电路设计本系统最重要的环节是对步进电机的控制。步进电机是一种感应电机，是一种将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构。它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作，在非超载的情况下，电机的

39、转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机的精度为步进角的 35%而且无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单.虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机在常规下使用。3。2.1 步进电机的发展状况步进电机最早是在 1920 年由英国人开发出来,1950 年以后因晶体管的发明逐渐应用在步进电机上后，使得对于数字化的控制变得更为容易，之后经过不断的改进，步进电机逐渐应用在需要高精度定位，高响应性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自

40、动化、省力、效率高的机械中,我们很容易发现步进电机的身影，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制场合步进电机用的最多。由于步进电机必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。3.2。2 步进电机的特点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，即步进角。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。对于步进电机有以下特点： 步进电机的力矩会随转速的升高而下降.当步进电机转动时,

41、电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高,反向电动势越大.在它的作用下，电机相电流随频率或速度增大而减小,从而导致力矩下降。 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数叫空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转.在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。 步进电机的保持转矩是指通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩.它是步进电机最重要的参数之一

42、,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度(称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪，机器人等设备都以步进电机为动力核心。3.2。3 步进电机的具体控制方法只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。四相步进

43、电机工作原理如图 3.4 所示.图 3。4 四相步进电机工作原理图中间部分是转子，由一个永磁体组成,边上的是定子绕组.当定子的一个绕组通电时，将产生一个方向的电磁场，如果这个磁场的方向和转子磁场方向不在同一条直线上，那么定子和转子的磁场将产生一个扭力将定子扭转。依次改变绕组的磁场，就可以使步进电机正转或反转(比如通电次序为 AB-CD 正转，反之则反转） 。而改变磁场切换的时间间隔,就可以控制步进电机的速度了，这就是步进电机的驱动原理。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍的转动力矩小.八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以

44、保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作电源通电时序与波形分别如图 3。5 所示。 单四拍 双四拍 八拍图 3。5 步进电机工作方式此处采用步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC 5V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）.当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距.四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（ABCD-A)，双（双相绕组通电)四拍（AB-BCCDDAAB)，八拍（A

45、-AB-BBC-CCD-D-DA-A） 。28BYJ48 型电机是 4 相 5 线的步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：64,步进角为 5。625/64 度。如果需要转动 1 圈,也就是旗杆滑轮的周长,则需要 360/5。62564=4096 个脉冲信号，根据旗杆的高度和滑轮周长之间比例关系即可算出升旗所需要的全部脉冲。升旗的时间是 43 秒，用 43 除以脉冲个数即可算出控制速度.3.3 步进电机驱动电路设计由于步进电机的驱动电流较大，单片机不能直接驱动，一般都是使用ULN2003 达林顿大电流阵列驱动，当然，使用下拉电阻或三极管也是可以驱动的，只不过效果不是那么好,产生的扭力比较小.

46、ULN2003 芯片是高耐压、大电流复合晶体管阵列,由七个硅 NPN 复合晶体管组成。它的每一对达林顿管都串联一个2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，另外由于输入 5V TTL 电平,它的工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压输出，还可以在高负载电流并行运行。正是它具有电流增益高、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。 像单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。也可直接驱动继电器等负载。 ULN2003 采用 DIP16 封装.ULN2003

47、芯片接线如图 3。6 所示。GND87651162341514131211109ULN2003IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7COMGND引脚 1： CPU 脉冲输入端。 引脚 2: CPU 脉冲输入端。引脚 3: CPU 脉冲输入端。 引脚 4： CPU 脉冲输入端. 引脚 5： CPU 脉冲输入端。 引脚 6： CPU 脉冲输入端。 引脚 7： CPU 脉冲输入端。 引脚 8: 接地端。 引脚 9： 接电源端。引脚 10：脉冲信号输出端，对应 7 脚信号输入端。 引脚 11:脉冲信号输出端，对应 6 脚信号输入端。 引脚 1

48、2：脉冲信号输出端,对应 5 脚信号输入端. 引脚 13：脉冲信号输出端，对应 4 脚信号输入端。 引脚 14：脉冲信号输出端，对应 3 脚信号输入端。 引脚 15：脉冲信号输出端，对应 2 脚信号输入端. 引脚 16：脉冲信号输出端,对应 1 脚信号输入端。该驱动器电路简单可靠，结构紧凑，相当于一个放大器的作用，对于 I/O 口线与单片机资源紧张的系统来说特别适用.步进电机驱动电路如图 3.7 所示。图 3.6 ULN2003 芯片接线图1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10COM9ULN200312345VCCGNDP1.08P1

49、.1P1.2P1.3M4M3M2M1图 3.7 步进电机驱动电路 红线接电源 5V 电源，橙色电线接 P1。3 口，黄色电线接 P1.2 口,粉色电线接 P1.1 口,蓝色接 P1。0 口。由于单片机接口信号不够大，需要通过 ULN2003 芯片放大再连接到相应的电机接口，驱动芯片提供给步进电机旋转的相序如表 3.2所示。 从表 3-2 中可以定义电机的旋转相序如下：uchar code CCW8=0 x08,0 x0c，0 x04，0 x06，0 x02，0 x03,0 x01,0 x09； /逆时钟旋转相序表。uchar code CW8=0 x09，0 x01，0 x03,0 x02，0

50、 x06,0 x04,0 x0c,0 x08; /正时钟旋转相序表。表 3.2 步进电机旋转相序橙 A P1.3黄 B P1.2粉 C P1.1蓝 D P1。0十六制（P1 口）10000 x0811000 x0c01000 x0401100 x0600100 x0200110 x0300010 x0110010 x093。4 显示电路设计设备上常用的显示器主要有 LED 数码管显示器和 LCD 液晶显示器,近年来也有配置其他高端显示器的.前者价廉,配置灵活，与单片机接口方便;后者可进行图形显示，但接口较复杂，成本也较高。对于 LED 数码管显示器具有很多如下显著特点: 微功耗: 工作电压低，

51、工作电流只有十几个微安。 体积小： 安装时占用面积小，减小了设备的体积 . 寿命长： LED 器件连续点亮时间长，不容易烧毁。综合性价比考虑,由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED 有共阴极和共阳极两种，如图 3。8 所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地,而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V 的电压。一位显示器由 8 个发光二极管组成,其中 7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段)ag，另一个小数点为 dp 发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮;不加电压则暗。为了保护各段 LED 不被损坏，需外加限流

52、电阻。3.4。1 数码管结构及代码显示众所周知,LED 显示数码管通常由硬件 7 段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗,软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。从 LED 数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED 显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的 7 段,再加上 1 个小数点位，共计 8 段,因此提供给 LED 数码管的显示段码为 1 个字节。各段码位与显示段的对应关系如图 3.8 所示。图 3。8 LED 数码管结构原理图需说明的是当用数据口连接 LED

53、 数码管 adp 引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的 D0 位与 a 段连接，D1 位与 b段连接，D7 位与 dp 段连接。数码管的各段码位的对应关系如表 3.3 所示.表 3.3 各段码位的对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba 对于 LED 发光二极管，它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的 PN 结.其发光强度与其正向压降 VF 和电流 IF 的乘积有关，其乘积越大，则发光强度越大。工作电流一般在 5mA20mA。从系统整体考虑,选用的是 3.6 寸七段 LED 数码管。LED 数码管由 8 只发光二极管 VD1 至

54、VD8 连接并按 8 字形结构排列而成.这样，我们将这些二极管连接合适的电压时，相应的二极管就会导通而发光,从而使数码管呈现不同的字符。此时要想使数码管显示不同的数字,这就需要用到 4 线七段译码器，从而实现 7 段数码显示功能。对于 BCD 七段译码器真值表如表3。4 所示。表 3。4 BCD 七段译码器真值表输入D C B A输出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 数码管驱动电路为了使 LED 数码管点亮，还需要数码管驱动电路。由于升旗的时间是 43 秒，所以显示的内容为：升旗开始时数码管从 43S 开始倒计时,直到升旗完成时数码管显示的内容变为 0，以反映升旗的过程.为了达到这一要求，硬件电路将采用74LS192 芯片电路,用它来实现计数功能。先利用一块 NE555 芯片搭建多谐振荡器，使其输出信号的频率为 1HZ，这正好可以作为 74LS192 芯片的时钟输入信

56、号,则此时的二十四数制的计数器就变成了 43S 计时器了。显示模块采用 74LS48 芯片，主要功能是将二进制编码编译为可以在 7 段数码管上显示数字的编码.显示电路工作过程如图 3。9 所示.图 3。9 显示电路的工作过程当通电时计数脉冲负责产生一个频率为 1HZ 的脉冲信号,此信号作为计数器计数脉冲，因此,计数器就成了最小单位为 1 秒的计时器了；计数器采用置数法连接，每当循环一周即 43S 之后置数端有效，从而实现 43S 的计时显示；显示部分包括对二进制数的从新编码和显示，74LS48 芯片用来对二进制数重新编码,而此时可以用七段数码管作为显示.综合起来完成 43S 的升旗显示功能。计

57、数模块计数脉冲计数器冲显示器冲的设计如图 3。10 所示.图 3。10 计数模块电路74LS192 芯片为可预置的十进制减计数器，此处使用它的计数功能实现倒计时功能.首先预置数，令置数状态时输出值为 43,也就是 D3、D2、D1、D0 端的值为 0100.当 PL 置数端为 0 时,计数器输出为 43。计数时 PL 的值为 1.将 U1 的 DN端(计数脉冲输入端）与 U2 的 TCD 端（借位输出端)相连,此时 U1 输出为十位，U2 输出为个位。两个芯片相互配合完成升旗时的 43 秒倒计时。其中 MR 为清零端，计数时应保持为 0 状态。由 NE555 芯片产生的计数脉冲由 U2 的 D

58、N 端输入。由于此时 NE555 芯片的计数脉冲设置为 1S 产生一个脉冲,当 74LS192 芯片收到一个脉冲时，将产生 1S 的倒计时,输出的结果将由后级电路处理,最终由数码管显示出来。 R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U3NE555R220kR162KC210uF1HZ脉冲输出端VCCC1O.O1uF图 3.11 1HZ 脉冲产生电路NE555 芯片是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器。1 脚为接地端；2 脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲;6 脚为高电平触发端,由此输入高电平触发脉冲；4 脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于 0。7V）可使 555 定时器直接

59、复位；5 脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变 555 定时器内部比较器的参考电压，不用时经 0.01uF 的电容接地，以防止引入干扰;7 脚为放电端；3 脚为输出端，输出高电压约低于电源电压 1V3V，输出电流可达 200mA,因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8 脚为电源端，可在 5V18V 范围内使用.由 NE555 芯片组成的电路很多,此处只用它产生 1HZ 的脉冲。其中输出脉冲由 NE555 芯片对外部电容 C2 的充放电产生，C1 为耦合电容,作为滤波电容之用，输出脉冲的频率有 R1 和 R2 以及 C2 控制，其周期为 T=0.7(R1+R2)C2+0。7R2*C2

60、。产生 1HZ 脉冲电路如图 3.11 所示.A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U874LS48VCC图 3.12 数码管接线图此模块主要利用了 74LS48 芯片对二进制数的重新编码的功能。它是一种常用的七段数码管译码器驱动器。广泛应用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。此处用来完成时间的显示.例如,当输入端 DBCA 为 0101 时，输出端 QAQG分别为 1011011,此时在七段数码管上显示为“5” 。35 脚为控制端，接高电平即可.数码管接线如图 3.12 所示。A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI