天線桿自動升降控制系統(tǒng)設計說明書

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1、26 天線桿自動升降控制系統(tǒng) 設 計 說 明 1 引言 隨著科技的發(fā)展，許多設備都趨向自動化，而天線桿升降也在向自動化方向發(fā)展。為了實現(xiàn)這一功能，本系統(tǒng)采用單片機作為主要控制單元，以步進電機作為升天線桿的動力，獨立式鍵盤作為輸入,通過LED顯示器顯示系統(tǒng)信息。系統(tǒng)通過單片機的I／O口發(fā)出信號到步進電機控制器，進而控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。通過滑輪傳動裝置完成升天線桿和降天線桿動作。該系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能： 按下上升按鍵后，天線桿勻速上升，在桿的最高端自動停止；按下下降按鍵后，天線桿下降，在最低端不需要人為操作能

2、夠自動停止，從而使操作簡單化。升降由電動機驅(qū)動，該系統(tǒng)的控制按鍵有上升鍵、下降鍵、復位鍵、停止鍵等。 升天線桿時間為43秒，同時從桿的最下端上升到頂端?？梢员苊庹`動作，天線桿在最高端時按上升鍵不起作用；在最低端時，按下降鍵不起作用。 1.1背景 在我國，單片機已廣泛地應用在工業(yè)自動化控制、家用電器、電力電子、機電一體化設備等各個方面。單片機的應用具有范圍廣的特點，對各個行業(yè)的技術改造和產(chǎn)品智能化的更新?lián)Q代起著重要的推動作用。在實時自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，它已成為傳統(tǒng)工業(yè)技術改造和新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機種，具有廣泛地的發(fā)展前景。單片機技術的應用

3、，使得許多領域的技術水平和自動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，功率集成技術己模糊了整機與器件的界限。單片電源和模塊電源已取代了整機電源在一些技術中獲得廣泛應用，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70年代問世以來得到蓬勃發(fā)展，目前升天線桿裝置正日漸完善和發(fā)展。首先自動控制升降天線桿集成越來越多的功能，結構更為合理，更美觀，更實用，具有更加廣闊的市場前景；其次變得更加微型化。同時步進電機的出現(xiàn)，結合單片機的控制讓升降天線桿的控制變得更加精確和方便。 1.2目的和意義 隨著電子技術日益發(fā)展，天線桿自動升降控制系統(tǒng)也

4、在向前發(fā)展，然而傳統(tǒng)的天線桿升降存在著國歌的播放與天線桿上升步調(diào)不一致現(xiàn)象，易受環(huán)境因素影響等弊端。為了解決天線桿升降中的眾多問題，提高升天線桿的質(zhì)量和效率，可以使用自動控制升降系統(tǒng)來完成天線桿的升、降控制，使升降天線桿速度與國歌演奏時間準確配合，從而避免了人為升降天線桿與國歌演奏時間不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)的尷尬場面發(fā)生，保證了天線桿升、降儀式的順利進行。并且由于實際的需要，對它的精度和功能要求也越來越高，這樣不僅可以規(guī)范升天線桿過程，使升天線桿更加方便更加實用，而且可以通過不同的設置滿足不同的需求。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的轉(zhuǎn)動，目前應用最多的是步進電機

5、。由于步進電機系統(tǒng)控制精度高，控制形式較為簡單，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制等特點使得步進電機的應用范圍非常廣泛，成為目前不可缺少的電機組件。通過單片機控制的步進電機使得設計更加簡單。在技術的不斷進步下，越來越多的保護和監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及安全可靠性的提高和對室外環(huán)境的適應范圍擴大，使現(xiàn)代升降系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢從自動化變得更加智能化和柔韌靈活性。讓單片機用于升降系統(tǒng)中，使控制技術和單片機技術相結合，從而可實現(xiàn)機電一體化控制，提高升降系統(tǒng)的自動化程度及運行可靠性和穩(wěn)定性。 2 升降天線桿控制的方案選擇與論證 根據(jù)設計的要求，系統(tǒng)有單片機電路、電機電路、電機驅(qū)動電路、顯示電路、語音電路及繼電器電路組成，有

6、它們相互配合共同完成自動控制升降天線桿功能。 2.1 鍵盤的比較與選擇 在單片機應用系統(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)應設有按鍵或鍵盤，以實現(xiàn)簡單的人機對話。通常的按鍵開關為彈性機械開關，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時并不會馬上穩(wěn)定地閉合，在斷開時也不會馬上斷開，因而機械開關在閉合及斷開瞬間均伴隨有一連串的抖動。抖動的時間長短由按鍵開關的機械特性及按鍵的人為因素決定，一般為5ms～20ms時間，按鍵式的抖動如圖2.1所示。 按鍵抖動如果處理不當會引起一次按鍵被誤處理多次，為了確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，則必須消除按鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時取

7、鍵狀態(tài)，一般是判斷到鍵釋放穩(wěn)定后在作處理。消除鍵抖動可用硬件和軟件兩種方法。消除鍵抖動通常當鍵數(shù)較少時用硬件方法，鍵數(shù)較多時用軟件方法。此處采用軟件方法。消除鍵抖動的軟件方法是當檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，產(chǎn)生5ms～20ms的延時，待前沿抖動消失后再次檢測鍵的狀態(tài)，如果鍵仍保持閉合狀態(tài)則可確認為有按鍵按下。當檢測到按鍵釋放并執(zhí)行延時程序，待后沿抖動消失后才轉(zhuǎn)入該按鍵的處理程序。 按鍵通常是一種常開型按鍵開關，平時鍵的兩個觸點處于斷開或開路狀態(tài)，按下鍵時它們才閉合或短路。而鍵盤是一組按鍵的集合，從鍵盤的結構來看，獨立式鍵盤的每個按鍵單獨占用一個I/O接線口，每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響

8、，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為按鍵多時將占用的I/O口數(shù)目較多，優(yōu)點為電路設計簡單，且編程相對方便。因電路需要的鍵盤較少，采用獨立式鍵盤。 圖2.1 按鍵時的抖動 2.2 總體電路框圖設計 根據(jù)設計要求，該系統(tǒng)以單片機為核心，由6MHZ的晶振提供時鐘輸入，同時與晶振相連的獨石電容采用30pF的電容，復位電路采用手動按鈕復位以讓單片機恢復到初始設定狀態(tài)。復位的電解電容容量為1uF。當需要復位時可采用此方法實現(xiàn)。通電時振蕩電路產(chǎn)生時鐘信號輸入單片機，此時單片機開始掃描程序。當鍵盤有輸入時，單片機開始按照設定的程序執(zhí)行輸出操作。 當上升鍵按下時，單片機同時給繼電器和步進電機發(fā)出指

9、令，步進電機正轉(zhuǎn)，帶動幟上升。繼電器1常開觸頭閉合，接通語音電路，延時一定時間后繼電器2的常閉觸頭分離，斷開上升按鍵與單片機之間的連接，此時上升鍵失去作用，直到43秒結束時繼電器1失電，按下上升鍵幟也不再上升；當按下下降按鍵時驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)帶動幟下降，同時繼電器1不動作，語音電路不工作，降天線桿語音不再播放。繼電器2經(jīng)過一段延時后恢復原始狀態(tài)，接通上升鍵與單片機之間的連接，斷開下降按鍵與單片機的連接，直到降天線桿完成時按下降按鍵電機也不再轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)的電路框圖如圖2.2所示。 單片機 復位電路 語音電路 繼電器電路 振蕩電路 升降 驅(qū)動電機 鍵盤

10、輸入 LED顯示 圖2.2 總體電路框圖 3 系統(tǒng)各主要單元設計 系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)天線桿的升降等功能，為此設計將采用單片機電路作為控制器，用它來控制步進電機電路實現(xiàn)天線桿的升和降，和語音電路、繼電器電路相連接來實現(xiàn)升天線桿。同時鍵盤電路和顯示電路相連接來完成升天線桿時間信息的顯示。為了讓升天線桿和降天線桿的過程更加逼真，設計將采用8位綠色LED發(fā)光二級管排成一排來指示升天線桿和降天線桿的狀態(tài)，升天線桿時8位發(fā)光二級管從下向上依次輪流點亮，表示電機正在正轉(zhuǎn)，幟正在上升；相反，降天線桿時8位發(fā)光二極管從上到下依次點亮，表示電機正在反轉(zhuǎn)，幟正在下降。當燈不再依次點亮時，

11、表示系統(tǒng)停止工作。 3.1 單片機電路設計 隨著電子技術的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計算機，給人類生活帶來了根本性的改變。單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成微型計算機的各功能部件像中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。由于它的結構與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設計的，故又叫單片微控制器。 3.1.1 單片機發(fā)展概況及發(fā)展方向 單片機的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學技術研究得到了質(zhì)的飛躍，可以毫不夸張地說，它給現(xiàn)代工業(yè)領域帶來了一次新的技術革命。目前，單片

12、機以其高可靠性、高性能價格比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化、日常生活用品等諸多領域得到極為廣泛的應用，并已走入普通家庭，從洗衣機、微波爐到音響、汽車，到處都可見到單片機的蹤影。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，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。如單片機家族中的主流產(chǎn)品MCS—51系列，還有最近推出的PIC和凌陽系列都是比較優(yōu)秀的單片機芯片，是構建我們不同的設計系統(tǒng)的最佳選擇。 早期單片機大多結構體系，指令復雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一、指令運行很難實現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運行速度的提高。例如MCS－51系列單片機，時鐘頻率12MHz時，單周期指

13、令運行速度僅1秒。雖然單片機對運行速度要求遠不如通用計算機系統(tǒng)或數(shù)字信號處理對指令運行速度的要求，但速度的提高會帶來許多好處，并拓寬單片機應用領域。一方面可獲得很高的指令運行速度，另方面，在相同的運行速度下，可大大降低時鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。 專用單片機是專門針對某一類產(chǎn)品系統(tǒng)要求而設計的。使用專用單片機可最大限度地簡化系統(tǒng)結構，使資源利用效率最高。在大批量使用時有可觀的經(jīng)濟效益和可靠性效益。專用單片機發(fā)展的基礎是半導體集成工藝和微電子設計技術。采用模塊化標準單元的快速設計及快速半導體集成工藝，將加速專用單片機的發(fā)展。 3.1.2 單片機的特點及應用 ① 單片機以其卓越的

14、性能，得到了廣泛的應用，已深入到各個領域。單片機應用在檢測、控制領域中，具有如下特點： 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、控設備及各種智能儀器儀表。 2）可靠性好，適應溫度范圍寬。單片機芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，能適應各種惡劣的環(huán)境，這是其它機種無法比擬的。 3）易擴展，很容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)，控制功能強。單片機的邏輯控制功能很強，指令系統(tǒng)有各種控制功能用指令。 4）可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制。 ② 單片機的應用范圍很廣，在下述的各個領域中得到了廣泛的應用： 1) 工業(yè)方面 各種測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工業(yè)機器人，智能化儀器，

15、機、電一體化產(chǎn)品。 2) 智能儀器儀表方面 單片機應用在智能儀器、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)改造帶來了曙光。 3) 通訊方面 調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術。 4) 民用方面 電子玩具、錄像機、激光唱機。 5) 導彈與控制方面 導彈控制、智能武器裝備、航天飛機導航系統(tǒng)。 6) 各種計算機外部設備及電器方面 打印機、硬盤驅(qū)動器、彩色與黑／白復印機，磁帶機等。 由上所述，單片機從家用電器、智能儀器儀表、工業(yè)控制直到尖端技術領域，單片機都發(fā)揮著十分重要的作用。 3.1.3 單片機特點及結構 本系統(tǒng)采用單片機，它是一種低電壓、低

16、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器。使得為眾多控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。它與MCS－51指令系統(tǒng)兼容。 是一個功能強大的單片機，但它只有40個引腳，其中P1是一個完整的8位雙向I/O口,此外，從內(nèi)部結構圖也可看出，其引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機相應引腳一致.如圖3.1所示。引腳功能說明如下： ① VCC：供電電源。 ② GND：電路地。 ③ P0口（P0.0～P0.7）：為雙向8位I／O端口。當作為I／O口使用時，可直接連接外部I／O口設備，由于內(nèi)部沒有上拉電阻，故要接上拉電阻。它

17、是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可以驅(qū)動8個TTL負載。一般作為擴展時的地址／數(shù)據(jù)總線口使用。當P0口作為地址/數(shù)據(jù)復用時不用接上拉電阻。 ④ P1口（P1.0～P1.7）：為8位準雙向I／O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，口鎖存器必須置1），可以驅(qū)動4個TTL負載。 ⑤ P2口（P2.0～P2.7）：為8位準雙向I／O口，當作為I／O口使用時，可直接連接外部I／O設備，可驅(qū)動4個TTL負載。一般作為擴展時地址總線的高8位復用口。 ⑥ P3口（P3.0～3.7）：為8位準雙向I／O口，可驅(qū)動4個TTL負載，是雙功能復用口，它的另一功能如表3.1所示。

18、 ⑦ RST：復位輸入。RST一旦變成高電平，所有的I/O引腳就復位到“1”。當振蕩器正在運行時，持續(xù)給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。復位后應使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機的正常工作。 ⑧ XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 ⑨ 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 P3.0 RXD(串行輸入端口) P3.1 TXD(串行輸出端口) P3.2 INT0(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1

19、) P3.4 TO(定時器0外部輸入) P3.5 T1(定時器1外部輸入) 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 21 VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/Vpp ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0

20、 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (RXD) P3.0 (TXD) P3.1 (INT0) P3.2 (INT1) P3.3 (T0) P3.4 (T1) P3.5 (WR) P3.6 (RD)P3.7 XTAL1 XTAL2 GND 圖3.1 引腳結構圖 此外，從內(nèi)部結構圖也可看出，其內(nèi)部結構與8051單片機內(nèi)部結構基本一致，引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機相應引腳一致。 3.1.4 復位電路設計

21、 在上電或復位過程中控制CPU的復位狀態(tài)，這段時間內(nèi)讓CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令，執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論使用哪種類型的單片機,總要涉及到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng),并在實驗室調(diào)試成功后,在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象,這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。 單片機在啟動時都需要復位，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)開始工作。51系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正

22、常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位。 C3 1uF 10k VCC RESET VCC RST GND VCC STC89C52 1uF 10k 圖3.2 手動按鈕復位電路 圖3.3 上電復位電路 ① 上電復位： 的上電復位電路如圖3.3所示，RST引腳是復位信號的輸入端，在RST復位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。只要高電平的復位信號持續(xù)兩

23、個機器周期以上的有效時間，就可以使單片機上電復位。上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，RST端電位與Vcc相同，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，Vcc的上升時間約為10ms，在圖2的復位電路中，當Vcc掉電時，必然會使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，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效

24、的復位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 ② 手動按鈕復位： 手動按鈕復位需要人為在復位輸入端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之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的要求。 3.2 步進電機電路設計 本系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)是對步進電機的控制。步進電機是一種感應電機，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機構。它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分

25、時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機的精度為步進角的3～5%而且無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機在常規(guī)下使用。 3.2.1步進電機的特點 當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，即步進角。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目

26、的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。對于步進電機有以下特點： ① 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機相電流隨頻率或速度增大而減小，從而導致力矩下降。 ② 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)叫空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，

27、即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）?！? ③ 步進電機的保持轉(zhuǎn)矩是指通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。 ④ 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 ⑤ 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 ⑥ 改變脈沖的順序，可以

28、方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人等設備都以步進電機為動力核心。 3.2.2 步進電機的具體控制方法 只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。四相步進電機工作原理如圖3.4所示。 圖3.4 四相步進電機工作原理圖 中間部分是轉(zhuǎn)子，由一個永磁體組成，邊上的是定子繞組。當定子的一個繞組通電時，將產(chǎn)生一個方向的電磁場，如果這個磁場的方向和轉(zhuǎn)子磁場方向不在同一條直線上，那么定子和轉(zhuǎn)子的磁場將產(chǎn)生一個扭力將定子扭轉(zhuǎn)。依次改變繞組的磁場，就可以使步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)(比如通電次序為A->B->C->D正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn))。而改變磁場切換的時間間隔，就可

29、以控制步進電機的速度了，這就是步進電機的驅(qū)動原理。 　　四相步進電機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保持較高的轉(zhuǎn)動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 步進電機工作方式 此處采用步進電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC 5V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖

30、信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A…），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）。 28BYJ48型電機是4相5線的步進電機，而且是減速步進電機，減速比為1：64，步進角為5.625/64 度。如果需要轉(zhuǎn)動1圈，也就是桿滑輪的周長，則需要360/5.625*64=4096個脈沖信號，根據(jù)桿的高度和滑輪周長之間比例關系

31、即可算出升天線桿所需要的全部脈沖。升天線桿的時間是43秒，用43除以脈沖個數(shù)即可算出控制速度。 3.3 步進電機驅(qū)動電路設計 由于步進電機的驅(qū)動電流較大，單片機不能直接驅(qū)動，一般都是使用ULN2003達林頓大電流陣列驅(qū)動，當然，使用下拉電阻或三極管也是可以驅(qū)動的，只不過效果不是那么好，產(chǎn)生的扭力比較小。ULN2003芯片是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN 復合晶體管組成。它的每一對達林頓管都串聯(lián)一個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500mA，并且能夠在關態(tài)時承受

32、50V 的電壓輸出,還可以在高負載電流并行運行。正是它具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 像單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。也可直接驅(qū)動繼電器等負載。 ULN2003 采用DIP—16封裝。ULN2003芯片接線如圖3.6所示。 圖3.6 ULN2003芯片接線圖 GND 8 7 6 5 1 16 2 3 4 15 14 13 12 11 10 9 ULN2003 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 OUT1 OUT2 OUT3 OU

33、T4 OUT5 OUT6 OUT7 COM GND 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：脈沖信號輸出端，對應7腳信號輸入端。 引腳11：脈沖信號輸出端，對應6腳信號輸入端。 引腳12：脈沖信號輸出端，對應5腳信號輸入端。 引腳13

34、：脈沖信號輸出端，對應4腳信號輸入端。 引腳14：脈沖信號輸出端，對應3腳信號輸入端。 引腳15：脈沖信號輸出端，對應2腳信號輸入端?！? 引腳16：脈沖信號輸出端，對應1腳信號輸入端。 該驅(qū)動器電路簡單可靠，結構緊湊，相當于一個放大器的作用，對于I/O口線與單片機資源緊張的系統(tǒng)來說特別適用。步進電機驅(qū)動電路如圖3.7所示。 1B 1 1C 16 2B 2 2C 15 3B 3 3C 14 4B 4 4C 13 5B 5 5C 12 6B 6 6C 11 7B 7 7C 10 COM 9 ULN2003 1 2 3

35、 4 5 VCC GND P1.0 8 P1.1 P1.2 P1.3 M4 M3 M2 M1 圖3.7 步進電機驅(qū)動電路 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，藍色接P1.0口。由于單片機接口信號不夠大，需要通過ULN2003芯片放大再連接到相應的電機接口，驅(qū)動芯片提供給步進電機旋轉(zhuǎn)的相序如表3.2所示。 從表3-2中可以定義電機的旋轉(zhuǎn)相序如下： uchar code CCW[8]={0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03

36、,0x01,0x09}; //逆時鐘旋轉(zhuǎn)相序表。 uchar code CW[8]={0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08}; //正時鐘旋轉(zhuǎn)相序表。 表3.2 步進電機旋轉(zhuǎn)相序 橙A P1.3 黃B P1.2 粉C P1.1 藍D P1.0 十六制（P1口） 1 0 0 0 0x08 1 1 0 0 0x0c 0 1 0 0 0x04 0 1 1 0 0x06 0 0 1 0 0x02 0 0 1 1 0x03 0 0 0 1 0x01 1 0 0 1 0

37、x09 3.4 顯示電路設計 設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，近年來也有配置其他高端顯示器的。前者價廉，配置靈活，與單片機接口方便；后者可進行圖形顯示，但接口較復雜，成本也較高。對于LED數(shù)碼管顯示器具有很多如下顯著特點： ① 微功耗： 工作電壓低，工作電流只有十幾個微安。 ② 體積小： 安裝時占用面積小，減小了設備的體積。 ③ 壽命長： LED器件連續(xù)點亮時間長，不容易燒毀。 綜合性價比考慮，由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種，如圖3.8所示。 二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極

38、接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構成字型“8”的各個筆劃（段）a～g，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。 3.4.1 數(shù)碼管結構及代碼顯示 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。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，即由單片機軟件完成從數(shù)字到顯示碼的轉(zhuǎn)換。從LED數(shù)碼管結構原理可知，為

39、了顯示字符，要為LED顯示數(shù)碼管提供顯示段碼，組成一個“8”字形字符的7段，再加上1個小數(shù)點位，共計8段，因此提供給LED數(shù)碼管的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼位與顯示段的對應關系如圖3.8所示。 圖3.8 LED數(shù)碼管結構原理圖 需說明的是當用數(shù)據(jù)口連接LED數(shù)碼管a～dp引腳時，不同的連接方法，各段碼位與顯示段有不同的對應關系。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應關系如表3.3所示。 表3.3 各段碼位的對應關系 段碼位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 顯示段 dp g f e

40、 d c b a 對于LED發(fā)光二極管，它是一種由某些特殊的半導體材料制作成的PN結。其發(fā)光強度與其正向壓降VF和電流IF的乘積有關，其乘積越大，則發(fā)光強度越大。工作電流一般在5mA～20mA。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VD8連接并按8字形結構排列而成。這樣，我們將這些二極管連接合適的電壓時，相應的二極管就會導通而發(fā)光，從而使數(shù)碼管呈現(xiàn)不同的字符。此時要想使數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字，這就需要用到4線—七段譯碼器，從而實現(xiàn)7段數(shù)碼顯示功能。對于BCD七段譯碼器真值表如表3.4所示。 表3.4 BCD七段譯

41、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 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1

42、1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 3.4.2 數(shù)碼管驅(qū)動電路 為了使LED數(shù)碼管點亮，還需要數(shù)碼管驅(qū)動電路。由于升天線桿的時間是43秒，所以顯示的內(nèi)容為：升天線桿開始時數(shù)碼管從43S開始倒計時，直到升天線桿完成時數(shù)碼管顯示的內(nèi)容變?yōu)?，以反映升天線桿的過程。為了達到這一要求，硬件電路將采用74

43、LS192芯片電路，用它來實現(xiàn)計數(shù)功能。先利用一塊NE555芯片搭建多諧振蕩器，使其輸出信號的頻率為1HZ，這正好可以作為74LS192芯片的時鐘輸入信號，則此時的二十四數(shù)制的計數(shù)器就變成了43S計時器了。顯示模塊采用74LS48芯片，主要功能是將二進制編碼編譯為可以在7段數(shù)碼管上顯示數(shù)字的編碼。顯示電路工作過程如圖3.9所示。 計數(shù)脈沖 顯示器沖 計數(shù)器沖 圖3.9 顯示電路的工作過程 當通電時計數(shù)脈沖負責產(chǎn)生一個頻率為1HZ的脈沖信號，此信號作為計數(shù)器計數(shù)脈沖，因此，計數(shù)器就成了最小單位為1秒的計時器了；計數(shù)器采用置數(shù)法連接，每當循環(huán)一周即43S之后置數(shù)端有效，從而實現(xiàn)43

44、S的計時顯示；顯示部分包括對二進制數(shù)的從新編碼和顯示，74LS48芯片用來對二進制數(shù)重新編碼，而此時可以用七段數(shù)碼管作為顯示。綜合起來完成43S的升天線桿顯示功能。計數(shù)模塊的設計如圖3.10所示。 圖3.10 計數(shù)模塊電路 74LS192芯片為可預置的十進制減計數(shù)器,此處使用它的計數(shù)功能實現(xiàn)倒計時功能。首先預置數(shù)，令置數(shù)狀態(tài)時輸出值為43，也就是D3、D2、D1、D0端的值為0100。當PL置數(shù)端為0時，計數(shù)器輸出為43。計數(shù)時PL的值為1。將U1的DN端（計數(shù)脈沖輸入端）與U2的TCD端（借位輸出端）相連，此時U1輸出為十位，U2輸出為個位。兩個芯片相互配合完成升天線桿時的43秒

45、倒計時。其中MR為清零端，計數(shù)時應保持為0狀態(tài)。由NE555芯片產(chǎn)生的計數(shù)脈沖由U2的DN端輸入。由于此時NE555芯片的計數(shù)脈沖設置為1S產(chǎn)生一個脈沖，當74LS192芯片收到一個脈沖時，將產(chǎn)生1S的倒計時，輸出的結果將由后級電路處理，最終由數(shù)碼管顯示出來。 ` 圖3.11 1HZ脈沖產(chǎn)生電路 NE555芯片是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(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腳為復位端，輸入負脈沖（或使其電壓低于0.7V）可使555定時器直接復位；5腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以改變555定時器內(nèi)部比較

46、器的參考電壓，不用時經(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1V—3V，輸出電流可達200mA，因此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8腳為電源端，可在5V—18V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 。產(chǎn)生1HZ脈沖電路如圖3.11所示。 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC

47、11 D 6 QD 10 BI/RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U8 74LS48 VCC 圖3.12 數(shù)碼管接線圖 此模塊主要利用了74LS48芯片對二進制數(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)動器。廣泛應用在各種數(shù)字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。此處用來完成時間的顯示。例如，當輸入端DBCA為0101時，輸出端QA～QG分別為1011011，此時在七段數(shù)碼管上顯示為“5”。3～5腳為控制端，接高電平即可。數(shù)碼管接線如圖3.12所示。 圖3.13 顯示部分電路圖 顯示電路總體工作過程如

48、下： ① 電路運行時，若按下手動復位鍵，則JK觸發(fā)器的Q端翻轉(zhuǎn)為0，此時計數(shù)器的PL端（置數(shù)端低電平有效）即為0狀態(tài)，計數(shù)器處于置數(shù)狀態(tài)。 ② 當電路處于復位狀態(tài)時，按下手動開始鍵，則JK觸發(fā)器A的Q端翻轉(zhuǎn)為1，則計數(shù)器的PL端為1，此時計數(shù)器在計數(shù)脈沖的作用下開始工作。 ③ 從NE555芯片的3管輸出的計數(shù)脈沖，在這根線誰上接入一個開關，就可以作為暫停開關，斷開開關，計數(shù)器就會暫停工作。 ④ 計數(shù)器輸出從0躍變到99時，JK觸發(fā)器B的CLK端，會產(chǎn)生一個1到O的下降沿，則其Q端翻轉(zhuǎn)為1，此時的計數(shù)器MR端（清零端，高電平有效）保持1狀態(tài)，計數(shù)器保持0狀態(tài)，直到按下手動復位鍵，計數(shù)器重

49、新回歸到43。 3.5 語音電路及繼電器電路設計 語音電路將采用YF1600芯片來完成放音功能。它的錄音采樣頻率固定為12KHz。當錄音時LED指示燈長亮，同時伴隨錄音提示音；當播放聲音時LED跟隨聲音以4Hz頻率閃爍，表示芯片正在處于放音狀態(tài)。各部分引腳接線如下： ① MIC： 焊接咪頭，有正負極之分。 ② 喇叭：焊接8歐到16歐的普通喇叭（沒有正負極之分）。 ③ 電源：連接2.4-5.5V之間的電源。此處選用5V電壓作為工作電壓。 ④ 藍色LED：錄音時長亮，放音是閃爍狀態(tài)。 ⑤ 錄音1：按下按鍵（觸發(fā)），開始錄音，直到再次按下或者錄音時間完成后，才會停止。 ⑥ 錄音2：一

50、直按住后一直錄音，松開馬上停止。 ⑦ 放音1：按住后一直播放聲音，松開馬上停止，如果不松開，則會一直循環(huán)播放直到松開后才會停止播放。 ⑧ 放音2：按下后開始播放，松開不會停止，直到聲音播放完成后，才停止，工作過程中每次按下都會重頭開始播放。 在使用過程中應當注意電源質(zhì)量，如果使用的電源不是很理想，則可以增加一個100～220uf的普通電解電容來改善，正常情況下不需要增加。芯片的位置上焊接有一個60秒的存儲芯片。改變這個芯片的容量可以改變錄音的聲音長度。此模塊是固定的60秒錄音長度。如圖3.14所示。 圖3.14 錄音芯片電路圖 由于語音芯片不能直接與單片機輸出引腳相連，所

51、以將采用繼電器作為他們之間的橋梁。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會有電流流過，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就在電磁力吸引的作用下克服反彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放從而達到導通斷開目的，也就是一個可以控制的開關。兩路繼電器控制電路如圖3.15所示。 圖3.15 兩路繼電器電路 三極管選用8550三極管，驅(qū)動能力強，

52、基極電阻為1K歐，電源工作電壓為5V。圖中二極管VD1和VD2起到保護作用，防止繼電器在突然斷開時產(chǎn)生的沖擊電壓損害三極管。高電平時三極管導通，繼電器分得電源電壓的大部分，達到開啟電壓繼電器閉合。低電平時三極管截止，流過繼電器的電流很小，不能閉合。三極管看成一個控制開關器件。當通入5v電壓后，三極管導通，初始狀態(tài)為繼電器是吸合狀態(tài)，相應的LED指示燈打開，同時常開開關閉合，常閉開關斷開。因為單片機驅(qū)動外界負載通常都采用灌電流方式以從電源灌入更多的電流來增加驅(qū)動能力，而不采用直接電壓驅(qū)動，這樣會使驅(qū)動電流太小，帶不動負載，所以此處采用灌電流方式來驅(qū)動。此處選用P2.0和P2.1口驅(qū)動兩路繼電器。

53、在單片機發(fā)出指令后，P口出現(xiàn)高低電平。當P口輸出高電平時，相應的三極管基極變?yōu)?V左右，使三極管處于截止狀態(tài)，繼電器線圈不得電；當P口輸出低電平時，相應的三極管基極變?yōu)?V左右，使三極管處于導通狀態(tài)，繼電器線圈得電帶動觸點動作。當電源接通時，綠色指示燈亮，每路繼電器工作時紅色指示燈亮，以此來顯示工作狀態(tài)。 4 升降天線桿系統(tǒng)軟件設計 程序由主程序、循環(huán)子程序等組成。數(shù)組uchar code table1[]用來存儲流水燈驅(qū)動碼，uchar code CCW[8]用來存儲步進電機脈沖驅(qū)動碼。然后通過查表指令在循環(huán)程序中實現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)中的每一位驅(qū)動碼，進而通過單片機的輸出引腳去控制所接負載。主程

54、序流程圖如圖4.1。 為了實現(xiàn)要求，按下上升按鍵后，天線桿勻速上升，同時流暢地演奏國歌；上升到最高端時自動停止上升，國歌停奏；按下下降按鍵后，天線桿勻速下降，降天線桿的時間不放國歌，下降到最低端時自動停止，且能在指定的位置上自動停止；升降天線桿的時間均為43秒鐘，與國歌的演奏時間相等，同時，從桿的最下端上升到頂端；降天線桿不演奏國歌，同時，從桿的最上端下降到底端；可以避免誤動作，天線桿在最高端時按上升鍵不起作用；在最低端時，按下降鍵不起作用；能在指定位置停止，且停止后能繼續(xù)通過按鍵控制天線桿繼續(xù)升或降。幟的升天線桿時間可實時顯示。升天線桿子程序流程圖如圖4.2所示。 返回 升旗

55、 步進電機正轉(zhuǎn)、LED燈亮 繼電器動作、時間顯示 上升到頂端 降下鍵？ LED燈亮 下降到底端 Y N 返回 圖4.2 升降天線桿處理子程序流程圖 為了實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)、繼電器動作、語音電路工作、LED發(fā)光二極管輪流點亮，程序?qū)⒉捎肅語言編寫，先把步進電機的正反轉(zhuǎn)相序表和發(fā)光二極管的十六進制值定義成數(shù)組，然后采用循環(huán)語句在循環(huán)中一步一步的查詢數(shù)組中的值來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動、LED發(fā)光二極管輪流點亮，同時控制繼電器動作，進而控制語音電路播放國歌。當需要在指定的位置上停止時，采用C語言的中斷函數(shù)即可實現(xiàn)。主程序主要實現(xiàn)延時功能和控制繼電器動作。 附錄A 電路原理圖1 附錄B 電路原理圖2