毕业论文-升国旗奏国歌自动控制系统.pdf

20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 毕业设计(论文) 课题名称 升国旗奏国歌自动控制系统设计 系 部 电子信息工程系 专 业 电子信息工程（汽车电子） 班 级 T1123-13 姓 名 李坤霖 学 号 20110231312 指导教师签名(校内) 湛柏明 2015 年 5 月 31 日 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 摘要摘要 国歌，即表现一个国家民族精神的歌曲，是被政府和人民认为能代表该国家政府和 人民意志的乐曲，是用来歌颂与鼓励一个民族的信心与凝聚力的。一般来说它们都会带 有爱国主义色彩、呼唤起人们内心深处的国家情怀。 升国旗奏国歌，是每个人一生中都会经历的伟大仪式，它激起了我们心中的爱国情 怀，让我们为这个国家，为民族而努力奋斗，现在已经成为这个社会中不可或缺的重要 的仪式。 国旗升降自动控制系统现在在世界各地普遍采用，技术已经较为成熟。它被广泛应 用在学校、政府等等。 关键词：关键词：国旗；国歌；自动控制系统 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） Abstract National Anthem, the national song spirit of a country, by the government and people that can represent the music of the national government and the will of the people, is used to praise and encourage confidence and cohesion of a nation. Generally speaking, both of them will be patriotic and call for national feelings. National flag anthem, is in the life of each person will experience great ceremony, it aroused the patriotic feelings of our hearts, let us for the country, for the nation and work hard, has now become the society an important ceremony. The automatic control system of national flag is now widely used in the world, and the technology is already mature It is widely used in schools, governments, etc. Key words: National flag; The National Anthem; Automatic control system 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 目录 第一章第一章 概论概论 1 1 1.1 课题背景1 1.2 国内外现状1 1.3 课题研究意义2 第二章第二章 总体总体设计方案设计方案及及可行性分析可行性分析3 3 2.1 课题主要内容3 2.2 整体框图设计3 2.3 硬件方案选择4 2.3.1 单片机的选择4 2.3.2 电动机的选择4 2.3.3 电机驱动的选择5 2.3.4 显示方式的选择5 2.3.5 国歌播放方案的选择5 2.4 可行性分析6 第三章第三章 系统硬件模块设计系统硬件模块设计7 7 3.1 硬件电路模块设计原理7 3.1.1 单片机 STC89C51 模块7 3.1.2 驱动电机模块10 3.1.3 按键与 led 指示灯模块14 3.1.4 国歌播放模块16 3.2 可执行硬件模块设计18 3.3 系统整体原理图20 第四章第四章 系统软件系统软件模块模块设计设计2121 4.1 系统软件设计原理21 4.1.1 主程序流程图22 4.1.2 子程序设计23 4.2 系统软件代码25 第五章第五章 系统系统综合调试综合调试2626 5.1 系统的调试26 5.1.1 系统的硬件调试26 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 5.1.2 系统的软件调试26 5.1.3 系统的软硬件综合调试26 5.2 系统的测试27 5.2.1 自动模式测试27 5.2.2 手动模式测试27 5.2.3 误差分析28 5.2.4 测试结果评价28 第六章第六章 总结总结2929 致谢致谢3030 参考文献参考文献3131 附录附录1 1 原件清单原件清单 3232 附录附录2 2 软件代码软件代码 3333 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 1 - 第一章第一章 概论概论 本章节包含课题背景及国内外现状，课题的研究意义等。 1.1 1.1 课题背景课题背景 随着人类社会的不断发展和进步，升旗仪式已经变得如此的重要，从最原始人工升 旗到现在的自动升国旗并伴奏国歌。从小到机构组织，大到国家层面，升国旗仪式已经 早已成为重要而庄严的盛会，而且早已不可或缺。对于如此重要的升旗仪式，能否通过 单片机来做一个自动升降旗系统呢？于是便产生了本课题。 1.21.2 国内外现状国内外现状 目前在国内社会上像有些学校、机关单位升旗大部分还停留在人工升旗的阶段，用 最原始的办法人为地来一步步完成,这样不仅动用了多余的人力，升国旗的精度也不能 保证在升旗的过程中不可避免的会出现升降国旗与国歌演奏时间不协调。为了解决这个 难题,这就需要自动化的装置来完成这项工作,它把整个升降旗的过程作为一个可控的 装置来运行，要求自动控制系统像神经系统一样，具备系统性、全面性、准确性。国内 相关技术的发展为自动化控制产业的升级提供了技术的支持。所以研究与完善国旗升降 系统很有必要。 对于国外单片机自动化控制技术的发展，使国旗升降更加平稳和精确。自动控制升 降旗系统主要用一个电机控制旗帜自动升降,所以系统的主要功能就是控制电机的运转, 而国外步进电机最早是由英国人所开发的。后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上， 对于数字化的控制变得更为容易，后来发展到对步进电机的控制和驱动主要是采用专用 芯片，结果大大缩小了驱动器的体积，明显提高了升旗装置的性能。现在的装置则设计 的的更为合理。到现在为止，国内国外的自动升降器系统技术都趋于非常成熟化，并在 全世界广泛使用。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 2 - 1.31.3 课题课题研究意义研究意义 我们生活在一个电子技术不断进步发展的时代。随着技术的推进，现在社会上很多 原本由人工才能完成的事现在也可以被设计好的电子技术所替代。其中，在我们生活中 经常见到的升国旗系统便是这样，由最初的手动到现在被广泛应用的电动升旗系统，对 于以前的手动升旗仪式，经常会出现由于人为的升旗速度和国歌升起速度不一致的场景， 这时会让所有在场的人感到尴尬，因此，电自动升旗仪式就显得至关重要，并且大量减 少了人力和资金投入，只要经过一定的计算，电动升旗就能够精准无误的匀速上升，并 且与国歌完美契合，升旗仪式得以顺利进行，这样就使得升旗仪式更为的庄重伟大。 课题最主要研究部分是控制电机的转动，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。让单片机用于国旗自动升降系统中，使控制国旗技术和单片机技 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。 研究国旗自动升降系统有助于我们更好地去把在课堂上学到的单片机知识运用在 实际生活中，以及了解如何去运用单片机控制步进电机的运转以达到控制国旗的升降过 程。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 3 - 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案及可行性分析及可行性分析 本章主要介绍课题内容要求，总体框图设计，硬件方案及其可行性分析。 2.1 2.1 课题主要内容课题主要内容 基于单片机设计一个升国旗奏国歌的自动控制系统，执行机构为一台电动机，通过 滑轮和绳索带动旗帜上升和下降，上升的时间要与奏国歌的时间同步，可利用单片机的 定时器控制。 基本功能如下： 1. 在自动模式下：上升键按下时，国旗自动匀速上升，同时伴随国歌播放，当国旗 上升至最顶端时停止，同时国歌停止演奏；下降键按下时，国旗从最顶端匀速下 降至最底端，中途无国歌播放。 2. 在手动模式下：一直按上升键，国旗匀速上升，直到最顶；一直按下降键，国旗 匀速下降，直到最底。中途当手松开时，国旗停止运动。 3. 升降旗时间均为 46s，与国歌播放时间相同。 2.22.2 整体整体框图设计框图设计 根据课题设计要求，系统整体电路框图如下： 图图 2.1 2.1 系统整体框图系统整体框图 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 4 - 上述系统整体框图表明本次设计将以单片机为核心， 通过外部电源输入和独立按键 控制，来实现 led 指示灯，驱动电机，语音播报电路这 3 个模块功能。其中，电源负责 为整体电路供电，独立按键来控制用户的输入动作，并经过单片机分析处理。le 为指示 灯来显示用户预设的功能，驱动电机来负责完成国旗的升降，语音播报电路用于播放国 歌，这 3 部分均受控于单片机。 2.32.3 硬件硬件方案选择方案选择 2.32.3.1 .1 单片机单片机的选择的选择 方案一：采用 STC89C51 单片机实现，该单片机内部资源较为丰富，集成了双数据 指针，在系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试较为方便。 方案二：采用 STM32 单片机，该单片机时钟频率从 32MHz-72MHz，性能大幅提升， 成本较 51 系列更高。 从本设计来看， 要求的功能较少， 选用 51 单片机即可满足设计需要， 若选择 STM32， 则会造成性能上的浪费和更高的成本，因此选择方案一的单片机 STC89C51。 2.32.3.2 .2 电动机电动机的选择的选择 方案一：采用普通的直流电动机。虽然普通的直流电动机很好，它具有良好的启动 特性（快速）和调速特（可调速范围广泛） ，但是普通直流电动机的运转速度，运行中 的平稳性较为难以控制，较难达到本设计的要求。 方案二：采用普通交流电动机。虽然普通交流电动机结构简单，运行可靠，成本低 廉等优点，但是交流电机需要外部条件较为苛刻，不易于控制成本。 方案三：采用步进电动机。步进电动机是纯粹的数字控制电动机，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，因此非常合适单片机控制。并 且快速启动和反转能力好，同时，它转换精度高，能适应灵活而精确的控制。 本次设计要求具有比较精确的转动速度，要求控制灵活的特点，综上所述，选择方 案三步进电机（型号 28BYJ-48）最为合理。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 5 - 2.32.3.3 .3 电机驱动电机驱动的选择的选择 方案一：采用继电器控制电机的开与关，通过控制开关的切换速度实现对电机的运 行速度进行调整。这个电路的优点是电路结构简单，缺点是继电器的响应时间长，易损 环，寿命短，可靠性不是很高。 方案二：采用高耐压、大电流的达林顿管组成的 ULN2003 芯片。用单片机控制达林 顿管使之输出合适的脉冲信号，可精确调整电动机的运动状态（正转、反转和停止等动 作） 。由于该芯片在 5V 的工作电压下与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以保证负载电流 的供给， 同时也减少其它驱动芯片被烧毁的事故。 另外步进电机转动精度达到 0.01 度， 使它驱动四相步进电机，精确控制转动速度和脉冲频率完全没有问题。该方法设计的步 进电机驱动系统具有硬件结构简单，软件编程方便的特点。 综上所述采用方案二电机驱动（型号 ULN2003）会使得电路结构简化，同时可靠耐 用。 2.2.3 3.4 .4 显示方式显示方式的选择的选择 方案一：采用 LED 数码管。LED 数码管具有编程简单，价格便宜，寿命长，夜间显 示效果好，缺点只能显示有限的数字和字符。 方案二：采用 LCD 液晶显示。LCD 液晶屏可显示各种字体的数字、汉字、图象，自 定义显示内容，显示内容较丰富。 因为本次设计需要指示灯功能相对单一，能够显示变化即可，所以综合分析考虑， 选择方案一 LED 数码管较好。 2.32.3.5 .5 国歌播放国歌播放方案的选择方案的选择 方案一：采用语音芯片 ISD1420。该芯片采用 CMOS 技术,一个最小的录放系统仅由 一个麦克风、一个喇叭、两个按扭、电源及少数电阻电容即可，结构非常简单，且它的 音质好、功耗低，但其录放音时间只有 8 到 20 秒。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 6 - 方案二： 采用语音芯片 YF017。 YF017 系列语音芯片是针对市场推出的一款具有 PWM 输出的 OTP 语音标准芯片， 该模块具有体积小巧、 性能稳定、 功耗低、 电源电压范围宽、 PWM 语音驱动和操作简单等优点，且录音时间可达 60S 以上。 综上所述，因为在本系统国歌的的演奏时间需要 43 秒钟，所以选用方案二语音芯 片（型号 YF107） 。 2.4 2.4 可行性可行性分析分析 上述硬件执行方案均在课题要求的最低限度之上，尽可能的以最为简化的单片机控 制方案（系统框图设计）和最为简化的硬件模块来实现课题要求的基本功能。 其中单片机选用以够用为主，电机和其驱动选择最为可靠的方案，尽量避免电机运 转中未知的问题，语音模块也选用了较为合适的芯片，总而言之，所选取的硬件模块方 案均符合本课题要求并能够很好地满足需要，方案切实可行。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 7 - 第三章第三章 系统硬件模块设计系统硬件模块设计 完成了系统方案选择后，接下来就该进行系统硬件模块的设计了，此部分内容介绍 了主要模块的硬件设计以及接口设计。 3.13.1 硬件硬件电路电路模块模块设计设计原理原理 本系统硬件模块按照系统整体框架图设计。 本系统由单片机 STC89C51 作为升降旗系统的控制核心， 实现键盘控制、 led 指示灯、 语音等几个部分，即该系统主要包括电机驱动模块、键盘与显示模块、语音模块等几个 部分。现分别对各模块进行介绍和分析。 3.1.1 3.1.1 单片机单片机 STC89C51STC89C51 模块模块 STC89C51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k BytesISP(In-system programmable)只读程序存储器， 兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构， 可为许 多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 STC89C51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，片内时钟振荡 器。 STC89C51 共有四个 8 位的并行 I/O 口：P0、P1、P2、P3 端口，对应的引脚分别是 P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共 32 根 I/O 线。每根 线可以单独用作输入或输出。 单片机最小系统：是指用最少的元件与单片机组成的可以工作的系统。对 52 单片 机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。单片机接口电路主要 用来连接计算机和其他外部设备。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 8 - 下图为单片机最小系统图： 图图 3.13.1 单片机最小系统单片机最小系统的设计的设计电路电路 说明： 复位电路：单片机最小系统复位电路的极性电容 C3 的大小直接影响单片机的复位 时间，一般采用 10-30F，51 单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。单片机 工作之后，只要在 RST 引线上加载 10ms 以上的高电平，单片机就能有效地复位。CS-51 单片机通常采用自动复位和按键复位两种方式。这里采用按键复位和上电复位两种电路 结合。 晶振电路：典型的晶振取 11.0592MHZ，晶振越大，则单片机的处理速度越快。单片 机的最小起振电容 C1，C2 一般采用 15-33pF，并且电容离晶振越近越好。单片机最小系 统的设计电路如图 3.1 所示。 STC89C51 实物图如下图所示： 图图 3.23.2 单片机单片机 STC89C51STC89C51 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 9 - 单片机 STC89C51 在整体硬件中起到了关键性的中枢作用，若没有它，则整个系统 如同人类没有了灵魂，毫无疑问，这块芯片是整个系统中最重要的部分，及时是软件程 序代码也必须输入单片机中才能体现作用，它行使了系统的主要功能。 单片机部分如下图： 图图 3.33.3 单片机单片机模块模块电路图电路图 说明： 5V 电源接口用于外接 5V 电源为整个电路供电。 复位电路如上图，K1 为轻触按键。按下后即可复位。 时钟电路由一个 12M 晶振和两个 30pf 瓷片电容组成（由于此系统用到定时器，为 了方便计算，采用了 12MHZ 的晶振） 。 时钟周期即晶振的单位时间发出的脉冲数，12MHZ=1210 的 6 次方，即每秒发出 12000000 个脉冲信号，那么发出一个脉冲的时间就是时钟周期，即 1/12 微秒。一个机 器周期等于 12 个时钟周期，所以是 1 微秒。 对于升国旗奏国歌自动控制系统，图示为最基本单片机模块。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 10 - 3.1.2 3.1.2 驱动电机模块驱动电机模块 驱动电机模块包括步进电机 28BYJ-48 和电机驱动 ULN2003。 步进电机需要驱动的原因： 因为步进电机是靠单片机产生脉冲来控制转矩的，单片机本身驱动电流较小，驱动 不了电机绕组，驱动器作为功率放大器，要用驱动电路产生较大电流，直接驱动会烧坏 单片机。 （1）步进电机相关概念： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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，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的方向转动 一个固定的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的， 可以 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，同时可以通过控制脉冲 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 11。 主要特性： 1. 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比。 2. 例如三相步进电机的步进角度为 7.5 度，一圈 360 度，需要 48 个脉冲完成。 3. 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4. 改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。 部分静态指标术语： 1. 相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 2. 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一 个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB， 四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 11 - 3. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360 度/（转子 齿数*运行拍数） ，以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为=360 度/（50*8） =0.9 度（俗称半步） 。 28BYJ-48 的主要技术参数如下图所示： 图图 3.3.4 4 主要技术参数主要技术参数 28BYJ-48 步进电机实物图如下图所示： 图图 3.53.5 28BYJ28BYJ- -4848 步进电机步进电机 （2）ULN2003 驱动相关概念： 步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器， 它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制 角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角，步进电机的转速与脉冲信号的频率成 正比。角位移量与脉冲个数相关，步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载 能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子 处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转） ，步进电机驱动器，必须与步进电机的 型号相匹配，否则，将会损坏步进电机及驱动器 2 2 。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 12 - 复合晶体管 ICULN2003，ULN2003 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。 图图 3.63.6 ULN2003ULN2003 芯片芯片引脚图引脚图 说明： 如图所示，1-7 号脚为输入端，8 号脚接地，10-16 脚为输出口，9 号脚是内部 7 个 续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载 （有线圈负载的电路， 在消耗有功功率时还会消耗无功功率） 时， 该脚接负载电源正极， 实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 ULN2003 实物图如下图所示： 图图 3.73.7 ULN2003ULN2003 （3）步进电机 28BYJ-48 的控制原理 对于升国旗奏国歌自动控制系统而言， 28BYJ-48 是 5 线 4 相步进电机， 驱动方式为 四相八拍驱动，而且是减速步进电机，步进一步为 5.625 度，减速比为 1:64，步距角为 5.625/64 度。转动一圈需要 360/5.625*64=4096 个脉冲信号，即需要步进 4096 步。 对于 28BYJ-48， 只需分别依次给五线一定时间的脉冲电流， 电机便可连续转动起来。 通过改变脉冲的频率，就可以实现对转速的控制；通过改变给五线脉冲电流的顺序，则 可实现对转向的控制。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 13 - 步进电机和转轴直接相连，所以当电机转动时，带动转轴转动，实际是转轴带动国 旗升降，首先算出转轴的周长为 1.5cm*pi=4.71cm，即步进电机转动一周带动国旗的位 移为 4.71cm， 而步进电机转动一圈所需要的脉冲为 4096 个脉冲信号。 设定的国歌为 46s （设为 N=定值） ， 假设 28BYJ-48 转动一圈所用时间为 Y 秒， 转轴需要转 n 圈从底端到定 点，则总共需要发射脉冲数为 n*4096。用简洁明了的关系可以表示如下： 1 圈Y 秒4096 个脉冲4.71cm n 圈N(46)秒n*4096 个脉冲9cm 由此，可以得到 n=1.911.9，步进电机转动 1 圈需要 Y=24.0724.1 秒，则每秒需要 发射 4096/Y170 个脉冲，即用定时器每 1000/170 毫秒产生一个脉冲。 （*注：存在误差，实际需要调整） （4）驱动电机电路设计 步进电机是国旗升降系统的的主要执行器件，其设计主要是按照单片机指令以及按 键指令进行正转或者反转。 如图所示，步进电机 28BYJ-48 和电机驱动 ULN2003 组成动力执行机构。 IN1 IN2 IN3 IN4 GND OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 COM P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 GND VCC GND 5 4 3 2 1 VCC ULN2003 步进电机步进电机28BYJ-48 图图 3.83.8 步进电机步进电机及驱动电路图及驱动电路图 说明： 如图所示，器件 U3 为电机驱动 ULN2003，P2 为步进电机 28BYJ-48。U3 的 IN1-IN4 引脚分别接在 STC89C51 的 P2.7-P2.4 引脚（图中未画完整） ，将 U3 的 OUT1-OUT4 分别 与 P2的 4-1引脚相连即可将电机驱动与步进电机相连， 便构成了简单的驱动电机电路。 电机驱动将单片机传来的控制脉冲信号放大后传递给步进电机，从而实现单片机对 步进电机的控制。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 14 - 3.1.33.1.3 按键与按键与 ledled 指示灯指示灯模块模块 按键选用最简单的轻触按键，它其实相当于是一种电子开关，只要轻轻的按下按键 就可以是开关接通，松开时是开关就断开连接，实现原理主要是通过轻触按键内部的金 属弹片受力弹动来实现接通和断开的。 轻触按键由于微动开关的特性以及体积小、质量轻的优势在家用电器方面得到了广 泛的应用。 特性结构： 1. 超小超薄，方形或圆柱结构，有 3mm 以及 6mm 等几款款大小； 2. 采用便于经典对策的带接地端子； 3. 备有可安装键顶的凸出性柱塞； 4. 采用密封构造，即使在有尘埃较多的环境或者有水的环境也能够得到高可靠性 的保障。 轻触按键实物如下图所示： 图图 3.93.9 轻触轻触按键按键 led 指示灯： LED（Light Emitting Diode） ，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固 态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 LED 耗电非常低，高亮度、低热量、坚固耐用，在恰当的电流和电压下，LED 的使 用寿命可达 10 万小时。 led 指示灯实物图如下图所示： 图图 3.103.10 ledled 灯灯 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 15 - 本硬件设计中用于控制功能的按键有 3 个，呈“一”字焊在开发板上，分别控制 3 个功 能，如下图所示： 图图 3.113.11 功能功能控制控制按键按键 说明： 1. 第一个按键按下时，切换自动或手动模式（红灯用于指示） ，此时由用户控制是 否自动完成升降旗。 2. 第二个按键按下时，国旗执行匀速上升运动并伴随国歌启奏，此时缓缓上升至 顶点停止 （自动模式） ； 当按键持续被按下时， 国旗上升， 否则停止 （手动模式） 。 3. 第三个按键按下时，国旗执行匀速下降运动（无国歌） ，此时缓缓下降至最底端 停止（自动模式） ；当按键持续背按下时，国旗下降，否则停止（手动模式） 。 （注意：在自动模式下，升旗/降旗过程中，降旗/升旗键不起作用。在手动模式 下，升旗/降旗键可交替作用） 按键和 led 灯指示电路如 3.3 所示： K2 为对应的第一个按键，用于切换自动和手动模式，K3 和 K4 分别对应第二个、第 三个按键，用于控制国旗的升降运动，L1 和 L2 为 led 灯，指示当前用户所选择的模式 为自动还是手动。 上述电路很简单的构成了按键模块和 led 指示模块 表表 3.13.1 按键按键功能功能接口接口 开关 K2 K3 K4 功能 自/手动 升旗 降旗 端口 P1.0 P1.1 P1.2 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 16 - 3.3.1.41.4 国歌播放国歌播放模块模块 国歌播放模块由语音芯片 YF107 和电磁式扬声器组成。 在当前科技发达的时代，集成电路是推动科技发展一个不可或缺的重要部件。 语 音芯片，顾名思义就是可以存储控制播放语音的 IC。 作用：将语音信号通过采样转化为数字，存储在 IC 的 ROM 中，再通过电路将 ROM 中的数字还原成语音信号。 YF107 语音芯片引脚如下图所示： 图图 3.123.12 YF107YF107 引脚图引脚图 YF107 语音芯片各引脚作用： 1 脚-空脚 2 脚-喇叭 3 脚-喇叭 4 脚-电源正极（和芯片的负极接一个瓷片 104 电容） 5 脚-电源负极 6 脚-若此脚若接高电平循环播放 7 脚-若此脚和正极触发一下播放一次语音（此脚若接一下正极会播放一次，若一直 接在正极也不会循环播放） YF107 语音芯片实物如下图所示： 图图 3.133.13 YF107YF107 语音芯片语音芯片 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 17 - 电磁式扬声器也叫舌簧式扬声器，它是利用电磁感应原理，使声源信号电流通过音 圈后会把用软铁材料制成的舌簧磁化，磁化了的可振动舌簧与磁体相互吸引或排拆，产 生驱动力，使振膜振动而发音。 工作原理：交流电通过扬声器里面的线圈，所以产生了电磁波（因为是交流电，所 以电流时强时弱，磁场也时强时弱） ，电磁波和扬声器底部永磁体起作用，遂振荡，所 以发声。 实物图如下图所示： 图图 3.143.14 电磁式扬声器实物图电磁式扬声器实物图 本次设计要求演奏国歌，其时间为 43 秒钟，所以选用的语音芯片总录放时间应大 于 43 秒钟，所以选用语音芯片 YF017，其录放时间为 65 秒钟，完全符合本设计要求。 将国歌录制在 YF107 语音芯片中，然后用它来单独播放国歌，我们只需控制其播放 和停止即可。 其控制原理为：当升旗键按下时， YF017 输出播音控制信号播放国歌，国旗经 43s 的时间匀速上升至旗杆顶端，国歌播放完毕；当降旗键按下时，不播放国歌。 YF107 语音芯片和扬声器组成的语音播报电路，连接如下： VL PWM+ PWM VCC OKY1 GND P3.4 滤波器 （抗干扰） 10K GND 扬声器扬声器 2 1 GND VCC YF107 图图 3.153.15 国歌播放国歌播放电路电路 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 18 - 说明： 如图所示，u5 为语音芯片 YF107，p3 为电磁式扬声器（喇叭） ，两者只需将语音芯 片的 PWM+和 PWM与扬声器的 2 个端口连接即可，其中，YF107 电路中的 VCC 与 GND 相 连部分将并联了一个瓷片电容 c6 和电解电容 c7，构成了一个滤波电路，瓷片电容消除 了高频干扰，电解电容消除低频干扰，这部分是个典型的滤波电路，使得输出的国歌较 为的纯净。 将 YF107 语音芯片和电磁式扬声器正确连接后，即可将电信号转化为声音，即输出 国歌。 3.23.2 可可执行硬件执行硬件模块设计模块设计 执行硬件模块由小型滑轮组，旗杆，小型国旗，支撑底座组成。 滑轮是由可绕中心轴转动有沟槽的圆盘和跨过圆盘的柔索（绳、胶带、钢索、链条 等）所组成的可以绕着中心轴转动的简单机械。 （可看作变形的杠杆） 如下图所示，本装置用到的小型滑轮为一个简单的定滑轮，由一个黄色的小圆盘 （底） ，1 个粉红色的小圆盘（顶）和一条白色细线组成，其中 2 个小圆盘间用一块透明 长塑料板作为立柱固定。小型国旗面用纸制成，并固定在白色细线上。将手拉摇杆插入 底部黄色小圆盘并将立柱插入绿色多孔塑料底座，便组成了一个简易的国旗升降台。 如下图所示： 图图 3.163.16 简易国旗简易国旗升降台升降台 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 19 - 由步进电机连接小型转盘，转盘控制国旗的升降。总执行硬件如下图所示： 图图 3.173.17 执行硬件执行硬件实物图实物图 说明： 如图所示，该洞洞板上包含了上述所提到的所有硬件模块实物，为整个部分的可执 行硬件。 往单片机写入程序后经过调试， 通电后便可在该硬件上执行课题所要求的功能。 操作规范：接入外部 5V 电源后，首先按下初始化操作键，接着按 3 键中的第一个 选择自动及手动模式，后两个键为升降旗按键，根据用户选择经行操作。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 20 - 3.33.3 系统整体系统整体原理图原理图 图图 3.183.18 系统原理图（简易系统原理图（简易接口图）接口图） 说明： 图 3.18 为系统原理图的简易接口图，该图给出了各个模块与单片机连接关系，由 于是用线直连，能够一眼看出每个模块调用的单片机的几号引脚，方便查找对应，所以 显得更为直观。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 21 - 第四章第四章 系统软件系统软件模块模块设计设计 该部分包含软件设计的原理及主流程图和子程序流程图。 4.1 4.1 系统系统软件设计软件设计原理原理 整个系统的主要任务是执行国旗升降功能 ，这样系统软件设计就可以分块完成。 主程序部分，主要功能是判断用户输入。子程序的功能包括国旗的自动升降运动和手动 升降运动。 该步进电机为 5 线 4 相 8 拍步进电机。5 线，有橙、黄、粉、蓝、红 5 根接线，分 别对应 4 相绕组 A、B、C、D 和电源线。所以依照驱动 ULN2003 的分配原则可以得到如 下正/反转表： 正转：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 反转：A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A 下表为正转次序表： 表表 4.1 4.1 正转表正转表 正转次序 橙（A） 黄（B） 粉（C） 蓝（D） A 1 0 0 0 AB 1 1 0 0 B 0 1 0 0 BC 0 1 1 0 C 0 0 1 0 CD 0 0 1 1 D 0 0 0 0 DA 1 0 0 1 A 1 0 0 0 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 22 - 下表为反转次序表： 表表 4.2 4.2 反转表反转表 反转次序 橙（A） 黄（B） 粉（C） 蓝（D） A 1 0 0 0 AD 1 0 0 1 D 0 0 0 1 DC 0 0 1 1 C 0 0 1 0 CB 0 1 1 0 B 0 1 0 0 BA 1 1 0 0 A 1 0 0 0 如上两图中，A-AB 或 A-AD 为一拍，每经过一拍，步进电机转动一个固定的角度， 通过软件环形分配器，不断给 4 相电机绕组通过合适的时序脉冲电流，经过电机驱动分 配后，便可实现对步进电机的控制。 4.1.14.1.1 主程序主程序流程图流程图 根据设计要求，可得本系统的程序主流程图如下图所示：本系统的控制器采用 STC89C51 单片机，因为考虑到编写的繁简程度，所以在此使用 C 语言进行软件编写，这 样可以大大提高程序编写时的效率。 系统主程序完成了查键功能，通过查键，检测应该做什么运动，主程序会根据按下 按键的不同调用不同的子程序： 在自动模式下， 按自动升旗键时， 执行自动升旗子程序； 按自动下降旗键，执行自动降旗子程序；当在手动模式下，按手动升旗键时，执行手动 升旗子程序；按手动下降旗键，执行手动降旗子程序。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 23 - 主程序流程图如下 图图 4.14.1 主程序流程图主程序流程图 说明： 如上图所示，系统主程序开始后，首先执行初始化，接着系统判断用户是否按下了 K2 （手/自动模式切换键） ， 当用户按下键后被识别， 此时设置自动模式 （led 灯左边亮） ， 紧接着再次调用按键。 若 K3 被按下， 则执行自动升旗子程序， 否则询问 K4 是否被按下， 按下则执行自动降旗子程序，否则返回调用按键。 当 K2 切换为手动模式（led 灯右边亮）时，同理。 4.1.24.1.2 子程序子程序设计设计 子程序完成了升旗奏国歌，降旗运动。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 24 - 当在自动模式下， 按下自动升旗键， 步进电机正转， 国歌响起， 国旗匀速上升到顶， 同时国歌停止；若按下自动降旗键，步进电机反转，国旗匀速下降到底（此过程不放国 歌） 。 当在手动模式下，按升旗键，步进电机正转，国旗上升，按键停止时，国旗停止运 动；按降旗键，步进电机反转，国旗下降，按键停止时，国旗停止运动。 子程序流程图如下图所示。 开始开始 返回返回 国歌响国歌响 国旗自动上升国旗自动上升 国旗到顶国旗到顶 国歌国歌、国旗停止国旗停止 开始开始 返回返回 国歌不响国歌不响 国旗自动下降国旗自动下降 国旗到底国旗到底 国旗停止国旗停止 图图 4.24.2 自动自动模式模式子程序子程序流程图流程图 说明： 此时 K2 按下时，led 处于左边亮状态。 如图所示，在自动模式下分配有两个子程序，分别为自动上升子程序和自动下降子 程序。 在自动上升子程序中，按下 K3 后，国歌奏起，同时国旗匀速上升，若已至最顶端， 则国歌停止，同时国旗停止上升。接着返回调用按键并等待用户重新键入。 在自动下降子程序中，按下 K4 后，国旗匀速下降，若已至最低端，则国旗停止下 降。接着返回调用按键并等待用户重新键入。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 25 - 下图为手动子程序流程图： 图图 4.34.3 手动模式子程序手动模式子程序流程图流程图 说明： 此时 K2 按下时，led 处于右边亮状态。 如图所示，在手动模式下分配有两个子程序，分别为手动上升子程序和手动下降子 程序。 在手动上升子程序中，保持 K3 按下状态，国旗匀速上升，直至最顶端停止（若中 途 K3 松开，则国旗上升停止） ，接着返回调用按键并等待用户重新键入。 在手动下降子程序中，保持 K4 按下状态，国旗匀速下降，直至最低端停止（若中 途 K4 松开，则国旗下降停止） ，接着返回调用按键并等待用户重新键入。 4.2 4.2 系统软件系统软件代码代码 见附录。 20152015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） - 26 - 第五章第五章 系统系统综合综合调试调试 本章节包含对系统整体运行能力的测试，分别在自动和手动模式下进行测试，看能 否达到课题预期效果。 5.1 5.1 系统系统的调试的调试 5.1.5.1.1 1 系统的系统的硬件调试硬件调试 首先使用软件 Altium Designer Sunner AD 画出电路图并用该软件检查无误后，接 着在洞洞板上照着电