天線桿自動(dòng)升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

26天線桿自動(dòng)升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明1 引言隨著科技的發(fā)展，許多設(shè)備都趨向自動(dòng)化，而天線桿升降也在向自動(dòng)化方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主要控制單元，以步進(jìn)電機(jī)作為升天線桿的動(dòng)力，獨(dú)立式鍵盤作為輸入,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)裝置完成升天線桿和降天線桿動(dòng)作。該系統(tǒng)可實(shí)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(dòng)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夠自動(dòng)停止，從而使操作簡(jiǎn)單化。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、停止鍵等。 升天線桿時(shí)間為43秒，同時(shí)從桿的最下端上升到頂端?？梢员苊庹`動(dòng)作，天線桿在最高端時(shí)按上升鍵不起作用；在最低端時(shí)，按下降鍵不起作用。1.1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年代問世以來(lái)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(dòng)控制升降天線桿集成越來(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(shù)日益發(fā)展，天線桿自動(dòng)升降控制系統(tǒng)也在向前發(fā)展，然而傳統(tǒng)的天線桿升降存在著國(guó)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(dòng)控制升降系統(tǒng)來(lái)完成天線桿的升、降控制，使升降天線桿速度與國(guó)歌演奏時(shí)間準(zhǔn)確配合，從而避免了人為升降天線桿與國(guó)歌演奏時(shí)間不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)的尷尬場(chǎng)面發(fā)生，保證了天線桿升、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)范升天線桿過(guò)程，使升天線桿更加方便更加實(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 升降天線桿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)控制升降天線桿功能。2.1 鍵盤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，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。通常的按鍵開關(guān)為彈性機(jī)械開關(guān)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)并不會(huì)馬上穩(wěn)定地閉合，在斷開時(shí)也不會(huì)馬上斷開，因而機(jī)械開關(guān)在閉合及斷開瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)。抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短由按鍵開關(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)入該按鍵的處理程序。按鍵通常是一種常開型按鍵開關(guān)，平時(shí)鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開或開路狀態(tài)，按下鍵時(shí)它們才閉合或短路。而鍵盤是一組按鍵的集合，從鍵盤的結(jié)構(gòu)來(lái)看，獨(dú)立式鍵盤的每個(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。因電路需要的鍵盤較少，采用獨(dú)立式鍵盤。圖2.1 按鍵時(shí)的抖動(dòng)2.2 總體電路框圖設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)以單片機(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)開始掃描程序。當(dāng)鍵盤有輸入時(shí)，單片機(jī)開始按照設(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)幟上升。繼電器1常開觸頭閉合，接通語(yǔ)音電路，延時(shí)一定時(shí)間后繼電器2的常閉觸頭分離，斷開上升按鍵與單片機(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，按下上升鍵幟也不再上升；當(dāng)按下下降按鍵時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)幟下降，同時(shí)繼電器1不動(dòng)作，語(yǔ)音電路不工作，降天線桿語(yǔ)音不再播放。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，斷開下降按鍵與單片機(jī)的連接，直到降天線桿完成時(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。單片機(jī) 復(fù)位電路語(yǔ)音電路繼電器電路 振蕩電路升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)鍵盤輸入LED顯示圖2.2 總體電路框圖3 系統(tǒng)各主要單元設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)天線桿的升降等功能，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)天線桿的升和降，和語(yǔ)音電路、繼電器電路相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)升天線桿。同時(shí)鍵盤電路和顯示電路相連接來(lái)完成升天線桿時(shí)間信息的顯示。為了讓升天線桿和降天線桿的過(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)指示升天線桿和降天線桿的狀態(tài)，升天線桿時(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)，幟正在上升；相反，降天線桿時(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)，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)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)域，單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用。3.1.3 單片機(jī)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用單片機(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。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，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)相應(yīng)引腳一致.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)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)1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 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 引腳結(jié)構(gòu)圖此外，從內(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)，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：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)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 手動(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)，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，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。3.2.2 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)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)锳->B->C->D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(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，也就是桿滑輪的周長(zhǎng)，則需要360/5.625*64=4096個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)桿的高度和滑輪周長(zhǎng)之間比例關(guān)系即可算出升天線桿所需要的全部脈沖。升天線桿的時(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。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芯片接線如圖3.6所示。圖3.6 ULN2003芯片接線圖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12：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。1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10COM9ULN200312345VCCGNDP1.08P1.1P1.2P1.3M4M3M2M1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=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09; /逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)相序表。uchar code CW8=0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08; /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）10000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x093.4 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，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 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。由于升天線桿的時(shí)間是43秒，所以顯示的內(nèi)容為：升天線桿開始時(shí)數(shù)碼管從43S開始倒計(jì)時(shí)，直到升天線桿完成時(shí)數(shù)碼管顯示的內(nèi)容變?yōu)?，以反映升天線桿的過(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。計(jì)數(shù)脈沖顯示器沖計(jì)數(shù)器沖圖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的升天線桿顯示功能。計(jì)數(shù)模塊的設(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天線桿時(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DN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)。 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 。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。圖3.13 顯示部分電路圖顯示電路總體工作過(guò)程如下： 電路運(yùn)行時(shí)，若按下手動(dòng)復(fù)位鍵，則JK觸發(fā)器的Q端翻轉(zhuǎn)為0，此時(shí)計(jì)數(shù)器的PL端（置數(shù)端低電平有效）即為0狀態(tài)，計(jì)數(shù)器處于置數(shù)狀態(tài)。 當(dāng)電路處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，按下手動(dòng)開始鍵，則JK觸發(fā)器A的Q端翻轉(zhuǎn)為1，則計(jì)數(shù)器的PL端為1，此時(shí)計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)脈沖的作用下開始工作。 從NE555芯片的3管輸出的計(jì)數(shù)脈沖，在這根線誰(shuí)上接入一個(gè)開關(guān)，就可以作為暫停開關(guān)，斷開開關(guān)，計(jì)數(shù)器就會(huì)暫停工作。 計(jì)數(shù)器輸出從0躍變到99時(shí)，JK觸發(fā)器B的CLK端，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1到O的下降沿，則其Q端翻轉(zhuǎn)為1，此時(shí)的計(jì)數(shù)器MR端（清零端，高電平有效）保持1狀態(tài)，計(jì)數(shù)器保持0狀態(tài)，直到按下手動(dòng)復(fù)位鍵，計(jì)數(shù)器重新回歸到43。3.5 語(yǔ)音電路及繼電器電路設(shè)計(jì)語(yǔ)音電路將采用YF1600芯片來(lái)完成放音功能。它的錄音采樣頻率固定為12KHz。當(dāng)錄音時(shí)LED指示燈長(zhǎng)亮，同時(shí)伴隨錄音提示音；當(dāng)播放聲音時(shí)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： MIC： 焊接咪頭，有正負(fù)極之分。 喇叭：焊接8歐到16歐的普通喇叭（沒有正負(fù)極之分）。 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。 藍(lán)色LED：錄音時(shí)長(zhǎng)亮，放音是閃爍狀態(tài)。 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(shí)間完成后，才會(huì)停止。 錄音2：一直按住后一直錄音，松開馬上停止。 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(huì)一直循環(huán)播放直到松開后才會(huì)停止播放。 放音2：按下后開始播放，松開不會(huì)停止，直到聲音播放完成后，才停止，工作過(guò)程中每次按下都會(huì)重頭開始播放。在使用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)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(gè)100220uf的普通電解電容來(lái)改善，正常情況下不需要增加。芯片的位置上焊接有一個(gè)60秒的存儲(chǔ)芯片。改變這個(gè)芯片的容量可以改變錄音的聲音長(zhǎng)度。此模塊是固定的60秒錄音長(zhǎng)度。如圖3.14所示。圖3.14 錄音芯片電路圖 由于語(yǔ)音芯片不能直接與單片機(jī)輸出引腳相連，所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(diǎn)等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)有電流流過(guò)，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放從而達(dá)到導(dǎo)通斷開目的，也就是一個(gè)可以控制的開關(guān)。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(dòng)能力強(qiáng)，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(hù)作用，防止繼電器在突然斷開時(shí)產(chǎn)生的沖擊電壓損害三極管。高電平時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器分得電源電壓的大部分，達(dá)到開啟電壓繼電器閉合。低電平時(shí)三極管截止，流過(guò)繼電器的電流很小，不能閉合。三極管看成一個(gè)控制開關(guān)器件。當(dāng)通入5v電壓后，三極管導(dǎo)通，初始狀態(tài)為繼電器是吸合狀態(tài)，相應(yīng)的LED指示燈打開，同時(shí)常開開關(guān)閉合，常閉開關(guān)斷開。因?yàn)閱纹瑱C(jī)驅(qū)動(dòng)外界負(fù)載通常都采用灌電流方式以從電源灌入更多的電流來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力，而不采用直接電壓驅(qū)動(dòng)，這樣會(huì)使驅(qū)動(dòng)電流太小，帶不動(dòng)負(fù)載，所以此處采用灌電流方式來(lái)驅(qū)動(dòng)。此處選用P2.0和P2.1口驅(qū)動(dòng)兩路繼電器。在單片機(jī)發(fā)出指令后，P口出現(xiàn)高低電平。當(dāng)P口輸出高電平時(shí)，相應(yīng)的三極管基極變?yōu)?V左右，使三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器線圈不得電；當(dāng)P口輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的三極管基極變?yōu)?V左右，使三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器線圈得電帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作。當(dāng)電源接通時(shí)，綠色指示燈亮，每路繼電器工作時(shí)紅色指示燈亮，以此來(lái)顯示工作狀態(tài)。4 升降天線桿系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序由主程序、循環(huán)子程序等組成。數(shù)組uchar code table1用來(lái)存儲(chǔ)流水燈驅(qū)動(dòng)碼，uchar code CCW8用來(lái)存儲(chǔ)步進(jìn)電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)碼。然后通過(guò)查表指令在循環(huán)程序中實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)中的每一位驅(qū)動(dòng)碼，進(jìn)而通過(guò)單片機(jī)的輸出引腳去控制所接負(fù)載。主程序流程圖如圖4.1。 為了實(shí)現(xiàn)要求，按下上升按鍵后，天線桿勻速上升，同時(shí)流暢地演奏國(guó)歌；上升到最高端時(shí)自動(dòng)停止上升，國(guó)歌停奏；按下下降按鍵后，天線桿勻速下降，降天線桿的時(shí)間不放國(guó)歌，下降到最低端時(shí)自動(dòng)停止，且能在指定的位置上自動(dòng)停止；升降天線桿的時(shí)間均為43秒鐘，與國(guó)歌的演奏時(shí)間相等，同時(shí)，從桿的最下端上升到頂端；降天線桿不演奏國(guó)歌，同時(shí)，從桿的最上端下降到底端；可以避免誤動(dòng)作，天線桿在最高端時(shí)按上升鍵不起作用；在最低端時(shí)，按下降鍵不起作用；能在指定位置停止，且停止后能繼續(xù)通過(guò)按鍵控制天線桿繼續(xù)升或降。幟的升天線桿時(shí)間可實(shí)時(shí)顯示。升天線桿子程序流程圖如圖4.2所示。返回升旗步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、LED燈亮繼電器動(dòng)作、時(shí)間顯示上升到頂端降下鍵？LED燈亮下降到底端YN返回圖4.2 升降天線桿處理子程序流程圖 為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、繼電器動(dòng)作、語(yǔ)音電路工作、LED發(fā)光二極管輪流點(diǎn)亮，程序?qū)⒉捎肅語(yǔ)言編寫，先把步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)相序表和發(fā)光二極管的十六進(jìn)制值定義成數(shù)組，然后采用循環(huán)語(yǔ)句在循環(huán)中一步一步的查詢數(shù)組中的值來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、LED發(fā)光二極管輪流點(diǎn)亮，同時(shí)控制繼電器動(dòng)作，進(jìn)而控制語(yǔ)音電路播放國(guó)歌。當(dāng)需要在指定的位置上停止時(shí)，采用C語(yǔ)言的中斷函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。主程序主要實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能和控制繼電器動(dòng)作。附錄A 電路原理圖1附錄B 電路原理圖2