天线杆自动升降控制系统设计说明书

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1、26天线杆自动升降控制系统设计说明1 引言随着科技的发展，许多设备都趋向自动化，而天线杆升降也在向自动化方向发展。为了实现这一功能，本系统采用单片机作为主要控制单元，以步进电机作为升天线杆的动力，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天线杆和降天线杆动作。该系统可实现以下功能： 按下上升按键后，天线杆匀速上升，在杆的最高端自动停止；按下下降按键后，天线杆下降，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。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、停止键等。 升天

2、线杆时间为43秒，同时从杆的最下端上升到顶端。可以避免误动作，天线杆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。1.1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

3、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，目前升天线杆装置正日渐完善和发展。首先自动控制升降天线杆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天线杆的控制变得更加精确和方便。1.2目的和意义随着电子技术日益发展，天线杆自动升降控制系统也在向前发展，然而传统的天线杆升降存在着国歌的播放与天线杆上升步调不一致现象，易受环境因素影响等弊端。为了解决天线杆升降中的众多问题，提高升天

4、线杆的质量和效率，可以使用自动控制升降系统来完成天线杆的升、降控制，使升降天线杆速度与国歌演奏时间准确配合，从而避免了人为升降天线杆与国歌演奏时间不协调而出现的尴尬场面发生，保证了天线杆升、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天线杆过程，使升天线杆更加方便更加实用，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

5、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 升降天线杆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天线杆功能。2.1 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，

6、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

7、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2.2 总

8、体电路框图设计根据设计要求，该系统以单片机为核心，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，带动帜上升。继电器1常开触头闭合，接通语音电路，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，按下上升键帜

9、也不再上升；当按下下降按键时驱动电机反转带动帜下降，同时继电器1不动作，语音电路不工作，降天线杆语音不再播放。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，直到降天线杆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。单片机 复位电路语音电路继电器电路 振荡电路升降驱动电机键盘输入LED显示图2.2 总体电路框图3 系统各主要单元设计系统的功能是实现天线杆的升降等功能，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天线杆的升和降，和语音电路、继电器电路相连接来实现升天线杆。同时键盘电路和显示电路相连接来完成升天线杆时间

10、信息的显示。为了让升天线杆和降天线杆的过程更加逼真，设计将采用8位绿色LED发光二级管排成一排来指示升天线杆和降天线杆的状态，升天线杆时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，帜正在上升；相反，降天线杆时8位发光二极管从上到下依次点亮，表示电机正在反转，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

11、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MC

12、S51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

13、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

14、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

15、，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域，单片机都发挥着十分重要的作用。3.1.3 单片机特点及结构本系统采用单片机，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。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，从内部结构图也可看出，其引脚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.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（

16、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

17、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)P

18、3.4TO(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)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)

19、 P3.5(WR) P3.6(RD)P3.7XTAL1XTAL2GND图3.1 引脚结构图此外，从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，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

20、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：的上电复

21、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

22、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

23、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步进电机的特点当步进驱动器接收到一个脉冲信号，

24、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，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

25、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，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

26、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。3.2.2 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A-B-C-D正转，

27、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

28、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（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，也就是杆滑轮的周长，则需要360/5.625*64=4096个脉冲信号，根据杆的高度和滑轮周长之间比例关系即可算出升天线杆所需要的全部脉冲。升天线杆的时间是43秒，用43除以

29、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。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

30、、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芯片接线如图3.6所示。图3.6 ULN2003芯片接线图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： CP

31、U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12：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。1B11C162B22C153B33C14

32、4B44C135B55C126B66C117B77C10COM9ULN200312345VCCGNDP1.08P1.1P1.2P1.3M4M3M2M1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=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09; /逆时钟旋转相序表。uchar c

33、ode CW8=0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08; /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）10000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x093.4 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

34、作电压低，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，需外加限流电阻。3.4.1

35、 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

36、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

37、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 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

38、 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。由于升天线杆的时间是43秒，所以显示的内容为：升天线杆开始时数码管从43S开始倒计时，直到升天线杆完成时数码管显示的内容变为0，以反映升天线杆的过程。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

39、程如图3.9所示。计数脉冲显示器冲计数器冲图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的升天线杆显示功能。计数模块的设计如图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，

40、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天线杆时的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DN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。 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

41、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

42、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 。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

43、接线如图3.12所示。图3.13 显示部分电路图显示电路总体工作过程如下： 电路运行时，若按下手动复位键，则JK触发器的Q端翻转为0，此时计数器的PL端（置数端低电平有效）即为0状态，计数器处于置数状态。 当电路处于复位状态时，按下手动开始键，则JK触发器A的Q端翻转为1，则计数器的PL端为1，此时计数器在计数脉冲的作用下开始工作。 从NE555芯片的3管输出的计数脉冲，在这根线谁上接入一个开关，就可以作为暂停开关，断开开关，计数器就会暂停工作。 计数器输出从0跃变到99时，JK触发器B的CLK端，会产生一个1到O的下降沿，则其Q端翻转为1，此时的计数器MR端（清零端，高电平有效）保持1状态，

44、计数器保持0状态，直到按下手动复位键，计数器重新回归到43。3.5 语音电路及继电器电路设计语音电路将采用YF1600芯片来完成放音功能。它的录音采样频率固定为12KHz。当录音时LED指示灯长亮，同时伴随录音提示音；当播放声音时LED跟随声音以4Hz频率闪烁，表示芯片正在处于放音状态。各部分引脚接线如下： MIC： 焊接咪头，有正负极之分。 喇叭：焊接8欧到16欧的普通喇叭（没有正负极之分）。 电源：连接2.4-5.5V之间的电源。此处选用5V电压作为工作电压。 蓝色LED：录音时长亮，放音是闪烁状态。 录音1：按下按键（触发），开始录音，直到再次按下或者录音时间完成后，才会停止。 录音2：

45、一直按住后一直录音，松开马上停止。 放音1：按住后一直播放声音，松开马上停止，如果不松开，则会一直循环播放直到松开后才会停止播放。 放音2：按下后开始播放，松开不会停止，直到声音播放完成后，才停止，工作过程中每次按下都会重头开始播放。在使用过程中应当注意电源质量，如果使用的电源不是很理想，则可以增加一个100220uf的普通电解电容来改善，正常情况下不需要增加。芯片的位置上焊接有一个60秒的存储芯片。改变这个芯片的容量可以改变录音的声音长度。此模块是固定的60秒录音长度。如图3.14所示。图3.14 录音芯片电路图 由于语音芯片不能直接与单片机输出引脚相连，所以将采用继电器作为他们之间的桥梁。

46、电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会有电流流过，从而产生电磁效应，衔铁就在电磁力吸引的作用下克服反弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放从而达到导通断开目的，也就是一个可以控制的开关。两路继电器控制电路如图3.15所示。 图3.15 两路继电器电路三极管选用8550三极管，驱动能力强，基极电阻为1K欧，电源工作电压为5V。图中二极管VD1和VD2起到保护作用，防止继电器在突然断开时产生

47、的冲击电压损害三极管。高电平时三极管导通，继电器分得电源电压的大部分，达到开启电压继电器闭合。低电平时三极管截止，流过继电器的电流很小，不能闭合。三极管看成一个控制开关器件。当通入5v电压后，三极管导通，初始状态为继电器是吸合状态，相应的LED指示灯打开，同时常开开关闭合，常闭开关断开。因为单片机驱动外界负载通常都采用灌电流方式以从电源灌入更多的电流来增加驱动能力，而不采用直接电压驱动，这样会使驱动电流太小，带不动负载，所以此处采用灌电流方式来驱动。此处选用P2.0和P2.1口驱动两路继电器。在单片机发出指令后，P口出现高低电平。当P口输出高电平时，相应的三极管基极变为0V左右，使三极管处于截

48、止状态，继电器线圈不得电；当P口输出低电平时，相应的三极管基极变为5V左右，使三极管处于导通状态，继电器线圈得电带动触点动作。当电源接通时，绿色指示灯亮，每路继电器工作时红色指示灯亮，以此来显示工作状态。4 升降天线杆系统软件设计程序由主程序、循环子程序等组成。数组uchar code table1用来存储流水灯驱动码，uchar code CCW8用来存储步进电机脉冲驱动码。然后通过查表指令在循环程序中实现读取数据中的每一位驱动码，进而通过单片机的输出引脚去控制所接负载。主程序流程图如图4.1。 为了实现要求，按下上升按键后，天线杆匀速上升，同时流畅地演奏国歌；上升到最高端时自动停止上升，国

49、歌停奏；按下下降按键后，天线杆匀速下降，降天线杆的时间不放国歌，下降到最低端时自动停止，且能在指定的位置上自动停止；升降天线杆的时间均为43秒钟，与国歌的演奏时间相等，同时，从杆的最下端上升到顶端；降天线杆不演奏国歌，同时，从杆的最上端下降到底端；可以避免误动作，天线杆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；能在指定位置停止，且停止后能继续通过按键控制天线杆继续升或降。帜的升天线杆时间可实时显示。升天线杆子程序流程图如图4.2所示。返回升旗步进电机正转、LED灯亮继电器动作、时间显示上升到顶端降下键？LED灯亮下降到底端YN返回图4.2 升降天线杆处理子程序流程图 为了实现步进电机的正反转、继电器动作、语音电路工作、LED发光二极管轮流点亮，程序将采用C语言编写，先把步进电机的正反转相序表和发光二极管的十六进制值定义成数组，然后采用循环语句在循环中一步一步的查询数组中的值来驱动电机转动、LED发光二极管轮流点亮，同时控制继电器动作，进而控制语音电路播放国歌。当需要在指定的位置上停止时，采用C语言的中断函数即可实现。主程序主要实现延时功能和控制继电器动作。附录A 电路原理图1附录B 电路原理图2