單片機智能升旗系統設計帶ISD4004語音,MC3479驅動步進電機附程序+電路圖

ID:494149 · 發表于 2019-3-21 23:07

隨著電子技術的發展，各種各樣的系統越來越接近自動化了，本系統設計一套采用智能升旗系統來代替人工的系統，并解決演奏速度不同步的問題，將使操作起來非常方便，能大大提高了質量和效率。
該系統以Atmel公司生產的AT89S52單片機為核心，利用ISD4004作為語音存儲芯片，實現長時間的存儲語音，利用MC3479驅動步進電機，準確完成
實驗效果表明：系統可全自動的實現升旗，同時完成語音播放，具有方便實用價值，具有一定經濟價值。

2系統方案設計             1

2.1 系統總體方案
2.2 系統功能介紹             2
2.3 主控芯片介紹             2
3 硬件系統設計             3

3.1硬件設計思路             3
3.2模塊電路設計             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 軟件系統的設計

4.1 軟件系統組成
4.2鍵盤顯示軟件設計
4.3步進電機程序設計             10
4.4語音程序設計             11
5 總結             12

附錄1系統原理圖             14
附錄2系統部分軟件             15
附錄3系統實物圖             19

本系統以Atmel公司生產的AT89S52單片機為核心,實現了在自動升旗過程，脫離了傳統的人工，只需控制按鍵就可以完成全過程，操作方便、快捷。系統功能齊全，既可當作實驗系統提供給學生用，如高校實驗室使用；又可添加部分硬件構成其他工業應用產品。系統可以實現室內外自動升旗、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，我們在實際設計中還預留了很多的功能接口，以便于系統功能的擴展，如利用傳感器檢測環境變化實現自動化。因此，系統的使用性和多功能性得到了很好的體現。

2.1 系統總體方案

本系統的開發以為單片機為控制核心，綜合考慮了單片機的性能、系統成本及使用人群等方面的因素。同時也語音播放的效果，設計出一種經濟、實用且功能強大的升旗系統。系統由JTAG接口、語音回放、鍵盤、顯示、功率放大等模塊構成。系統框圖如圖2.1所示。

圖2.1

2.2 系統功能介紹

通過以上方案，系統能夠完成如下功能：鍵盤輸入，鍵盤是一個系統和外界交互的橋梁，鍵盤部分實現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揮著不可忽視的作用，該部分完成了單片機系統內部數據的輸出顯示；語音播放是升旗中不可缺少的部分，通過ISD4004實現語音的回放功能，由于系統的語音芯片輸出功率大小不夠，通過TDA2030語音放大模塊實現語音的放大，應用喇叭輸出；同時利用MC3479芯片驅動步進電機，實現自動升旗的效果，通過對步進電機的控制，可以準確的實現對高度的控制，通過對電機的計算可以實現對高度的測量，以便顯示當前的高度。

2.3 主控芯片介紹

本設計中用的單片機是Atmel公司生產的AT89S52單片機。它是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用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片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。

3 硬件系統設計

3.1硬件設計思路

為迎合本產品的設計目的，我們以Atmel公司廉價的AT89S51/52為核心，來構建一個廉價的自動控制系統。要求方便操作，所以本系統將采用按鍵操作，以實現操作簡單，為設計方便，用模塊化設計。設一塊主模塊，若干實驗子模塊，主模塊的引腳盡量由用接口引出，根據系統的要求，如果在主模塊上不方便實現，選用相應的子模塊與主模塊接上，進行實驗本系統要求要有明確的設計思路，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計的電路部分按子模塊設計。這樣的設計能使電路更容易的升級，只要增加相應的電路子模塊即可。本系統的設計的創新點也在于此——追求系統的方便性。

3.2模塊電路設計

3.2.1 顯示模塊

鍵盤和顯示往往是一個控制系統的重要部分，同時也是最難做的一部分。在本系統中，為了節約端口，同時簡化程序編寫和保證系統工作的穩定性，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,音質好,適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片采用CMOS技術,內含振蕩器、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, 每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲,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,而音質則有所下降,片內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，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數據放到本端，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。

串行時鐘（SCLK）：ISD 的時鐘輸入端，由主控制器產生，用于同步MOSI 和MISO 的數據傳輸。

數據在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。

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。中斷狀態在下一個SPI周期開始時清除。中斷狀態也可用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 電機驅動模塊

系統采用MC3479來驅動步進電機，下面對MC3479的驅動模塊做如下說明，MC3479適用于驅動兩相電機(四線和六線,尤其適用于四線，)，此模塊用于驅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，輸出高電平時反轉。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。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狀態, 輸入高電平時輸出端為低阻抗狀態。P1_7輸出一個高電平即可把電機置位到時A相初始狀態,就是復位。每次運行前最好先復位,以使運行更精確。在P1_7和6腳之間串聯的電阻可以確定芯片的輸出電流，其關系為。

我們的模塊中設置R=120K，即輸出電流為109mA。P1_5為時鐘輸入。全步狀態時,每個時鐘電機運行一步,最高頻率833Hz。半步狀態時，每個時鐘電機運行半步，最高頻率1250Hz。

應用中的注意點：
1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（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，整步狀態時振動大。
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動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不過要考慮溫升。
4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。
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，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。
7、電機不應在振動區內工作，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，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。

其原理圖如下：

圖3.2.4

3.2.5 電源模塊

由于系統需要不同的工作電壓，因此本系統利用多穩壓芯片來實現多電壓，首先通過L7812得到穩定的+12V輸出，經過濾波后輸入到L7805實現+5V電壓輸出，由于ISD4004工作在+3V電壓，所以系統經過LM317可調穩定輸出+3V電壓，其原理圖如下：

圖3.2.5

3.2.6 控制模塊

系統采用AT89S52作為控制模塊，該芯片前面已經做了詳細的說明，這里略到芯片的說明，其原理圖如下：

圖3.2.6

4 軟件系統的設計

4.1 軟件系統組成

通過應用C51程序設計的基本的語音和控制程序，各模塊源程序的程序設計如下模塊所示，各程序設計目的：基本I/O口實驗，通過單片機并口的輸入、輸出功能特點。中斷優先級等，實現對各系統的控制。鍵盤掃描，可以了解掃描操作。實現控制操作。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，然后對電機實現轉速的控制。顯示程序，通過先計算出系統的轉數，然后轉化為高度，通過串口送數顯示。

所有程序均采用標準C語言編寫，并加入了適當的注釋，增強了程序的可讀性和可移殖性。

4.2 鍵盤顯示軟件設計

74LS164是一片具有串行接口輸入，并行接口輸出的芯片，通過從串口連續送8個數據，此時從并口輸出數據到數碼管顯示，其程序框圖如4.2.1下所示：

圖4.2.1

4.3 步進電機程序設計

系統通過對MC3479的操作來實現對電機控制，首先程序對MC3479初始化，將其對應的因腳置電位，讓電機先從A相位開始轉動。以便對轉數的計算，以二相反應式步進電機為例：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，轉子鐵心及定子極靴上有小齒，定轉子齒距通常相等。轉子鐵心上沒有繞組，轉自的齒數為40，相鄰兩個齒之間夾角為9o。當某一相繞組通電時，由于定轉子上有齒和槽，所以當轉子齒的相對位置不同時，在磁場的作用下，轉子將轉動一個角度，使轉子和定子的齒相互對齊，這就是使步進電機旋轉的原因。

步進電機的運轉始由脈沖信號控制.通過改變各相通電的次序可以調整步進電機的運轉方向。如圖4.3.1為步進電機流程圖。