【正文】 個過程， LCD 液晶顯示屏先是國旗的高度，并將其寫入 E2PROM，進行記憶。然后判斷 國旗 的升降模式 ，正常情況下，按下上升鍵，國旗上升，國歌播放，液晶顯示高度，并不斷將高度寫入 E2PROM。至最高點，國旗、國歌都自動停止 ； 按下降鍵，國旗下降，語音模塊不工作， LCD 顯示實時高 度，并不斷將高度送入 E2PROM。至最低點 ， 降旗停止。國旗處在半旗模式下時，國旗勻速上升，同時播放國歌，顯示實時高度，并將其計入 E2PROM，至最高點， 國歌停止，國旗開始勻速下降，到達 2/3 處自動停止。 該電路因為 PIC單片機具有 E2PROM，結(jié)構(gòu)簡化，且單片機采用的是 RISC指令集，速度快，步進電機因為采用雙橋結(jié)構(gòu)，完全通過程序控制，所以精度高 ，同時語音模塊采用的是語音芯片播放錄到的國歌，是聲音更清晰流暢。 但是采用 E2PROM 記錄高度，會出現(xiàn)系統(tǒng)延時，造成顯示誤差太大，同時手動控制按鍵，不能實現(xiàn)遠程的控制 。同時語音芯片太貴，耗價高。 總 方案的 選擇 此次設計要求制作一個自動控制升降旗系統(tǒng) ， 要求設計 速度和高度可調(diào)， LCD 液晶顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)無線升降及停止等。 我們將上述幾個方案進行 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 7 頁 共 54 頁 比較如下 ： 對于采用 STC89C52 單片機的 方案 ，由于采用的是四相八拍的步進電機，所以步進電機不僅能夠?qū)崿F(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，而且相比二相電機來說更加的精確， 速度的調(diào)節(jié)就能夠?qū)崿F(xiàn)高度的自主設定，同時語音模塊采用三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，不僅耗價更小，電路簡單，也易于制作，更方便調(diào)試。同時還設無線模塊 設計的方案來說 ，能夠控制升降及停止，基本達到 設計的要求，該方案可行。 對于 采用數(shù)字電路設計的方案 ，雖然用按鍵控制能夠?qū)崿F(xiàn)電機的驅(qū)動，但是，線路比較復雜， 控制過程中會產(chǎn)生延時，使電機產(chǎn)生抖動，造成升降過程中的不穩(wěn)定，同時，線路采用的是開關(guān)控制，沒有無線模塊，不能實現(xiàn)無線升降，同時耗價較高，所以方案不可取。 對于采用 PIC16F877A 單片機設計方案， PIC 單片機雖然具有 E2PROM，可以實時的記錄瞬間的高度值，但是，這會造成顯示高度與實際高度的誤差，是現(xiàn)實不精準，而語音模塊采用語音芯片對錄制國歌的播放，能夠起到流暢的效果逼真的效果，但是語音芯片對聲音的 錄制會根據(jù)型號的不同，他們的錄制的時間和效果就不同，同時錄制過程比較復雜，且環(huán)境和 電路也會產(chǎn)生影響使效果下降。同時語音芯片較昂貴，所以該方案不可取。 綜上考慮，我們選擇采用 STC89C52 單片機設計自動控制升降旗系統(tǒng)。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 8 頁 共 54 頁 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 54 頁 2 系統(tǒng)硬件的 設計 該系統(tǒng)的硬件主要由 5V 電源 ，單片機最小系統(tǒng)，電機驅(qū)動電路，步進電機， LCD1602 液晶顯示電路，語音播放電路，被控的旗幟，測試用的旗桿，掛鉤，細繩等組成。下面是主要單元的電路設計。 單片機最小系統(tǒng)的設計 單片機最小系 統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。 此設計采用的單片機是 STC89C51RC 芯片，最小系統(tǒng)治一般應該包括：單片機、五伏電源、 晶振電路， 下面進行詳細的設計。 STC89C52R E S E TX T A L 1X T A L 2G N DV C C+ 5 v+ 5 v4 091 9183 0 p fC 13 0 p fC 2C 3 圖 單片機最小系統(tǒng)設計圖 晶振電路的設計 單片機的定時控制 功能是由片內(nèi)的時鐘電路和定時電路來完成的，而片內(nèi)的時鐘信號有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。采用內(nèi)部時鐘時，片內(nèi)的高增益反相放大器通過 XTAL XTAL2外接 晶體振蕩器 作為反饋元件 ，然后通過晶體振蕩器，兩邊各接一個瓷片電容，瓷片電容出來后接地。晶 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 10 頁 共 54 頁 振與電容組成的是一個 并聯(lián)諧振回路， 由此 構(gòu)成的一個自己振蕩器向內(nèi)部時鐘電路提供震蕩時鐘。 這個時鐘提供給單片機，使單片機工作。 晶振 一般采用的是石英晶體振蕩器，這種晶體振蕩器因頻率穩(wěn)定度高而廣泛被采用。 頻率 有好多， 一般 51 單片機采用的晶振頻率 為 或， 而 電容一般采用瓷片電容， 他 具有微調(diào)的作用，通常取值在 30pF左右。單片機晶振電路 在單片機最小系統(tǒng) 設計圖 如 圖 所示。 復位電路設計 單片機在啟動運行時都需 要復位，復位使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的工作狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 在系統(tǒng)中，有時 也 會出現(xiàn)顯示不正常，也為了調(diào)試方便，需要設計一個復位電路 ， 復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復位信號 ， 直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后 ， 撤銷復位信號 。圖 1 為基本 RC 復位電路 ，其 電路為高電平復位有效 ， SW1 為手動復位開關(guān) ，可以實現(xiàn)上述基本功能 。 單片機復位電路 在單片機最小系統(tǒng) 設計圖 如 圖 所示。 電機驅(qū)動模塊的設計 此電機驅(qū)動模塊采用的是電機專用驅(qū)動芯片 ULN2020 驅(qū)動四相步進電機 28BYJ 來實現(xiàn)。 要完成此模塊的 設計，首先， 我們先來了解一下 ULN2020驅(qū)動芯片和 28BYJ48 步進電機 . 28BYJ48步進電機 熟悉了 驅(qū)動芯片 ULN2020 外，還必須要對所用的步進電機 28BYJ－ 48熟悉。 28BYJ48 步進電機 的外觀圖如 圖 所示。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 11 頁 共 54 頁 圖 28BYJ48 步進電機 外觀 圖 步進電機是一種將電脈沖 轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，也就是說， 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（及步進角）。 28BYJ 步進 電機 通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到 準確定位的目的；同時 還 可以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。 步進電機主要由以下特性： (1)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。 (2)黑金剛配套的是 28BYJ48 5V 驅(qū)動的 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 。如果需要轉(zhuǎn)動 1 圈，那么需要 360/*64=4096 個脈 沖信號。 (3)步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 12 頁 共 54 頁 (4)改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。 步進電機 28BYJ48 型四相八拍電機，電壓為 DC5V— DC12V，步距角度為,減速比是 1： 時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖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（ ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB。），八拍（ AABBBCCCDDDAA。） 該步進電機有 5 色外接引線，分別是紅、橙、黃、粉、藍。紅線接 +5V電源，橙、黃、粉、藍 四線為輸入口。 由于單片機接口的信號不夠大，需要通過 ULN2020 芯片放大后才能連接到電機的接口。 電機四 色線的 電平 輸出 變化 如 表 所示。 表 電機四色線的電平變化圖 步序 橙 黃 粉 藍 十六進制（ P2口） 1 1 0 0 0 0x08 2 1 1 0 0 0x0c 3 0 1 0 0 0x04 4 0 1 1 0 0x06 5 0 0 1 0 0x02 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 13 頁 共 54 頁 6 0 0 1 1 0x03 7 0 0 0 1 0x01 8 1 0 0 1 0x09 ULN2020芯片 ULN2020芯片 美國 Texas Instruments 公司和 Sprague公司開發(fā)的高壓大電流達林頓晶體管陣列 產(chǎn)品。功率驅(qū)動電路是功率電子設備輸出電路的一個重要作組成部分，這種電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動各種類型的負載。 ULN2020 驅(qū)動芯片的輸入回路 電阻 ，適用電壓是5V 的 TTL 電平，驅(qū)動灌輸電流是 500mA。 1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CC O M 圖 ULN2020 芯片內(nèi)部連接圖 ULN2020A 由 7 組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網(wǎng)絡以及鉗位二極管網(wǎng)絡構(gòu)成 ,具有同時驅(qū)動 7 組負載的能力 ,為單片雙極型大功率高速集成電路 。該芯片的內(nèi)部電路連接圖如圖 示 .芯片因為具有電流增益高，帶負載能力強，溫度范圍廣，工作電壓高等特點，廣泛應用于伺服電機，步進電機，電磁閥和可控照明燈等領域。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 14 頁 共 54 頁 所以，根據(jù) ULN2020 和步進電機 28BYJ48 工作原理，采用單片機的、 、 、 四個口作為電機的驅(qū)動控制口，分別連接 ULN2020芯片的管腳 4。經(jīng)過芯片的處理放大，經(jīng)管腳 1 1 1 16 輸出加到電機的橙、黃、粉、藍四色線上，得到的電機驅(qū)動模塊的設計如圖 所示。 P 2 . 4P 2 . 5P 2 . 6P 2 . 71 B11 C1 62 B22 C1 53 B33 C1 44 B44 C1 35 B55 C1 26 B66 C1 17 B77 C1 0C O M9U 1ULN2003AM 1M O T O R B L D C M+ 5 V+ 5 V 圖 步進電機驅(qū)動設計圖 驅(qū)動電機的具體的功能設計是與開關(guān)實現(xiàn)的，在 P3口設置三個開關(guān) K1，k2, 控制電機與語音播放的開始，電機開始設置默認為電機的正傳，k1 接通電機 正轉(zhuǎn)，同時國歌開始播放，當上升到最大值時，電機停止轉(zhuǎn)動，國歌結(jié)束。當小旗下降時，打開 k2,關(guān)閉 k1,電機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，小旗下降，打開開關(guān) k3,電機迅速停止，實現(xiàn)小旗停止功能。 語音模塊 的設計思想是利用單片機的 軟件 編程 控制 揚聲器 播放國歌語音代碼實現(xiàn)的，由于 設計中采用的是三極管驅(qū)動 8Ω / 的 揚聲器 發(fā)聲，需要的功率過大， 而 普通的三極管不能承受 很高的電流 ， 容易在電路中燒壞；如果在電路中 接 入 限流電阻，又不能 滿足 驅(qū)動揚聲器 的條件，或者揚聲器聲音過小，都不能達到設計的要求。為了解決這個問題，在 設計 采用 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 15 頁 共 54 頁 大功率的 MOS 管 TIP122 實現(xiàn) 。 TIP122 芯片的引腳如圖 所示。 412P I N 1 . 基 極 2 . 集 電 極 3 . 發(fā) 射 極 4 . 集 電 極 圖 TIP122 芯片引腳圖 ECBR 2R 1 圖 三極管 TIP122 的內(nèi)部圖 表 三極管 TIP122 的電參數(shù)表 符號 參數(shù) 極性 數(shù)值 單位 NPN TIP120 TIP121 TIP122 PNP TIP125 TIP124 TIP125 VCBO 集電極 基極電壓（ IE=0） 60 80 100 V VCEO 集電極 發(fā)射極電壓（ IB=0） 60 80 100 V 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 16 頁 共 54 頁 VEBO 發(fā)射極 基極電壓（ IC=0） 5 V IC 集電極電流 5 A ICM 集電極峰值電流 8 A IB 基極電流 A Ptot 耗散功率 Tcase≤25℃ 65 W Tamb≤25℃ 2 W Tstg 貯藏溫度 60～ 150 ℃ Tj 最高工作結(jié)溫 150 ℃ hFE 放大倍數(shù) 100 圖 TIP1122的內(nèi)部連接圖，其中 R1=5千歐， R2=150歐。由圖可以看 出，這是一個集成的放大型 NPN 管，它是由兩個 NPN 型普通三極管經(jīng)過二級放大形成的，使得穩(wěn)定系數(shù)更高，且放到倍數(shù)也加倍，各方面參數(shù)都有所提高具體的電參數(shù)如表 所示。 為了達到同時的目的，起初設計的是在同一單片機上實現(xiàn)升降與國歌播放，但是在