隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的系統(tǒng)越來越接近自動化了，本系統(tǒng)設(shè)計一套采用智能升旗系統(tǒng)來代替人工的系統(tǒng)，并解決演奏速度不同步的問題，將使操作起來非常方便，能大大提高了質(zhì)量和效率。
該系統(tǒng)以Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機為核心，利用ISD4004作為語音存儲芯片，實現(xiàn)長時間的存儲語音，利用MC3479驅(qū)動步進電機，準確完成
實驗效果表明：系統(tǒng)可全自動的實現(xiàn)升旗，同時完成語音播放，具有方便實用價值，具有一定經(jīng)濟價值。
2系統(tǒng)方案設(shè)計 1
2.1 系統(tǒng)總體方案
2.2 系統(tǒng)功能介紹 2
2.3 主控芯片介紹 2
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 3
3.1硬件設(shè)計思路 3
3.2模塊電路設(shè)計 3
3.2.1顯示模塊 4
3.2.2語音模塊 5
3.2.3語音放大模塊
3.2.4電機驅(qū)動模塊 6
3.2.5電源模塊 7
3.2.6控制模塊 8
4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計
4.1 軟件系統(tǒng)組成
4.2鍵盤顯示軟件設(shè)計
4.3步進電機程序設(shè)計 10
4.4語音程序設(shè)計 11
5 總結(jié) 12
附錄1系統(tǒng)原理圖 14
附錄2系統(tǒng)部分軟件 15
附錄3系統(tǒng)實物圖 19
本系統(tǒng)以Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機為核心,實現(xiàn)了在自動升旗過程，脫離了傳統(tǒng)的人工，只需控制按鍵就可以完成全過程，操作方便、快捷。系統(tǒng)功能齊全，既可當(dāng)作實驗系統(tǒng)提供給學(xué)生用，如高校實驗室使用；又可添加部分硬件構(gòu)成其他工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。系統(tǒng)可以實現(xiàn)室內(nèi)外自動升旗、解決大家在操作時候帶來的不便，完成時菜單操作簡單。而且，我們在實際設(shè)計中還預(yù)留了很多的功能接口，以便于系統(tǒng)功能的擴展，如利用傳感器檢測環(huán)境變化實現(xiàn)自動化。因此，系統(tǒng)的使用性和多功能性得到了很好的體現(xiàn)。
2.1 系統(tǒng)總體方案 本系統(tǒng)的開發(fā)以為單片機為控制核心，綜合考慮了單片機的性能、系統(tǒng)成本及使用人群等方面的因素。同時也語音播放的效果，設(shè)計出一種經(jīng)濟、實用且功能強大的升旗系統(tǒng)。系統(tǒng)由JTAG接口、語音回放、鍵盤、顯示、功率放大等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。
圖2.1 2.2 系統(tǒng)功能介紹 通過以上方案，系統(tǒng)能夠完成如下功能：鍵盤輸入，鍵盤是一個系統(tǒng)和外界交互的橋梁，鍵盤部分實現(xiàn)了鍵盤的控制的輸入；顯示，和鍵盤一樣，顯示模塊在人機交互時發(fā)揮著不可忽視的作用，該部分完成了單片機系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出顯示；語音播放是升旗中不可缺少的部分，通過ISD4004實現(xiàn)語音的回放功能，由于系統(tǒng)的語音芯片輸出功率大小不夠，通過TDA2030語音放大模塊實現(xiàn)語音的放大，應(yīng)用喇叭輸出；同時利用MC3479芯片驅(qū)動步進電機，實現(xiàn)自動升旗的效果，通過對步進電機的控制，可以準確的實現(xiàn)對高度的控制，通過對電機的計算可以實現(xiàn)對高度的測量，以便顯示當(dāng)前的高度。
2.3 主控芯片介紹 本設(shè)計中用的單片機是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機。它是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。AT89S52具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 3.1硬件設(shè)計思路 為迎合本產(chǎn)品的設(shè)計目的，我們以Atmel公司廉價的AT89S51/52為核心，來構(gòu)建一個廉價的自動控制系統(tǒng)。要求方便操作，所以本系統(tǒng)將采用按鍵操作，以實現(xiàn)操作簡單，為設(shè)計方便，用模塊化設(shè)計。設(shè)一塊主模塊，若干實驗子模塊，主模塊的引腳盡量由用接口引出，根據(jù)系統(tǒng)的要求，如果在主模塊上不方便實現(xiàn)，選用相應(yīng)的子模塊與主模塊接上，進行實驗本系統(tǒng)要求要有明確的設(shè)計思路，不追求主模塊的全面性，考慮在主模塊上保留不占I/O口電路的同時，對不易于在主模塊上設(shè)計的電路部分按子模塊設(shè)計。這樣的設(shè)計能使電路更容易的升級，只要增加相應(yīng)的電路子模塊即可。本系統(tǒng)的設(shè)計的創(chuàng)新點也在于此——追求系統(tǒng)的方便性。
3.2模塊電路設(shè)計 3.2.1 顯示模塊 鍵盤和顯示往往是一個控制系統(tǒng)的重要部分，同時也是最難做的一部分。在本系統(tǒng)中，為了節(jié)約端口，同時簡化程序編寫和保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，我們采用了鍵盤和傳口輸入，并口輸出芯片74LS164，提供串人——并出的原理，其圖3.2.1如下：
圖3.2.1 3.2.2 語音模塊 系統(tǒng)采用語音回放芯片ISD4004， ISD4004系列工作電壓3V,單片錄放時間8至16分鐘,音質(zhì)好,適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù),內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。芯片設(shè)計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù), 每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和"金屬聲"。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質(zhì)則有所下降,片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中,可在斷電情況下保存100年(典型值),反復(fù)錄音10萬次。下面對ISD4004的引腳說明：制輸入口依次為:SS,MOSI,MISO,RAC,INT,SCLK,VCC,GND。 片選（SS）：此端為低，即向該ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。 串行輸入（MOSI）：此端為串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端，供ISD 輸入。 串行輸出（MISO）：ISD 的串行輸出端。ISD 未選中時，本端呈高阻態(tài)。 串行時鐘（SCLK）：ISD 的時鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)生，用于同步MOSI 和MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。 數(shù)據(jù)在SCLK 上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD。 行地址時鐘（RAC）：漏極開路輸出。每個RAC 周期表示ISD 存儲器的操作進行了一行（ISD4004系列中的存貯器共2400 行）。該信號保持高電平的時間為175ms，低電平時間為25ms。在快進模式，RAC 可保持高電平218.75μs，低電平31. 25μs。該端可用于存儲管理技術(shù)。 中斷（INT）：本端為漏極開路輸出。ISD 在任何操作（包括快進）中檢測到EOM或IVF 時，本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用RINT 指令讀取。 ISD的工作電壓是3V，模塊中加了分壓電路，電源輸入5V。 信號輸入有兩個端口，一個是MIC輸入，另一個是模擬信號直接輸入。模塊采用單端輸入，信號由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32mV。 其原理圖3.2.2如下： 圖3.2.2
3.2.3 語音放大模塊 本系統(tǒng)采用語音放大芯片TDA2030，其原理如圖3.2.3所示下： 圖3.2.3 3.2.4 電機驅(qū)動模塊 系統(tǒng)采用MC3479來驅(qū)動步進電機，下面對MC3479的驅(qū)動模塊做如下說明，MC3479適用于驅(qū)動兩相電機(四線和六線,尤其適用于四線，)，此模塊用于驅(qū)動我們實驗室兩相四線的42BYGH103電機。實驗室的六線電機還需要調(diào)整一下接線，并把兩個抽頭懸空。該芯片輸入端TTL和 CMOS 兼容。 P1_0輸出低電平時電機正轉(zhuǎn)，輸出高電平時反轉(zhuǎn)。P1_1輸出低電平時全步運行，高電平時半步運行。通過讀P1_2若為低電平可以知道電機運行到初始A相狀態(tài)。P1_3輸出阻抗選擇控制端(只在半步方式有效) , 輸入低電平時輸出端為高阻抗?fàn)顟B(tài), 輸入高電平時輸出端為低阻抗?fàn)顟B(tài)。P1_7輸出一個高電平即可把電機置位到時A相初始狀態(tài),就是復(fù)位。每次運行前最好先復(fù)位,以使運行更精確。在P1_7和6腳之間串聯(lián)的電阻可以確定芯片的輸出電流，其關(guān)系為。
我們的模塊中設(shè)置R=120K，即輸出電流為109mA。P1_5為時鐘輸入。全步狀態(tài)時,每個時鐘電機運行一步,最高頻率833Hz。半步狀態(tài)時，每個時鐘電機運行半步，最高頻率1250Hz。 應(yīng)用中的注意點：
1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。
2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。
3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫升。
4、轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。
5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
6、高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。
7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 其原理圖如下： 圖3.2.4 3.2.5 電源模塊 由于系統(tǒng)需要不同的工作電壓，因此本系統(tǒng)利用多穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)多電壓，首先通過L7812得到穩(wěn)定的+12V輸出，經(jīng)過濾波后輸入到L7805實現(xiàn)+5V電壓輸出，由于ISD4004工作在+3V電壓，所以系統(tǒng)經(jīng)過LM317可調(diào)穩(wěn)定輸出+3V電壓，其原理圖如下： 圖3.2.5 3.2.6 控制模塊 系統(tǒng)采用AT89S52作為控制模塊，該芯片前面已經(jīng)做了詳細的說明，這里略到芯片的說明，其原理圖如下： 圖3.2.6
4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計
4.1 軟件系統(tǒng)組成 通過應(yīng)用C51程序設(shè)計的基本的語音和控制程序，各模塊源程序的程序設(shè)計如下模塊所示，各程序設(shè)計目的：基本I/O口實驗，通過單片機并口的輸入、輸出功能特點。中斷優(yōu)先級等，實現(xiàn)對各系統(tǒng)的控制。鍵盤掃描，可以了解掃描操作。實現(xiàn)控制操作。語音控制程序采用先錄音再放音的原理。電機控制程序利用先對電機初始化，然后對電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。顯示程序，通過先計算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為高度，通過串口送數(shù)顯示。 所有程序均采用標準C語言編寫，并加入了適當(dāng)?shù)淖⑨專鰪娏顺绦虻目勺x性和可移殖性。
4.2 鍵盤顯示軟件設(shè)計 74LS164是一片具有串行接口輸入，并行接口輸出的芯片，通過從串口連續(xù)送8個數(shù)據(jù)，此時從并口輸出數(shù)據(jù)到數(shù)碼管顯示，其程序框圖如4.2.1下所示： 圖4.2.1
4.3 步進電機程序設(shè)計 系統(tǒng)通過對MC3479的操作來實現(xiàn)對電機控制，首先程序?qū)C3479初始化，將其對應(yīng)的因腳置電位，讓電機先從A相位開始轉(zhuǎn)動。以便對轉(zhuǎn)數(shù)的計算，以二相反應(yīng)式步進電機為例：它的定子上有二磁極，每一對磁極上繞著一相繞組，繞組通電時，這兩個磁極的極性相反；二相繞組接成星形，轉(zhuǎn)子鐵心及定子極靴上有小齒，定轉(zhuǎn)子齒距通常相等。轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，轉(zhuǎn)自的齒數(shù)為40，相鄰兩個齒之間夾角為9o。當(dāng)某一相繞組通電時，由于定轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子齒的相對位置不同時，在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一個角度，使轉(zhuǎn)子和定子的齒相互對齊，這就是使步進電機旋轉(zhuǎn)的原因。 步進電機的運轉(zhuǎn)始由脈沖信號控制.通過改變各相通電的次序可以調(diào)整步進電機的運轉(zhuǎn)方向。如圖4.3.1為步進電機流程圖。 圖4.3.1步進電機程序流程圖
4.4 語音程序設(shè)計 系統(tǒng)采用先對ISD4004初始后，先從地址0000H開始錄音，持續(xù)一段時間后，根據(jù)控制操作實現(xiàn)放音操作，放音從開始錄音的地方，連續(xù)的播放，直到遇到停止操作，否則一直播放下去，直到最后一個錄音地址。其程序流圖如下： 圖4.4.1 5 總結(jié)此開發(fā)系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機為核心，通過語音與電機驅(qū)動與一體，結(jié)構(gòu)逐步擴展功能模塊，采用分開設(shè)計，分開調(diào)試，然后再進行整機調(diào)試和整合的開發(fā)方式，成功的實現(xiàn)了各功能。雖然此系統(tǒng)在功能實現(xiàn)了智能升旗的作用，但開發(fā)系統(tǒng)還存在一些不足，如：沒有合理利用傳感器等。 總之，該實驗系統(tǒng)還是有許多可取之處的：結(jié)構(gòu)簡單而功能豐富。 經(jīng)過此次硬件系統(tǒng)的設(shè)計，不僅對所學(xué)專業(yè)知識鞏固和加深了一遍，更重要的是提高了自己的工程應(yīng)用能力和科技論文撰寫水平，同時更加深刻體會到僅僅擁有理論知識是遠遠不夠的，只有在實踐中不斷探索，才能真正體會到理論的精華所在，只有將理論和實踐有機的結(jié)合起來，才能真正掌握知識。
單片機源程序:
- #include "reg51.h"
- #include "intrins.h"
-
- sbit _cs = P1^6;
- sbit _sclk= P1^5;
- sbit _mosi= P3^1;
- sbit _miso= P3^0;
- sbit _rac = P1^7;
- sbit _int = P3^2;
-
-
- void delay(unsigned int i) //延時程序
- {
- while(i--);
- }
-
- void stopmode() //停止
- {
- unsigned char m,i,j;
- _cs=1;
- _sclk=0;
- _cs=0;
-
- m=0x30;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _mosi=CY;
- _sclk=0;
- _sclk=1;
- }
- _cs=1;
- }
- void powerdown() //下電
- {
- unsigned char m,i,j;
- _cs=1;
- _sclk=0;
- _cs=0;
-
- m=0x10;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _mosi=CY;
- _sclk=0;
- _sclk=1;
- }
- _cs=1;
- }
-
- void powerup() //上電
- {
- unsigned char m,i,j;
- _cs=1;
- _sclk=0;
- _cs=0;
-
- m=0x20;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _mosi=CY;
- _sclk=0;
- _sclk=1;
- }
- _cs=1;
- }
- void record4004(unsigned int address) //錄音 address--錄音地址 0---2400
- {
- unsigned char i,m,j;
- unsigned int datasoute=0;
-
-
- powerup();
- delay(5118);//上電延時
- powerup();
- delay(5118);//上電延時
- delay(5118);//上電延時
- _cs=1;
- _sclk=0;
- m=0xa0;
- _cs=0;
- for(i=0;i<16;i++)
- {
- address=_iror_(address,1);
- datasoute=address<<1;
- _mosi=CY;
- _sclk=0;
- _sclk=1;
- }
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _mosi=CY;
- _sclk=0;
- _sclk=1;
- }
- _cs=1;
- _sclk=0;
- m=0xb0;
- _cs=0;
-
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _mosi=CY;
- _sclk=0;
- _sclk=1;
- }
- _cs=1;
- P0=0xff;
- datasoute=0;
- while(_int==1) //存儲地址換行標志
- {
- if(_rac) {delay(20000); datasoute++; } //記錄本次錄音所占的行數(shù)（也就是本次錄音有多大）
- if(P1^3==0)break;
- }
- }//while end;
-
- void audioout(unsigned int address) //放音程序
- {
- unsigned char i,m,j;
- unsigned int datasoute;
-
- powerup();
- _cs=1;
- _sclk=0;
- _cs=0;
- m=0xe0;
- for(i=0;i<16;i++)
- {
- address=_iror_(address,1);
- datasoute=address<<1;
- _sclk=0;
- _mosi=CY;
- _sclk=1;
- }
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _sclk=0;
- _mosi=CY;
- _sclk=1;
- }
-
- _cs=1;
- _sclk=0;
- m=0xf0;
- _cs=0;
- for(i=0;i<8;i++)
- {
- m=_cror_(m,1);
- j=m<<1;
- _sclk=0;
- _mosi=CY;
- _sclk=1;
- }
- _cs=1;
-
- P0=0xff;
- while(_int==1)
- {;
- }//while end;
- }
附錄3系統(tǒng)部分實物圖
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