单片机智能升旗系统设计 带ISD4004语音,MC3479驱动步进电机 附程序+电路图

2.1 系统总体方案

本系统的开发以为单片机为控制核心，综合考虑了单片机的性能、系统成本及使用人群等方面的因素。同时也语音播放的效果，设计出一种经济、实用且功能强大的升旗系统。系统由JTAG接口、语音回放、键盘、显示、功率放大等模块构成。系统框图如图2.1所示。

图2.1

2.2 系统功能介绍

通过以上方案，系统能够完成如下功能：键盘输入，键盘是一个系统和外界交互的桥梁，键盘部分实现了键盘的控制的输入；显示，和键盘一样，显示模块在人机交互时发挥着不可忽视的作用，该部分完成了单片机系统内部数据的输出显示；语音播放是升旗中不可缺少的部分，通过ISD4004实现语音的回放功能，由于系统的语音芯片输出功率大小不够，通过TDA2030语音放大模块实现语音的放大，应用喇叭输出；同时利用MC3479芯片驱动步进电机，实现自动升旗的效果，通过对步进电机的控制，可以准确的实现对高度的控制，通过对电机的计算可以实现对高度的测量，以便显示当前的高度。

2.3 主控芯片介绍

本设计中用的单片机是Atmel公司生产的AT89S52单片机。它是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S52具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 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，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

3 硬件系统设计

3.1硬件设计思路

为迎合本产品的设计目的，我们以Atmel公司廉价的AT89S51/52为核心，来构建一个廉价的自动控制系统。要求方便操作，所以本系统将采用按键操作，以实现操作简单，为设计方便，用模块化设计。设一块主模块，若干实验子模块，主模块的引脚尽量由用接口引出，根据系统的要求，如果在主模块上不方便实现，选用相应的子模块与主模块接上，进行实验本系统要求要有明确的设计思路，不追求主模块的全面性，考虑在主模块上保留不占I/O口电路的同时，对不易于在主模块上设计的电路部分按子模块设计。这样的设计能使电路更容易的升级，只要增加相应的电路子模块即可。本系统的设计的创新点也在于此——追求系统的方便性。

3.2模块电路设计

3.2.1 显示模块

键盘和显示往往是一个控制系统的重要部分，同时也是最难做的一部分。在本系统中，为了节约端口，同时简化程序编写和保证系统工作的稳定性，我们采用了键盘和传口输入，并口输出芯片74LS164，提供串人——并出的原理，其图3.2.1如下：   

图3.2.1

3.2.2 语音模块

   系统采用语音回放芯片ISD4004， ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。下面对ISD4004的引脚说明：制输入口依次为:SS,MOSI,MISO,RAC,INT,SCLK,VCC,GND。

片选（SS）：此端为低，即向该ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。

串行输入（MOSI）：此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ISD 输入。

串行输出（MISO）：ISD 的串行输出端。ISD 未选中时，本端呈高阻态。

串行时钟（SCLK）：ISD 的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI 和MISO 的数据传输。

数据在SCLK 上升沿锁存到ISD，在下降沿移出ISD。

行地址时钟（RAC）：漏极开路输出。每个RAC 周期表示ISD 存储器的操作进行了一行（ISD4004系列中的存贮器共2400 行）。该信号保持高电平的时间为175ms，低电平时间为25ms。在快进模式，RAC 可保持高电平218.75μs，低电平31. 25μs。该端可用于存储管理技术。

中断（INT）：本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作（包括快进）中检测到EOM或IVF 时，本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT 指令读取。

ISD的工作电压是3V，模块中加了分压电路，电源输入5V。

信号输入有两个端口，一个是MIC输入，另一个是模拟信号直接输入。模块采用单端输入，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值32mV。

其原理图3.2.2如下：

图3.2.2

3.2.3 语音放大模块

     本系统采用语音放大芯片TDA2030，其原理如图3.2.3所示下：

图3.2.3

3.2.4 电机驱动模块

  系统采用MC3479来驱动步进电机，下面对MC3479的驱动模块做如下说明，MC3479适用于驱动两相电机(四线和六线,尤其适用于四线，)，此模块用于驱动我们实验室两相四线的42BYGH103电机。实验室的六线电机还需要调整一下接线，并把两个抽头悬空。该芯片输入端TTL和 CMOS 兼容。

P1_0输出低电平时电机正转，输出高电平时反转。P1_1输出低电平时全步运行，高电平时半步运行。通过读P1_2若为低电平可以知道电机运行到初始A相状态。P1_3输出阻抗选择控制端(只在半步方式有效) , 输入低电平时输出端为高阻抗状态, 输入高电平时输出端为低阻抗状态。P1_7输出一个高电平即可把电机置位到时A相初始状态,就是复位。每次运行前最好先复位,以使运行更精确。在P1_7和6脚之间串联的电阻可以确定芯片的输出电流，其关系为。

我们的模块中设置R=120K，即输出电流为109mA。P1_5为时钟输入。全步状态时,每个时钟电机运行一步,最高频率833Hz。半步状态时，每个时钟电机运行半步，最高频率1250Hz。

应用中的注意点：
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。
7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

其原理图如下：

图3.2.4

3.2.5 电源模块

  由于系统需要不同的工作电压，因此本系统利用多稳压芯片来实现多电压，首先通过L7812得到稳定的+12V输出，经过滤波后输入到L7805实现+5V电压输出，由于ISD4004工作在+3V电压，所以系统经过LM317可调稳定输出+3V电压，其原理图如下：

图3.2.5

3.2.6 控制模块

   系统采用AT89S52作为控制模块，该芯片前面已经做了详细的说明，这里略到芯片的说明，其原理图如下：

图3.2.6

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             4 软件系统的设计

4.1 软件系统组成

通过应用C51程序设计的基本的语音和控制程序，各模块源程序的程序设计如下模块所示，各程序设计目的：基本I/O口实验，通过单片机并口的输入、输出功能特点。中断优先级等，实现对各系统的控制。键盘扫描，可以了解扫描操作。实现控制操作。语音控制程序采用先录音再放音的原理。电机控制程序利用先对电机初始化，然后对电机实现转速的控制。显示程序，通过先计算出系统的转数，然后转化为高度，通过串口送数显示。

所有程序均采用标准C语言编写，并加入了适当的注释，增强了程序的可读性和可移殖性。

4.2 键盘显示软件设计

74LS164是一片具有串行接口输入，并行接口输出的芯片，通过从串口连续送8个数据，此时从并口输出数据到数码管显示，其程序框图如4.2.1下所示：

         

                               图4.2.1

  4.3 步进电机程序设计

系统通过对MC3479的操作来实现对电机控制，首先程序对MC3479初始化，将其对应的因脚置电位，让电机先从A相位开始转动。以便对转数的计算，以二相反应式步进电机为例：它的定子上有二磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，这两个磁极的极性相反；二相绕组接成星形，转子铁心及定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。转子铁心上没有绕组，转自的齿数为40，相邻两个齿之间夹角为9o。当某一相绕组通电时，由于定转子上有齿和槽，所以当转子齿的相对位置不同时，在磁场的作用下，转子将转动一个角度，使转子和定子的齿相互对齐，这就是使步进电机旋转的原因。

步进电机的运转始由脉冲信号控制.通过改变各相通电的次序可以调整步进电机的运转方向。如图4.3.1为步进电机流程图。

图4.3.1步进电机程序流程图

4.4 语音程序设计

  系统采用先对ISD4004初始后，先从地址0000H开始录音，持续一段时间后，根据控制操作实现放音操作，放音从开始录音的地方，连续的播放，直到遇到停止操作，否则一直播放下去，直到最后一个录音地址。其程序流图如下：

               

图4.4.1

此开发系统采用Atmel公司生产的AT89S52单片机为核心，通过语音与电机驱动与一体，结构逐步扩展功能模块，采用分开设计，分开调试，然后再进行整机调试和整合的开发方式，成功的实现了各功能。虽然此系统在功能实现了智能升旗的作用，但开发系统还存在一些不足，如：没有合理利用传感器等。

总之，该实验系统还是有许多可取之处的：结构简单而功能丰富。

经过此次硬件系统的设计，不仅对所学专业知识巩固和加深了一遍，更重要的是提高了自己的工程应用能力和科技论文撰写水平，同时更加深刻体会到仅仅拥有理论知识是远远不够的，只有在实践中不断探索，才能真正体会到理论的精华所在，只有将理论和实践有机的结合起来，才能真正掌握知识。

附录3系统部分实物图