毕业论文-基于at89c2051单片机滚动式广告窗系统设计

济南大学泉城学院毕业设计题目基于AT89C2051单片机滚动式广告窗系统设计专业机械设计制造及其自动化班级学生学号指导教师二一一年五月二十六日摘要本文介绍了滚动式广告窗的概念、发展现状、控制系统、未来的发展趋势，以AT89C2051单片机为核心的滚动式广告窗控制系统原理以及系统的硬件方面的设计，其中包括单片机的型号、引脚功能介绍，步进电动机的特性、原理及驱动电路图，超声波接收与发射原理及电路图的设计以及语音电路图的设计，通过对各个部分的功能的理解明确了整个系统的工作流程，并做出了整个软件结构流程图，实现了以AT89C2051单片机为核心的滚动式广告窗控制系统，通过超声波发射电路和接收电路检测广告窗前有人停留时，播放语音广告信息；无人停留时，则通过单片机控制步进电动机按一定时间周期滚动显示窗内广告画面，实现了静态广告画面旋转的自动控制，提高了广告宣传的效果。关键词广告窗；AT89C2051单片机；步进电动机；超声波发射与接收；语音电路。ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHECONCEPTOFROLLINGUPADSWINDOWSDEVELOPMENTSTATUS,CONTROLSYSTEM,FUTURETRENDS,AT89C2051MICROCONTROLLERTOROLLINGUPADSASTHECOREPRINCIPLEOFTHEWINDOWCONTROLSYSTEMANDSYSTEMHARDWAREDESIGN,THESEINCLUDETHETYPESINGLECHIP,PINFEATURES,STEPPERMOTORCHARACTERISTICS,PRINCIPLEANDDRIVINGCIRCUIT,RECEIVINGANDTRANSMITTINGULTRASONICPRINCIPLEANDCIRCUITDESIGNANDSCHEMATICDESIGNOFSPEECH,BYUNDERSTANDINGTHEFUNCTIONOFEACHPARTCLEAROFTHEWHOLESYSTEMWORKFLOW,ANDMAKEAFLOWCHARTOFTHESOFTWARESTRUCTURE,AT89C2051MICROCONTROLLERIMPLEMENTSTHEROLLINGUPADSASTHECORECONTROLSYSTEMOFTHEWINDOW,THEULTRASONICTRANSMITTERANDRECEIVERCIRCUITWHENTHEADSTOTHEWINDOWWASTOSTAY,PLAYAUDIOADVERTISINGINFORMATIONNOBODYSTAYS,THESTEPPERMOTORTHROUGHTHESCMATACERTAINTIMEPERIODWITHINTHEADVERTISINGSCREENSCROLLTHEDISPLAYWINDOW,ROTATINGSTATICADVERTISEMENTSTOACHIEVEAUTOMATICCONTROLOFTHESCREENTOIMPROVETHEEFFECTIVENESSOFADVERTISINGKEYWORDSADVERTISEMENTWINDOW,AT89C2051MICROCONTROLLER,STEPPINGMOTOR,ULTRASOUNDTRANSMITTERANDRECEIVER,ELECTRICCIRCUIT目录摘要IABSTRACTII1前言111滚动式广告窗的概念和基本特性112滚动式广告窗的控制系统及基本工作过程213滚动式广告窗的应用及发展趋势22系统的总体设计53单片机介绍631单片机概述632单片机编程语言的介绍733AT89C2051引脚功能介绍84系统的硬件设计1141步进电机及驱动电路的设计11411步进电机的特性11412步进电机的原理和分类11413步进电机的控制原理及驱动电路1142超声波检测部分设计14421近距离探测电路14422超声波发射原理15423超声波接收原理1743语音电路的设计175系统的软件设计2251系统的软件流程图2252步进电动机的设计流程图226结论24参考文献25致谢261前言11滚动式广告窗的概念及基本特性滚动式广告窗也叫换画灯箱，原理就是利用一套数字滚动系统带动画面间隔转动，以达到在一个灯箱内安装多幅画面的效果，配上定时控制的照明装置，有的还会配上LED电子显示屏，用来发布公益信息或增加视觉上的新引力。滚动式广告窗在同一灯箱上依次可以显示240幅不同的广告画面。广告画面可任意增减，更换方便，尺寸可做单面、双面及多面机型，亦可因需求制作上下滚动或左右滚动，可接受非标准规格定制，尺寸40厘米80厘米到5米6米任意制作。比较有代表性的如新型多画面滚动灯箱式阅报栏，其充分利用了现代科学技术。新型多画面滚动灯箱式阅报栏具有很强的社会宣传的功能是党和政府重要的舆论宣传阵地，也是平面媒体新闻二次传播的载体，报社通过为受众提供免费的增值服务，使读者又增加了一个学习党的方针政策的机会和了解各类信息的渠道有利于促进当地经济发展和精神文明建设。因此，设置新型多画面滚动灯箱式阅报栏既是一个地区经济发展水平和文明程度的标志，又是党和政府扩大和占领新的舆论阵地的重要举措；新型多面化滚动灯箱式阅报栏具有美化、亮化城市的功能，以其新颖的外观样式，绚丽多彩的夜间量化效果，与新的城市规划、城市建设形成了高度的和谐统一。它另一方面给给受众提供了愉悦的精神生活和靓丽的视觉感受，极大的丰富了群众文化的生活，提升了城市的品味和城市价值，另一方面又提升了城市街道市容风貌，营造了浓厚的文化氛围，成为创建文明城市、卫生城市的形象工程；新型多画面滚动灯箱式阅报栏具有传播信息、方便群众的功能新型多画面滚动式阅报栏是一座现代城市重要的文化设施，也是群众文化生活的一项重要内容。阅报栏建设一般都是连锁性的成片设施，具有一定的规模型，它的出现为广大群众随时随地的在自己的大门口，广场街头免费阅读到报纸，了解各类新的经济生活信息提供了极大的方便，因此深受广大群众的喜爱，成为聚集读者群体的重要场所；其具有提升广告效果的功能，通过进一步扩大报纸和广告的受众范围，是新闻内容和报纸广告突破了传统报纸作为室内传播媒介的局限，从而实现了广告效果的最大化，达到了促使广告客户加大对报纸广告的投入的目的；新型多画面滚动灯箱式阅报栏具有提升保值品牌的功能，中国报业已有卖方市场时代步入买方市场市场时代，跑马圈地发展浪潮已经结束，开始进入一个品牌竞争的时代。通过分布在城市大街小巷的阅报栏24小时不间断的对各类受众的视觉“提示”，必将在极大程度上拓展报纸的受众面，在受众心目中逐渐形成良好的品牌形象。具有画面过幅传感器接触不到锡纸报警保护功能，性能稳定，用不掉画设置简单，机电一体化，电子部分采用高精度传感定位，机械部分采用主、分动转化，自调装置，转动流畅，能在各种环境中长期稳定运行，抗干扰能力极强1。12滚动手机广告窗的控制系统及基本工作过程滚动式广告窗控制系统由单片机AT89C2051、语音电路、步进电机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路组成。1、步进电机控制电路用标准的步进电动机带动广告画面转动，从而实现了广告画面的转换功能。由于步进电动机的转动是按步距来进行的，但其步距又很小；因此，控制广告画面在窗口内定位显示时具有很高的精度，只有这样才能保证广告窗滚动显示不同广告画面时的质量。2、语音电路语音电路用于播放与对应广告画面相关的语音信息，可以在广告窗显示对应的广告画面时进行语音播放，这样会使人们对广告的注意和了解加深，同时加强了广告的效果。3、超声波发射和接受电路超声波发射电路是近距离检测电路的一部分，它的作用是发射用于近距离检测的源信号。由于超声波具有较好的反射性和定向性，超声波发射电路是由广告窗向正面方向发射超声波，当广告窗正面有人停留时，就会反射超声波送回至广告窗；超声波接收电路是近距离检测电路的另外一个部分，其作用是用于接收广告窗前停留的人或物所反射回来的超声波。反射超声波被超声波接收电路接收后就送入到单片机，从而可以判断出是否有人停留在广告窗前。4、单片机AT89C2051AT89C2051是控制系统的核心部分。其工作包括第一控制超声波信号的发射和超声波反射信号的接收；第二根据超声波反射的情况决定语音的播放；第三就是控制步进电动机带动广告窗画面按一定时间周期滚动从而输出不同的广告画面。滚动式广告窗工作过程是以单片机AT89C2051为核心的滚动式广告窗控制系统，通过超声波发射电路和接收电路检测广告窗前是否有人。当有人停留时，则视为其对广告牌有兴趣，播放当前画面语音广告信息；无人停留时，则通过单片机AT89C2051控制步进电动机循环滚动显示窗内广告画面，从而实现了静态广告画面滚动的自动控制。13滚动式广告窗的应用及发展趋势1、婚纱影楼、家居装饰、建筑装修、设计院、规划院、产品设计中心、桥梁建筑、汽超薄美观她超薄超轻。外形优雅大方。其厚度一般小于3CM，仅是普通灯箱厚度的近十分之一。因而她最大限度地提高了空间利用率，美化了环境，节省了运输成本，简化了安装程序，拓宽了应用范围。尤其是对空间使用要求苛刻的环境如电梯内、公共通道、商场、超市、地铁、车站等，是超薄灯箱最理想的适用场所。2、展览馆、博物馆、图书馆、体育馆、美术馆、陈列馆、歌剧院、大学、医院、保险、银行、证券的装饰宣传工程。3、会议中心、展览中心、办证中心、市政工程、百货公司、连锁超市、购物广场、珠宝首饰专卖、化妆品连锁、饮料贸易、烟酒贸易、连锁快餐、药品连锁、文具中心、精品中心、家居中心、家电批发、乐器专卖等广告促销工程。4、市政平面照明系统、广场地灯工程、公园景点介绍工程、地方等会工程、小区宣传栏工程、候车厅工程、银行自助取款工程、电话亭工程、电力应急工程、建筑展示工程、机场通道工程、地铁火车站出口工程等。5、酒店、宾馆、餐厅、山庄、茶馆、西餐厅、咖啡馆、美容院、保健院等的墙画美化工程。发展趋势滚动广告窗是近年来崛起的一种户外广告牌广告模式，采用微电脑控制转动卷轴的方式滚动显示不同的广告画面，以达到动感广告效果，滚动广告灯窗具有画面切换平稳顺畅，运行安静的特点，切换时间可任意设定。相比传统的单一平面广告，会带来更大的受众面，更多是视觉冲击效果，同时也会带来更多的生意人群。随着近几年技术的不断完善和成熟，产品的稳定性和可靠性得到了很大的提高，已经完全适应各种恶劣户外环境。滚动式广告窗具有以下几大技术特点，这是他得以发展的立足之本1、采用欧美同步的尖端科技。实现了全新的动感视觉效果，定时定格动感无限，代替以往单一画面，更具有视觉冲击力。2、智能画面。采用微电脑进行控制，可实现左右，上下的任意滚动效果，画面更换，停留时间可任意调整。3、机电一体化，电子部分采用高精度传感定位。机械部分采用主、从动转化，自调设置，转动流畅。4、多画面大容量，画面可放置28副，广告画面可任意增减，更换方便。5、广告灯箱可按要求制作吊式、立式及壁挂式，外观新颖独特。美化、亮化环境，为城市、企业增添几分现代色彩。6、滚动式广告窗成本低、效益大。由传统的单一广告模式变为多画面，减少了广告占用位置，在寸土寸金的现代城市，极大地降低了成本，造就更多的成功企业。7、防水放电装置，设定自动开机、关机程序，可适应不同的恶劣环境，具有测电保护功能，滚动广告灯箱发展前景。我们都知道，观众对于滚动滚动的画面具有更大的兴趣，相比单一的平面广告，会带来更大的受众面，带来更多的生意人群，现在已经有很多诸如如购物中心、市民广场、路牌广告、酒店等捷足先登，利用这种新的媒体广告方式将多种产品或服务进行全面的多样化的介绍，来招揽生意，根据调查显示，由于画面更迭出现，使得行人愿意停下来观看的时间增加了25，如果刚好在画面滚动时，这种机会还会增加1倍，人们就像停留下来看一下一幅出现的画面。这种动态的广告牌让产品广告更接近我们的现实生活，特别是在人流，车流量比较繁忙的地段，这种广告牌带给受众不同的的感觉，滚动广告灯箱的特点，不仅起到美化环境的效果，而且又增加了企业的销量，所以由此相信，滚动广告窗一定会得到长足的发展。2系统的总体设计滚动式广告窗采用单片机控制步进电动机滚动输出多种广告画面，并且能自动输出多种广告画面，还能自动识别广告窗前是否有人。若广告窗前有人，则单片机控制语音电路播放语音；没人时，单片机则控制步进电动机继续滚动广告画面。根据要求各电路元器件的选型如下1单片机选用AT89C20511。2近距离探测电路由超声波发射电路和接收电路两部分组成，采用一对经过优化的压电陶瓷片传感器，其中一个具有40KHZ发射功能，另一个具有40KHZ接收功能。3语音电路中的语音芯片采用ISD1200/1400语音处理集成电路。这种语音芯片内部有基准时钟源，控制非常方便。4步进电动机驱动电路采用SH20806C，它是一个内部可以自动产生对步进电动机控制信号的电路。它只要求外部向其提供3种控制信号步进脉冲信号、方向、控制信号和脱机控制信号。下图为系统总体设计图1图1系统总体设计图3单片机的介绍31单片机的概述单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，是计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELI960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过了300MHZ，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的WINDOWS和LINUX操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有12部单片机。而个人电脑中也会有不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的综合，甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微控制器。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相对于一个卫星的计算机，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是他的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10即可。用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟机、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的主要区别。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是也输得独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也难做到的。一个不是很复杂的功能是要用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板。但是如果要使用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可能性。由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级的汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢很多高级语言已经达到了可视化的编程的水平为什么不用呢原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸。对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编语言原始月还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC的也是承受不了的。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已经入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）、顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级还贷的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其他也要电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机其他可编程逻辑器件上。32单片机编程语言的介绍欲使单片机工作，必须给他“下命令”，这里的“命令”称作指令，单片机执行不同的指令就可以完成不同的操作。对于一些简单的任务，单片机执行一两条指令就可以完成，但是一些复杂的任务就需要执行很多条指令才可以完成。我们把单片机执行特定任务的指令的综合叫做叫做程序。我们编写这些指令综合的过程叫做程序设计。我们要单片机执行我需要的什么任务时，我们就对其写出任务命令，然后传达（编入）给单片机。要设计单片机程序，除了要了解单片机指令的含义和用法外，还要掌握指令组合成程序的规则。就跟我们学习英语一样，我们要学习英语的语法和用法规则，才能说好用好流利的英语。单片机常用的编程语言有机器语言、汇编语言和高级语言（主要是C语言）1机器语言单片机是一种大规模的数字集成电路，它只能识别0和1这样的二进制代码。以前在单片机开发过程中，人们用二进制代码编写程序，然后再把所编写的二进制代码程序写入单片机，单片机执行这些代码程序就可以完成相应的程序任务。用二进制代码编写的程序称为机器语言程序。在用机器语言编程时，不同的指令用不同的二进制代码代表，这种二进制代码构成的指令就是机器指令。在用机器语言编写程序的时候，由于需要记住大量的二进制代码指令及这些代码代表的功能，很不方便且容易出错，现在基本上很少有人用机器语言对单片机进行编程了。2汇编语言由于机器语言编程很不方便，人们使用一些有意义并且容易记忆的符号来表示不同的二进制代码指令，这些符号称为助记符。用助记符表示的指令称为汇编语言指令，用助记符编写出来的程序称为汇编语言程序。0111010000000010（机器语言）MOVA,02H（汇编语言）这两行程序的功能是一样的，都是将二进制数据00000010送到累加器A中。可以看出，机器语言程序要比汇编语言难写，并且很容易出错。单片机只能识别机器语言，所以汇编语言程序要汇编（翻译）成机器语言程序，再写入单片机中。一般都是用软件汇编自动将汇编语言翻译成机器指令。3高级语言高级语言是依赖数学语言设计的，在用高级语言编程时不用过多的考虑单片机的内部机构。与汇编语言相比，高级语言易学易懂，而且通用性很强。高级语言的种类很多，如B语言PASCAL语言C语言和JAVA语言等。单片机常用C语言作为高级编程语言。14单片机不能识别高级语言的程序，因此也需要用编译器对高级语言程序翻译成机器语言程序后再写入单片机。在以上三种编程语言中，高级，高级语言编程较为方便，但实现相同的功能，汇编语言代码少，运行效率高，另外对于初学单片机的朋友，学习汇编语言编程有利于更好的理解单片机的结构与原理，也能为以后学医高级语言编程打下扎实的基础。33AT89C2051引脚功能介绍图2AT89C2051引脚配置AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与INTELMCS51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图2所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。AT89C2051芯片的20个引脚功能为VCC电源电压。GND接地。RST复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡放大器的输出。P1口8位双向I/O口。引脚P12P17提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P10和P11需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20MA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P3口引脚P30P35与P37为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P36在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20MA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。3454系统的硬件设计41步进电机及驱动电路的设计411步进电机的特性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腾龙版步进电机的步进角度为75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。因此，目前打印机，绘图仪，机器人等等设备都以步进电机为动力核心。412步进电机的原理和分类工作原理步进电机是一种感应电机，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，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；混合式步进电机是指综合了永磁式和反应式的优点而设计的步进电机。它又分为两相、三相和五相两相步进角一般为18度，三相步进角一般为12度，而五相步进角一般为072度。413步进电动机的控制原理及驱动原理图3步进电机控制系统滚动式广告窗是由步进电机带动广告画面滚动显示的。在系统中，单片机发射控制信号给步进电机驱动电路，再由步进电机驱动电路来驱动步进电动机。步进电动机控制原理如图3所示。单片机的P32用于发送步进脉冲信号，故和步进电动机的步进端相接；P33用于控制步进电动机的转动方向，所以和驱动电路的方向端相连；P34用于控制步进电动机脱机，故和脱机端相连。另外，单片机的电源和驱动电路的4端相连。实际上，步进电动机驱动电路SH20806C的输入端1都是和光电耦合器的输入发光二极管的负端相连，从而有3路光电隔离控制信号控制步进电动机；而输入端4则和3路光电耦合器的输入发光二极管的正极相连，为发光二极管提供5V电源。步进电机驱动电路SH20806C是一个内部可以自动产生对步进电动机控制信号的电路。它只要求外部向其提供3种控制信号步进脉冲信号、向控制信号以及脱机控制信号。231步进脉冲信号STEP步进脉冲信号最高频率为50KHZ，这个信号为低电平时，使驱动电路内部光电耦合器的发光二极管导通。驱动电路在步进脉冲信号的下降沿时响应工作，脉冲低电平的有效宽度不能小于10S。32方向控制信号DIR这个信号用于控制步进电动机的旋转方向当这个信号为高电平时为一种转动方向；当信号为低电平时为反方向。为了保证可靠控制方向，要求方向控制信号比步进脉冲信号至少提早20S建立。步进电机的初始运行方向和电机接线有关，把电动机的两相互换，则可改变电动机的初始运行方向。33脱机控制信号FREE这个信号用于控制步进电动机电源的开关，当其为低电平时，驱动电路切断步进电机绕组电流，使电机处于自由状态，此时步进脉冲信号不能被响应。自由状态可显著降低驱动电路和步进电机的功耗和温升，当不用此功能时，这个信号可以悬空。步进电动机采用型号为86BYG250BBAFRBC0302的两相混合式步进电动机，其相数为2，步距角为18，静态相电流3A，相电阻12，相电感为72MH，转动增量为3000GCM2。步进脉冲信号、方向信号以及脱机信号的时序波形图如图5所示图5步进、方向、脱机信号波形时序步进电机驱动器系统电路原理图6步进电机驱动器系统电路原理图AT89C2051将控制脉冲从P1口的P14P17输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHZ的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。89图6中的RL1RL4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。在50外接电阻上并联一个200F电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。1542超声波检测部分设计421近距离探测电路近距离探测电路由发射电路和接收电路两部分组成，如图7图7超声波发射和接收电路所使用的传感器谁一对经过优化的压电陶瓷片，其中的一个具有40KHZ的发射功能，另外一个具有40KHZ的接收功能。根据雷达的探测原理，所有进入该探测电路的探测范围的物体都可以将HD1压电陶瓷片发射的40KHZ超声波反射到接收端的HD2压电陶瓷片上。由AT89C2051单片机P35端口控制的NE555输出信号驱动BG1功率管，再由升压变压器T1升压后驱动HD1压电陶瓷片向广告窗前发射出40KHZ的超声波信号。接收电路主要有LM324运放组成，首先由两级单电源的同相放大器将接收电路中的HD2所接收到的微弱信号进行逐级放大，再有下一级的比较器对其输出地幅度进行比较，没有超过设定门限的则被认为是无用信号；超过的被认为是有用信号，有用的将被送入单片机的P37端口进行更进一步的判定。当接收电路接收到设定数量的40KHZ的回波脉冲信号后，即认为在广告窗前有人，则单片机马上控制ISD1210语音电路播放出与此时广告画面对应的语音信息。直到人离开后才停止播放语音信息，然后恢复原来的滚动。422超声波发射原理超声波发射电路由555可控振荡电路以及超声波输出电路组成。555可控振荡电路的核心是555时基集成电路。555时基集成电路之所以用“555”来标志其型号，是因为芯片内的基准电压由3个误差极小的5K电阻组成，有很高的分压精度。555时基电路之所以得到广泛的应用，是因为它具有如下几个特点（1）555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成的。它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成电路的应用范围。（2）该电路采用单电源。双极型555的电压范围为4515V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为218V。这样，它就可以与模拟运算放大器、TTL或CMOS数字电路共用一个电源。（3）555可独立构成一个定时电路，并且定时精度高。（4）555时基集成电路最大输出电流达200MA，带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。555时基集成电路的封装如图8所示，一般采用双列直插式封装，也有少数采用TO99型封装。图8555时基电路的封装555时基集成电路的等效电路框图如图9所示图9555等效功能框图从图9可见，3个5K电阻组成的分压器，使内部2个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为2/3VDD，下触发电平为1/3VDD。在5脚控制端外接一个参考电源VC，可以改变上、下触发电平值。比较器A1的输出同或非门1的输入端相接，比较器A2的输出端接到或非门2的输入端。由于由两个或非门组成的RS触发器必须用正极性信号触发，因此，加到比较器A1同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，RS触发器才翻转；而加到比较器A2脚的触发信号，只有当点位低于A2同相端的点位1/3VDD时，RS触发器才翻转。在555电路中，引脚2的触发信号比引脚6的阀值触发信号要优先，就是说，只要引脚2有低电平1/3VDD输入，则不论引脚6状态如何，都会把片内RS触发器置为“1”，这时或非门2输出为“0”，故V0输出“1”。555电路的功能真值表如表1所列表格1555电路的功能真值表引脚2（ERROR）6R4ERROR7Q3V01/3VDD14V截止11/3VDD2/3VDD14V导通01/3VDD2/3VDD14V保持保持状态14V导通0根据555电路的真值表，在图7超声波发射电路中，只单片机输入输出端口P35输出为低电平，即P350,555的引脚2输入的电平低于1/3VDD,则555电路只处于VO1状态，即其引脚3输出“1”。当P351时，则有555电路的引脚2输入电平高于1/3VDD，而同时P35输出地高电平经R2和W1对C3充电，当C3充电到达2/3VDD时，则555的引脚6会使其内部RS触发器翻转，从而使引脚3输出“0”。同时，由于引脚7导通接地，则C3的电荷通过内部晶体管BG1放电。当C3的电荷放到一定程度，C3的电压下降到使R2，W1分压比小于1/3VDD，输入到引脚2中，则555的引脚3又输出“1”，同时，RS触发器输出地“0”信号使BG截止，C3停止放电。P35送来的高电平又经R2，W1对C3充电以后过程重复进行。显然，这是一个震荡过程。振荡频率由R2，W1和C3的值确定。由此看出第一，单片机P350时，555电路输出静态电平，VO1；第二，单片机P351时，555电路输出振荡信号，频率由R2，W1，C3的参数决定。只要恰当选择这些参数，可以使555电路输出40KHZ的超声波信号。555电路产生超声波信号通过功放电路的晶体管BG1放大之后，经由变压器T1耦合给压电陶瓷片HD1转换成声波发射出去。423超声波接收原理超声波接收原理非常简单，压电陶瓷片HD2接收反射的超声波之后，会产生一定的微弱电压，这个电压由2级同相的放大器进行放大，经过2级放大后产生足够大的信号，再和第3级的给定信号进行比较；当超过给定的比较阀值，则认为反射的超声波是真信号，否则以为是伪信号。第3级比较器产生的40KHZ信号送到单片机的P37端。单片机对P37端输入的信号进行计数，当其值足够大时，可以认为是有人停留在广告窗前，否则，只是表示有人路过广告窗。6743语音电路设计语音电路的语音芯片采用ISD1200/1400语音处理集成电路。这种语音芯片内部有基准时钟源，以单一电源5V供电。只需要少量的外围元件就可以构成一个录放音电路。在录音时只需一个按键控制，放音时也只需一个按键控制，所以控制极为方便。另外，采用单片机的电平也可完成录放音按键的控制功能。在芯片内存储的语音电路可保存100年，芯片的录放次数可达10万次。1ISD1200/1400的内部逻辑结构ISD1200/1400系列语音集成电路有4种不同的型号，如表2所示表格2ISD1200/1400系列语音芯片器件型号录放音时间最大输入采样频率/KHZ通频带上线/KHZ分辨率/MSISD1210106427125ISD1212125323150ISD1416168034100ISD1420206427125ISD1200/1400系列语音集成电路的内部结构由内部时钟电路、自动增益控制电路、前置放大电路、滤波器、差动功率放大电路、电源电路、存储器EEPROM、地址译码电路、存储控制电路等组成，结构框图如图11所示图11ISD1200/1400芯片结构框图2ISD1200/1400的封装引脚及含义ISD1200/1400系列语音芯片在表2中列出4中，每种型号的最后2位数字表示语音录放时间的长度。从表中可知，录放时间最短的为10S，最长的为20SISD1200/1400系列语音芯片的封转引脚如图12所示。它是有28条引脚的双列直插式芯片。各条引脚的功能含义说明如下。图12语音芯片封装引脚图A0A7引脚16,9,10，地址输入端或控制命令输入端。A7，A6同时为高电平时，A4A0为控制命令；否则，A7AO为地址。DGND引脚12，数字信号地线。AGND引脚13，模拟信号地线。SP,SP扬声器连接端，输出音频信号。V模拟信号电源，5V。MIC引脚17，话筒输入端。MICREF引脚18，话筒参考输入端。AGC引脚19，自动增益控制端。ANAIN引脚20，模拟信号输入端。ANAOUT引脚21，模拟信号输出端。引脚23，语音控制电平触发端。当该段位低电平时，芯片进入语音周PLAY期；当该段为高电平时，停止放音。引脚24，语音控制脉冲触发端。该端输入由高电平向低电平跳变的下E降沿时，芯片进入语音周期。引脚25，录音显示端。该端接发光二极管，在录音时做录音指示灯。RCLDXCLK引脚26，始终控制端。引脚27，录音控制端。该端为低电平时，芯片进入录音状态，录音期间该端必须保E持低电平。信号的优先级高于和两种放音信号。RCPLAYERCD3ISD1200/1400的应用方法ISD1200/1400芯片有2种基本的应用方法，即固定地址发和随机地址法。固定地执法中，较多使用的固定地址是把A0A7接地，故录放音都是从存储器的首地址开始，而录放音由有关按键进行控制。固定地址的录放音电路如图13所示图13固定地址录放音电路固定地址录放音电路的工作过程如下录音时只需按下S3键，REC电平由高变低，声音由话筒输入。同时由于RECLD端的电平降低，发光二极管发光，指示录音正在进行中。松开S3，录音中止，发光二极管熄灭。放音可通过两种方式控制第一种是电平触发控制，即按下S1键，此时端电平由高变低，放音开始。在放音过程中如果松开S1键，端电平PLAYPLAY变高，放音立即中止，否则放音将持续下去，直至全部信息播完为止。第二种是脉冲触发方式，即按下S2键，才是在端产生一个由高到低的电平跳变，期间PLAYE就进入放音状态，并一直进行直至全部信息播完，而不管中间是否松开S2键。随机地址录放音电路的录放音起始地址可以通过单片机对ISD1200/1400系列语音芯片的A0A7进行控制而实现。随机地址可以选择芯片中的任意地址。随机地址录放音电路如图14所示12随机地址录放音电路的工作过程如下。图14录放音电路图单片机的P1端口和ISD1200/1400芯片的A0A7对应连接，P31和REC的外接开关S一端相连，P30则和或相连。模拟语音信号从MIC和MICPLAYEREF两个端口输入，经拾音放大器放大又从ANAOUT端输出，然后通过外接耦合电容输入到ANAIN端，该信号再经适当放大后就可被时钟信号采样存储到EEPROM中。AGC端一般直接一个RC积分容器即可，它可使存储的语音具有良好的重放效果。A7A0端口具有地址编码和逻辑控制双重功能。当A7，A6都取值为高电平时，A4，A3，A1，A0，各位用作芯片操作方式控制。A0用作信息检索控制。例如在放音时，如果不清楚每段语音的实际地址，可用A0控制检索过程，A0每输入一个负脉冲，地址计数器就可跳过一段，指向下一段的地址。A1用作删除信息段结束标志的控制位，例如在录音期间可用A1删除每段信息中间的结束标志的插入，是全部录制内容只保留最后一个结束标识符，以便将来可以连续重放。A3可用来进行片内信息循环重放的控制，既可以循环重放一段，又可以循环重放全部。A4用于连续寻址控制，一般情况下芯片放完一段遇上结束标志就要停止，计数器会自动复位。用A40就可以制止这种复位过程，实现片内信息的连续播放。A1若与A0联用，控制效果更好。当A6，A7中有一个为低电平时，A7A0用作EEPROM的地址编码。编码范围为00H9FH，共160个地址码，对应着160段语音存储单元。若芯片的录放时间为TM，则们段录放时间TSTM/160,称为分辨率。根据它可以估算出从录放开始算起的每段语音起始时间。录放地址信息都是在有效录放控制命令下降沿时写入片内地址锁存器的，因此可以有选择地进行语音的存储录放。因此，在录音时，在不同地址内，录入不同广告画面对应的语音；在显示一幅广告画面时，在单片机控制下同步放出对应语音。10115系统的软件设计51系统的软件流程图滚动式广告窗的控制软件包括3种主要功能步进电机控制功能；超声波控制及接收功能；语音播放功能。另外还有广告画面停留时间的定时功能，初始化功能等滚动式广告窗控制软件框图如图15所示图15控制软件框图程序开始执行时，先对AT89C2051的有关部件包括定时器、I/O端口进行初始化，接着开始执行步进电机控制，使广告窗滚动显示一幅新的广告画，接着步进电机停止工作，广告画静态显示，程序开始定时，以确定广告画静态停留的时间。在定时过程中，单片机控制超声波发射电路发射超声波，接着程序判别定时时间是否结束，如果没有结束，则去判别是否接收到超声波的反射信号，实际上是检测P37的输入信号。当接收到超声波信号并有一定时间时，则播放对应的语音信号，也就是说一幅广告画应该和一段语音对应，如果没有收到超声波信号，则不播放语音，此后返回去对定时时间进行判别,如果没有结束定时则重复上述相关过程；如果定时结束,则单片机控制发射超声波电路停止工作,然后返回程序开始部分,重新执行步进电机控制,滚动翻出一幅新的广告画,并静态显示,此过程不断执行下去,所以,可以循环显示若干幅在广告窗内部安装好的广告画。52步进电动机的设计流程图步进电动机驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择方式1为中断方式P35（INT1）为步进脉冲输入端，P37为正反转脉冲输入端。上位机（PC机或单片机）与驱动器仅以2条线相连。方式2为串行通讯方式上位机（PC机或单片机）将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。方式3为拨码开关控制方式通过K1K5的不同组合，直接控制步进电机。图16步进电机控制流程图当上电或按下复位键KR后，AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态，根据KX、KY的不同组合，进入不同的工作方式。以下给出方式1的程序流程框图与源程序。在程序的编制中，要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。其中20H单元的各位为步进电机正转标志位；21H单元各位为反转标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值；在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。六结论本次毕业设计是对滚动式广告窗控制部分的研究，主要是以单片机AT89C2051为控制系统的核心。AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与INTELMCS51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。该单片机在此系统中主要控制三个部分（1）控制超声波信号的发射和超声波和超声波反射信号的接收。由单片机的P35口控制的NE555输出信号驱动功率管再经过升压变压器升压后驱动压电陶瓷片想广告窗前发射信号；接收电路主要由LM324运放组成，经过同相放大器将接收到的信号放大，然后经比较器进一步判定是否为有用信号，然后再送入单片机做进一步的判断。（2）控制语音电路的播放。根据上一级单片机对超声波信号的判断，如果为有用信号，则播放与此是广告画面相对应的语音广告；反之则不播放。（3）控制步进电动机的转动。在广告窗前无人的情况下，控制步进电动机带动广告窗按一定时间周期滚动输出不同的广告画面。有人的情况下则停止其转动。通过设计实现了滚动式广告窗所要求的功能。实现了静态广告画面滚动的自动控制，使人们对广告的注意和了解加深，同时加强了广告的效果。同时对单片机以及其他电子元器件有了更近一步的了解，学会了基本电路元器件的选型，进一步巩固了大学所学的电子技术和电工技术两门课程所学的知识。参考文献1余永权ATMEL89系列单片机应用技术M北京