基于STCC单片机的国旗自动升降专业系统设计.doc

目 录1引言11.1 国旗自动升降系统中国外发展情况11.2选题目标和意义22 整体设计方案和理论分析32.1 系统装置理论分析32.2 电机选择能够有两种方案32.3 电机驱动选择方案42.4 语音部分方案选择和论证42.5 单片机选择方案52.6 LCD显示选择方案52.7 按键选择方案63 系统硬件设计73.1 STC89C52单片机及相关电路73.1.1STC89C52单片机概述73.1.2晶振电路93.1.3复位电路103.2电机驱动模块103.3步进电机控制方法113.4升降旗按键和指示灯电路设计133.5液晶显示电路133.6语音模块电路设计164 系统软件设计175 结论19致 谢20参考文件21附录一 元件清单22附录二 系统原理图和PCB23附录三 实物图25附录四 国旗自动升降控制系统源程序261引言升国旗代表了国家主权和独立象征，对于一个国家尊严和国威含有重大意义。举行升旗仪式是对每个公民进行爱国主义教育、国旗意识教育、团体意识教育关键路径；也是衡量一个公民是否心存国家观念、爱国、爱党标志；同时也能衡量公民素质。所以，升旗仪式绝对不能够了解为形式主义，而是一项十分庄重、严厉团体活动。升旗仪式应该严格根据中国国旗法要求升降国旗。不过传统形式上手动升降国旗或单纯意义上电机转动来升降，显现出了很多弊端，比如，升旗不能和国歌同时，不能靠近开关检测预防误差等。有时部分错误操作可能会出现部分尴尬局面，严重影响了庄重升旗仪式。伴随现代科技进步，自动控制系统已经逐步广泛应用，尤其是单片机应用普及，它以其极高性价比，受到大家重视和关注。单片机含有体积小、重量轻、功效强、抗干扰能力强、价格低廉、灵活性好、较易开发等优点。因为含有很多优点，单片机已经被十分广泛应用，小到电子生活用具，大到机器人、航天、医疗、工业电子设备等领域。图1 .1 国旗升降装置原理图1.1 国旗自动升降系统中国外发展情况现在像有些学校、机关单位升旗大部分还停留在人工升旗阶段，用最原始措施人为地来一步步完成,在升旗过程中不可避免会出现升降国旗和国歌演奏时间不协调,为了处理这个难题,这就需要自动化装置来完成这项工作,它把整个升降旗过程作为一个可控装置来运行，要求自动控制系统像神经系统一样，含有系统性、全方面性、正确性。中国相关技术发展为自动化控制产业升级提供了技术支持。所以研究和完善国旗升降系统很有必需。对于国外单片机自动化控制技术发展，使国旗升降愈加平稳和正确。自动控制升降旗系统关键用一个电机控制旗帜自动升降,所以系统关键功效就是控制电机运转,而国外步进电机最早是由英国人所开发。后期晶体管发明也逐步应用在步进电机上，对于数字化控制变得更为轻易，以后发展到对步进电机控制和驱动关键是采取专用芯片，结果大大缩小了驱动器体积，显著提升了升旗装置性能。现在装置则设计更为合理。1.2选题目标和意义伴随电子技术日益发展，自动控制升降旗系统也在向前发展，然而传统国旗升降存在着国歌播放和国旗上升步调不一致现象，易受环境原因影响等弊端。为了处理国旗升降中众多问题，提升升旗质量和效率，能够使用自动控制升降系统来完成国旗升、降控制，使升降旗速度和国歌演奏时间正确配合，从而避免了人为升降国旗和国歌演奏时间不协调而出现尴尬场面发生，确保了国旗升、降仪式顺利进行。而且因为实际需要，对它精度和功效要求也越来越高，这么不仅能够规范升旗过程，使升旗愈加方便愈加实用，而且能够经过不一样设置满足不一样需求。另外降低了人力资源使用，大大降低资金投入。系统最关键是控制电机转动，现在应用最多是步进电机。因为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应用范围很广泛，成为现在不可缺乏电机组件。经过单片机控制步进电机使得设计愈加简单。在技术不停进步下，越来越多保护和监控系统出现，和安全可靠性提升和对室外环境适应范围扩大，使现代升降系统总发展趋势从自动化变得愈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，提升升降系统自动化程度及运行可靠性和稳定性。单片机应用，使得很多领域和自动化得以提升，也使生产效率得到有效提升。因为电子电源集成化、模块化、智能化发展、功率集成技术已模糊了整机和器件界限。自单片机问世以来，在升旗装置上应用也日益完善，现现在自控升降集成了越来越多功效，结构愈加合理、美观、实用，越更含有开阔市场前景；步进电机出现，在结合了单片机后让自动升降国旗系统变得愈加正确和便捷。所以在升降国旗问题上，自控系统也能和之高效结合，采取单片机能够实现国旗自动升降，处理了传统升降国旗方法碰到不便，以确保升旗仪式庄重和严厉性。采取单片机为控制关键国旗自动升降系统，不仅实现了演奏国歌和升旗同时，由按键控制步进电机正反转，来操作国旗升降，采取靠近开关能够预防误触操作，和此同时LCD能够实时显示国旗位置，在国旗抵达顶部后能自动打开鼓风机对国旗吹风使其飘扬。2 整体设计方案和理论分析2.1 系统装置理论分析本文在实际应用国旗自动升降系统原理上，以STC89C52单片机为控制关键，设计了一套模拟装置，实现国旗自动升降关键功效。该控制系统由单片机STC89C52作为升降旗系统控制和检测关键，经过键盘控制、液晶显示及语音等多个部分，实现国旗自动升降。该系统关键包含电机驱动模块、键盘和显示模块、语音模块等多个部分。系统方案整体思绪是：设置上升高度为1m，按键对单片机实施命令，然后单片机对步进电机进行控制实现国旗升降动作，LCD能够显示国旗目前状态。当按下升旗按键后，电机正转，升旗LED指示灯亮，LCD显示国旗高度，语音芯片是播放国歌且升旗动作同时，当国旗升到顶部时国歌刚好演唱完成；当按下降旗按键，语言模块静音，降旗LED指示灯亮，步进电机反转，LCD显示国旗高度，国旗自动下降到底部。图2.1为本设计整体框图。图2.1 系统整体框图本问设计系统控制器采取STC企业STC89C52，因为考虑到编写繁简程度，所以在此使用C语言进行软件编写，这么能够大大提升程序编写时效率。2.2 电机选择能够有两种方案方案1：采取直流减速电机。上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才会停下来；转矩小，无抱死功效，如要求正确停在一个位置，其闭环算法复杂。方案2：采取交流电动机。交流电动机含有结构简单、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技术和成本方案3：采取步进电动机。步进电动机是纯粹数字控制电动机，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，所以很适宜单片机控制，在轻载情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，累积误差小，控制精度高。方案4：采取一般直流电机。一般直流电动机含有优良开启特征和调速性能，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，能承受频繁冲击负载，可实现频繁无级快速开启、制动和反转。这也是交流电机无法替换直流电动机原因。直流电机只要加上适宜电压就会转，所以在一些大型设备，比如轧钢机上全部采取直流电动机拖动。但它也存在着一个严重问题, 就是换向困难，还会产生火花、寿命短、结构复杂、要常常维护、价格也贵，而且维护检修不方便，转圈数难以正确控制。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，在本系统中需要正确转换速度和转换时间且启停要快速，基于上述理论上分析，本设计采取方案3步进电机控制国旗升降运动。2.3 电机驱动选择方案依据任务书要求，选择四相步进电动机，因为步进电动机是纯粹数字控制电动机，有很好控制精度，易于起停、正反转及变速。电动机驱动方法我们比较了以下多个方案：方案一：采取继电器对电动机开或关进行控制，经过控制开关切换速度实现对电机运行速度进行调整。这个电路优点是电路结构简单，其缺点是继电器响应时间长，易损环，寿命短，可靠性不是很高。方案二：采取由达林顿管组成H桥型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调开关状态，可正确调整电动机运动状态（前进，后退，左转，右转）。这种电路因为工作在管子饱和截至模式下，效率很高。H桥电路确保了能够简单实现转速和方向控制，但不能很正确控制步距和速度。方案三：采取集成驱动芯片ULN。ULN 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。用单片机控制达林顿管使之输出适宜脉冲信号，可正确调整电动机运动状态（正转、反转和停止等动作）。这种电路工作效率高，电机转动精度能够由机械设计和单片机程序来确保。因为该芯片在5V工作电压下和TTL和CMOS电路直接相连，能够确保负载电流供给，同时也降低其它驱动芯片被烧毁事故。利用该芯片是实现驱动步进电机一个简单方法, 可时控制四相电机，且输出电流可达成2A，可正确控制步距和速度，利用该方法设计步进电机驱动系统含有硬件结构简单、软件编程轻易特点。所以总而言之本设计采取方案三。2.4 语音部分方案选择和论证方案一：采取语音芯片ISD1420。该芯片采取CMOS技术,内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混肴滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM，一个最小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，结构很简单，且它音质好、功耗低，但其录放音时间短，只有8到20秒。方案二：采取语音芯片WT588D，它含有抗断电、音质好，使用方便，无须专用开发系统等优点。WTW-16P采取WT588D-20SS做为关键控制电路，WTW-16P内部包含了WT588D-20SS外围所需SPI-FLASH、震荡电路、复位电路。外部只需要接上电源、控制端和扬声器（或功放）就能正常工作。方案三：采取YF1600系列录音IC模块，它是单片机中最简单录音芯片，能够替换其它录音模块。YF1600系列录音IC是依据录音产品市场而成功开发录音IC系列产品，采取主控IC和外挂FLASH方法实现10秒780秒可擦写单段录音和掉电存放功效。因为录音采样频率高，音质好，音量大，负载能够直推进外接扬声器，而且不需要太多外围元件，成本低、便于生产、应用灵活。关键功效特点表现在同一颗主控IC中实现录音键和播放键不一样组合应用。方案四：ISD系列语音芯片是Winbond企业推出产品。该芯片采取多电平直接模拟存放专利技术，声音不需要A/D转换和压缩，模拟信号直接存放在片内闪烁存放器中，没有A/D 转换误差， 所以能够真实、自然地再现语音、音乐及效果声。避免了传统录音电路量化和压缩造成量化噪声和金属声。ISD4004系列语音芯片全部操作由微控制器控制，操作命令经过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。录音采样频率可为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0Hz，录放时间可为8min、10min、12min、16min。采样频率越低，录放时间越长，但音质则有所下降。片内信息存于闪烁存放器中，可在断电情况下保留1，反复录音10万次(经典值)。器件工作电压为3V，工作电流为1525mA，维持电流为1A。适适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。 总而言之，因为在本系统国歌演奏时间需要43秒钟，所以在此选择方案四。2.5 单片机选择方案STC89C52是STC企业生产一个低功耗、高性能CMOS8位微控制器，含有 8K 在系统可编程Flash存放器。STC89C52使用经典MCS-51内核，但做了很多改善使得芯片含有传统51单片机不含有功效。在单芯片上，拥有灵巧8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效处理方案。STC89C52含有以下标准功效： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中止，一个7向量4级中止结构（兼容传统515向量2级中止结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，许可RAM、定时器/计数器、串口、中止继续工作。掉电保护方法下，RAM内容被保留，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中止或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52参数特征：1）增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期能够任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.12）工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）3.工作频率范围：040MHz，相当于一般8051 080MHz，实际工作 频率可达48MHz4）用户应用程序空间为8K字节5）片上集成512 字节RAM6）通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可经过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片8）含有EEPROM 功效9）共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210）外部中止4 路，下降沿中止或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中止低电平触发中止方法唤醒11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12）工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）13）PDIP封装2.6 LCD显示选择方案显示器幕分为动态和静态显示。1）静态显示：显示驱动电路含有输出锁存功效，单片机将所要显示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。静态显示即使简单，但实际应用却受到限制。因为在同一时刻只显示一个字符场所是不多，大多数情况下，需要显示是不一样字符，这就要采取动态显示方法。静态显示编程轻易、管理简单、显示亮度高、显示数据稳定、占用极少CPU时间，不过引线较多，线路复杂，有时占用太多IO口，硬件成本较高。2）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CPU时间多，但使用硬件少，能节省线路板空间。方案一：采取LED数码管显示旗帜所在高度和升降旗所用时间。在本系统中需要用到6只LED数码管进行动态显示才能够达成要求。采取LED优点是亮度高，醒目，价格廉价，寿命长；缺点是只能显示09数字和部分简单字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。方案二：用LCD（RT1602C）液晶显示，其优点是能显示更多字符，工作电流比LED小多个数量级，故其功耗低，且有着良好人机界面，体积小，功耗极低。基于上述考虑，这两种显示方法各有利弊，静态显示即使数据稳定，占用极少CPU时间，但每个显示单元全部需要单独显示驱动电路，使用硬件较多。动态显示即使有闪烁感，占用CPU时间多，但使用硬件少，能节省线路板空间。本设计选择方案二。2.7 按键选择方案在单片机应用系统中为了控制系统工作状态，和向系统输入数据，系统应设有按键或键盘，以实现简单人机对话。通常按键开关为弹性机械开关，因为机械触点弹性作用，一个按键开关在闭合时并不会立即稳定地闭合，在断开时也不会立即断开，所以机械开关在闭合及断开瞬间均伴随有一连串抖动。抖动时间长短由按键开关机械特征及按键人为原因决定，通常为5ms20ms时间，按键式抖动图2.2所表示。按键抖动假如处理不妥会引发一次按键被误处理数次，为了确保CPU对键一次闭合仅作一次处理，则必需消除按键抖动。在键闭合稳定时取键状态，通常是判定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。此处采取软件方法。消除键抖动软件方法是当检测出键闭合后实施一个延时程序，产生5ms20ms延时，待前沿抖动消失后再次检测键状态，假如键仍保持闭合状态则可确定为有按键按下。当检测到按键释放并实施延时程序，待后沿抖动消失后才转入该按键处理程序。按键通常是一个常开型按键开关，平时键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。而键盘是一组按键集合，从键盘结构来看，独立式键盘每个按键单独占用一个I/O接线口，每个I/O口工作状态互不影响，这类键盘采取端口直接扫描方法。缺点为按键多时将占用I/O口数目较多，优点为电路设计简单，且编程相对方便。因电路需要键盘较少，采取独立式键盘。图2.2 按键时抖动3 系统硬件设计本系统由单片机STC89C52作为升降旗系统控制关键，实现键盘控制、液晶显示、语音和无线遥控等多个部分，即该系统关键包含电机驱动模块、LED指示灯、键盘和显示模块、语音模块及无线遥控电路模块等多个部分。现分别对各模块进行分析。3.1 STC89C52单片机及相关电路3.1.1STC89C52单片机概述51系列单片机最初是由Intel 企业开发设计，但以后Intel 企业把51 核设计方案卖给了几家大电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大企业。所以市面上出现了各式各样均以51 为内核单片机。这些各大电子生产商推出单片机全部兼容51 指令、并在51 基础上扩展部分功效而内部结构是和51一致。STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中止源，2个优先级，2个16位定时/计数器。STC89C52存放器系统由4K程序存放器(掩膜ROM)，和128B数据存放器(RAM)组成。STC89C52单片机基础组成框图见图3-1。图3-1 STC89C52单片机结构图 1）一个8 位微处理器(CPU)。2）片内数据存放器RAM(128B)，用以存放能够读写数据，如运算中间结果、最终止果和欲显示数据等，SST89 系列单片机最多提供1K RAM。3）片内程序存放器ROM(4KB)，用以存放程序、部分原始数据和表格。但也有部分单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。现在单片机发展趋势是将RAM 和ROM 全部集成在单片机里面，这么既方便了用户进行设计又提升了系统抗干扰性。SST 企业推出89 系列单片机分别集成了16K、32K、64K Flash 存放器，可供用户依据需要选择。4）四个8 位并行IO 接口P0P3，每个口既能够用作输入，也能够用作输出。5）两个定时器计数器，每个定时器计数器全部能够设置成计数方法，用以对外部事件进行计数，也能够设置成定时方法，并能够依据计数或定时结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，现在52 系列单片机全部会提供3 个16 位定时器/计数器。6）五个中止源中止控制系统。现在新推出单片机全部不只5 个中止源，比如SST89E58RD 就有9 个中止源。7） 一个全双工UART(通用异步接收发送器)串行IO 口，用于实现单片机之间或单机和微机之间串行通信。8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高许可振荡频率为12MHz。SST89V58RD 最高许可振荡频率达40MHz，所以大大提升了指令实施速度。图3-2 STC89C52单片机管脚图部分引脚说明：1）时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2：XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容一端；片内它是振荡电路反相放大器输出端，振荡电路频率就是晶体固有频率。若需采取外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。要检验振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2 端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容另一端；在片内它是振荡电路反相放大器输入端。在采取外部时钟时，该引脚必需接地。2）控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EA：RST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平要求值时，将5V 电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)高电平时，就能够完成复位操作。RST 引脚第二功效是VPD,即接入RST 端，为RAM 提供备用电源，以确保留放在RAM 中信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。ALE/PROG(30 脚)：地址锁存许可信号端。当8051 上电正常工作后，ALE 引脚不停向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC 1/6。CPU 访问片外存放器时，ALE 输出信号作为锁存低8 位地址控制信号。平时不访问片外存放器时，ALE 端也以振荡频率1/6 固定输出正脉冲，所以ALE 信号能够用作对外输出时钟或定时信号。假如想确定8051/8031 芯片好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出，则8051/8031 基础上是好。ALE 端负载驱动能力为8 个LS 型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。此引脚第二功效PROG 在对片内带有4KB EPROM 8751 编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。PSEN(29 脚)：程序存放许可输出信号端。在访问片外程序存放器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存放器选通信号。此引肢接EPROM OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN 端有效，即许可读出EPROMROM 中指令码。PSEN 端一样可驱动8 个LS 型TTL 负载。要检验一个8051/8031 小系统上电后CPU 能否正常到EPROMROM 中读取指令码，也可用示波器看PSEN 端有没有脉冲输出。如有则说明基础上工作正常。EA/Vpp(31 脚)：外部程序存放器地址许可输入端/固化编程电压输入端。当EA 引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并实施内部程序存放器中指令，但当PC(程序计数器)值超出0FFFH(对8751/8051 为4K)时，将自动转去实施片外程序存放器内程序。当输入信号EA 引脚接低电平(接地)时，CPU 只访问外部EPROM/ROM 并实施外部程序存放器中指令，而不管是否有片内程序存放器。对于无片内ROM 8031 或8032,需外扩EPROM，此时必需将EA 引脚接地。此引脚第二功效是Vpp 是对8751 片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压(通常12V21V)输入端。3）输入/输出端口P0/P1/P2/P3：P0口(P0.0P0.7，3932 脚)：P0口是一个漏极开路8 位准双向I/O口。作为漏极开路输出端口，每位能驱动8 个LS 型TTL 负载。当P0 口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0 口全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1,这就是准双向口含义。在CPU 访问片外存放器时，P0口分时提供低8 位地址和8 位数据复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。P1口(P1.0P1.7，18 脚)：P1口是一个带内部上拉电阻8 位准双向I/O口。P1口每位能驱动4 个LS 型TTL 负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2口(P2.0P2.7，2128 脚)：P2口是一个带内部上拉电阻8 位准双向I/O口。P口每位能驱动4个LS 型TTL 负载。在访问片外EPROM/RAM 时，它输出高8 位地址。P3口(P3.0P3.7，1017 脚)：P3口是一个带内部上拉电阻8 位准双向I/O口。P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口和其它I/O 端口有很大区分，它每个引脚全部有第二功效，以下：P3.0：(RXD)串行数据接收。P3.1：(RXD)串行数据发送。P3.2：(INT0#)外部中止0输入。P3.3：(INT1#)外部中止1输入。P3.4：(T0)定时/计数器0外部计数输入。P3.5：(T1)定时/计数器1外部计数输入。P3.6：(WR#)外部数据存放器写选通。P3.7：(RD#)外部数据存放器读选通。3.1.2晶振电路电路中晶振即石英晶体震荡器。因为石英晶体震荡器含有很好频率稳定性和抗外界干扰能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率。经过基准频率来控制电路中频率正确性。同时，它还能够产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图3-3是单片机晶振电路。片内电路和片外器件就组成一个时钟产生电路，CPU全部操作均在时钟脉冲同时下进行。片内振荡器振荡频率很靠近晶振频率，通常多在1.2MHz24MHz之间选择。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF之间选择，经典值为30pF。本电路选择电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期1/12s； 机器周期Sm=1s 指令周期T14sXTAL1接外部晶体一个引脚，XTAL2接外晶体另一端。在单片机内部，接至上述振荡器反相放大器输出端。采取外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。通常情况下，不管是机械振动振幅，还是交变电场振幅全部很小。不过，当交变电场频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右正弦波，方便使MCS-51片内OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，经典值为12MHz或11.0592MHz。电容C1和C2能够帮助起振，经典值为30pF，调整它们能够达成微调fOSC目标。图3-3 单片机晶振电路图3.1.3复位电路在上电或复位过程中控制CPU复位状态，这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完成就工作，预防CPU发犯错误指令，实施错误操作，也能够提升电磁兼容性能。不管使用哪种类型单片机,总要包含到单片机复位电路设计。而单片机复位电路设计好坏,直接影响到整个系统工作可靠性。很多用户在设计完单片机系统,并在试验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这关键是单片机复位电路设计不可靠引发。复位后，PC内容初始化为0000H,是单片机从0000H单元开始实施程序。单片机复位后不影响内部RAM状态。89C52单片机复位信号输入端是RESET引脚，高电平有效。其有效时间连续24个时钟周期以上。单片机RESET端得外部复位电路有两种操作方法：上电自动复位和按键手动复位。上电自动复位是利用电容储电来实现，图3-4所表示。上电瞬间，RC电路充电，RESET端出现正脉冲，伴随充电电流降低，RESET电位逐步下降。按键手动复位用电平方法。按键电平复位是相当于RESET经过电阻接高电平。按键为S1。图3-4 复位电路图3.2电机驱动模块假如给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出脉冲频率，就能够对步进电机进行调速。 步进电机步数及速度确实定方法以下：要想使步进电机按一定速度正确地抵达指定位置（角度或位移），步进电机步数N和延时时间DALAYA是两个关键参数。前者用来控制步进电机精度，后者用来控制其步进速率。步进电机步数确实定：本设计采取步进电机步距角为1.80，即电机转动一周实际“走”步数设为N， N=360/1.8=200 （式3-1）实际测量得，绕线轴周长C为4cm。确定电机要转动实际里程Scm后，步进电机要“走”实际步数，设为NSJ, NSJ=(S/C)200 （式3-2）附：转子齿数设为Zr，由步距角 =3600/（MZrC） （式3-3）C状态系数，G转子齿数，M相数 Zr=3600/（MC）=3600/（1.8021）=100 （式3-4）步进电机实际要“走”步数，即为接收到来自控制模块脉冲数。 升降国旗所需脉冲数：升国旗一秒所走距离： SQ=H/T=180/43=4.186cm/s （式3-5）H旗杆高度，T国歌时间1.80所走旅程：L =（C-1.80）/3600 =0.02cm/s升国旗一秒所需脉冲数：N= SQ/L=4.186/0.02=205 个ULN 每一对达林顿全部串联一个2.7K 基极电阻,在5V 工作电压下它能和TTL 和CMOS 电路直接相连，能够直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理数据。ULN 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，而且能够在关态时承受50V 电压，输出还能够在高负载电流并行运行。ULN 采取DIP16 或SOP16 塑料封装。因为在本设计中我们使用是四相步进电机，所以ULN完全符合要求。其电路原理图图3-5所表示。图3-5 电机驱动电路3.3步进电机控制方法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方向转动一个固定角度，即步进角。经过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达成正确定位目标；同时经过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而达成调速目标。对于步进电机有以下特点： 步进电机力矩会随转速升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它作用下，电机相电流随频率或速度增大而减小，从而造成力矩下降。 步进电机低速时能够正常运转,但若高于一定速度就无法开启,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数叫空载开启频率，即步进电机在空载情况下能够正常开启脉冲频率，假如脉冲频率高于该值，电机不能正常开启，可能发生丢步或堵转。在有负载情况下，开启频率应更低。假如要使电机达成高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即开启频率较低，然后按一定加速度升到所期望高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电机保持转矩是指通电但没有转动时，定子锁住转子力矩。它是步进电机最关键参数之一，通常步进电机在低速时力矩靠近保持转矩。因为步进电机输出力矩随速度增大而不停衰减，输出功率也随速度增大而改变，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最关键参数之一。 步进电机必需加驱动才能够运转，驱动信号必需为脉冲信号，没有脉冲时候，步进电机静止，假如加入合适脉冲信号，就会以一定角度（称为步角）转动。转动速度和脉冲频率成正比。 步进电机含有瞬间开启和急速停止优越特征。 改变脉冲次序，能够方便改变转动方向。所以，现在打印机，绘图仪，机器人等设备全部以步进电机为动力关键。只要对步进电机各相绕组按适宜时序通电，就能使步进电机步进转动。四相步进电机工作原理图3-6所表示。图3-6 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，边上是定子绕组。当定子一个绕组通电时，将产生一个方向电磁场，假如这个磁场方向和转子磁场方向不在同一条直线上，那么定子和转子磁场将产生一个扭力将定子扭转。依次改变绕组磁场，就能够使步进电机正转或反转(比如通电次序为A-B-C-D正转，反之则反转)。而改变磁场切换时间间隔，就能够控制步进电机速度了，这就是步进电机驱动原理。四相步进电机根据通电次序不一样，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方法。单四拍转动力矩小。八拍工作方法步距角是单四拍和双四拍二分之一，所以，八拍工作方法既能够保持较高转动力矩又能够提升控制精度。单四拍、双四拍和八拍工作电源通电时序和波形分别图3-7所表示。 单四拍 双四拍 八拍图3-7 步进电机工作方法此处采取步进电机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停控制脉冲时，它能够连续不停地转动。每一个脉冲信号对应步进电机某一相或两相绕组通电状态改变一次，也就对应转子转过一定角度（一个步距角）。当通电状态改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机能够在不一样通电方法下运行，常见通电方法有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。28BYJ48型电机是4相5线步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：64，步进角为5.625/64 度。假如需要转动1圈，也就是旗杆滑轮周长，则需要360/5.625*64=4096个脉冲信号，依据旗杆高度和滑轮周长之间百分比关系即可算出升旗所需要全部脉冲。升旗时间是43秒，用43除以脉冲个数即可算出控制速度。3.4升降旗按键和指示灯电路设计在本设计中使用了2个按键分别控制国旗升降，相对应有两个升降旗指示灯。当按下升旗按键时，红色LED灯亮，当按下降旗按键时，绿色LED指示灯亮。图3-8和图3-10889为按键和LED指示灯电路。图3-10 按键电路图3-9 指示灯设计3.5液晶显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧很多优点，在多种小系统中得到了更广泛应用。本设计中使用液晶显示模块是LCD1602。图3-10所表示为本设计LCD1602连接图。图3-10 LCD1602连接图LCD1602是一个用5x7点阵图形来显示字符液晶显示器模块，它显示容量为2行16个字。其实物图3-11和图3-12所表示，它显示内容丰富、体积小、美观和易于控制全部是本设计选择作为显示模块原因。图3-11 LCD1602正面图图3-12 LCD1602反面图工作原理：线段显示点阵图形式液晶由 M 行N 列个显示单元组成，假设 LCD 显示器有64行，每行有 128列，每 8列对应 1 个字节 8 个位，即每行由 16 字节，共 168=128个点组成，屏上 6416 个显示单元和显示 RAM 区 1024 个字节相对应，每一字节内容和屏上对应位置亮暗对应。比如屏第一行亮暗由 RAM 区 000H00FH 16 个字节内容决定，当（000）=FFH 时，则屏左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH=FFH 时，则屏右下角显示一短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H