应用电子-何泽平-毕业设计 PPT课件

1、1,毕 业 论 文 答 辩 题目：六路抢答器设计,办学单位：华南理工大学继续教育学院 班 级：09年应用电子专业（专科） 学 生：何泽平 指导教师：陈教授,2,目录,Page 3,双击添加标题文字,1,设计背景,2,设计任务与要求,绪论,4,在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光及音响等多种手段指示出第一抢答者。同时还可以设置记分、犯 规及奖励记录等多种功能。该设计就是针对上述各种要求设计出的供 6 名选手参赛使用的数字式竞赛抢答器。数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器 、 译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控

2、制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器 上输出实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后，数字抢答器成形。,设计背景,5,1设计制作一个可容纳六组参赛的数字式抢答器，每组设计一个抢答按钮供抢答者使用。 2电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指 令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别， 同时扬声器发出“嘀嘟”的双音音响持续 23 秒。此时，电路应具备自锁功能，使别组的抢答开关不起作用。 3设置记分电路。每组在开始时预置成 100 分，抢答后由主持人记分

3、，答对一次 加 10 分，否则减 10 分。,设计任务与要求,6,4设置定时电路。30 秒时仍无人抢答，则报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止 抢答。 5设置犯规电路。对提前抢答和超时抢答的组别鸣喇叭示警，并由组别电路显示 出犯规组别。,设计任务与要求,Page 7,双击添加标题文字,1,计算机电子技术发展的概述,2,方案的选择及设计思路与原理方框图,系统概述与原理方框图,8,计算机电子技术发展,单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机的发展正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。近几年，由于某种原因CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的C

4、MOS化，此种芯片除了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，提升信息处理功能，中断和定时控制功能，在一般上还具有串行扩展技术，随着低价位OTP及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，特别是IIC，API等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。这就引导我们利用单片机来制作6路抢答器。,Page 9,设计思路,1,总体方框图,2,方案的选择及设计思路与原理方框图,10,设计思路,设计一个智力竞赛抢答器，可同时供N名选手或者N个代表队参加比赛，他

5、们的编号分别为0,1,2N-1,各用一个抢答器按钮,按钮的编号与选手的编号相对应,分别设为S0,S1SN-1。节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答器的开始。并且抢答器具有数据锁存和显示的功能，抢答开始手，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。,Page 11,总体方框图,系统的总体方框图如下图所示：,Page 12,总体方框图,利用单片机AT89C2051，它是一种性能优良的集成可编程的单片机，其功能十分的强大，它把CPU、存储器、

6、及I/O集成到一个芯片上，只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的控制系统。这样可以降低设计出来的产品的硬件成本，通过编程快速实现对不同密码值的输出与控制。 多路抢答器系统的整个系统从大体来看可以分为键盘抢答输入，系统处理，数字数码管显示，声音的输出以及对电脑的串口通信等。而本设计将分为以下四个部分：键盘输入部分，电源部分，数字显示部分，MCU中央处理部分和串口通信部分。,Page 13,总体方框图,系统的工作原理为： 1、按动六路抢答器按键，相应的在数码管中显示抢答成功的编号，如2号选手最先按下抢答键，则显示“2”，其他选手无法输入，同时音乐声响起，表示抢答成功； 2、在抢答成功，音乐响起时

7、，如不进行人为的解除，则经30秒后自动停止发声，数码管熄灭，可自动进入下一轮抢答，如要人为地终止音乐，只需按下复位键便可。,Page 14,总体方框图,该系统的主要的电路有：电源电路，单片机及其外围控制电路，键盘输入电路，数码管显示电路，复位电路，音乐驱动电路，串口通讯等。具体的系统框图如图所示：,Page 15,总体方框图,系统的主要特点有： 该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此相对来说体积小。 该系统能用软件的方式设计硬件，所以用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，易操作。 具有具体数字显示的功能。 可以从以前的组合设计转向真正的自由

8、设计，所以设计的移植性好，效率高。可适合大规模的现场制作。 利用按钮进行输入，输入简单。 具有智能报警的功能，当选定之后就马上锁定，并且发出音乐声音。大大提高了抢答器的可靠性。 因为整个系统可集成在一个芯片上，因此体积小，功耗低，可靠边性更高。并且非常适合合分工作，团队精神。,Page 16,1,四路抢答器系统电源的设计与分析,2,中央控制器- AT89C2051,3,六路抢答器系统的外围电路的设计与分析,系统的硬件设计,Page 17,整流电路的工作原理及其参数分析,1,滤波电路的工作原理及其参数分析,2,集成稳压电路的设计,3,电源电路元件参数的选择,4,四路抢答器系统电源的设计与分析,1

9、8,整流是把交流电变换成直流电的过程，它的基本原理是利用了晶体二极管的单向导电特性。半波整流电路及信号的输入、输出波形如图:,整流电路的工作原理及其参数分析,19,整流电路的工作原理及其参数分析,桥式整流电路及信号的输入、输出波形如图:,20,滤波电路的工作原理及其参数分析,常用滤波器有C型、p型、G型。本实验只研究C型与（RC） 型滤波器。图为桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波形。,21,滤波电路的工作原理及其参数分析,桥式整流（RC）型滤波电路及其输出电压的波形,由图中可知，经过电容的滤波作用后，其输出电压变得比较平滑，脉动大大减小，而且直流成分增加，对C型滤波，负载RL、C的数值越大，

10、纹波g越小，输出直流电压越接近于变压器次级交流电压的峰值Uim，其输出直流电压的范围为： UO =（0.9 1.4）Ui 对于p型滤波，输出脉动更小，但输出直流电压略有降低。,Page 22,集成稳压电路的设计,稳压电路有多种，在这里我们选择既简单性能又好的集成稳压器件。 三端集成稳压器件LM7800系列，有多种输出稳压值的供选择，常用的有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。在本系统中，由于51单片机的工作电压为5V，因此我们选择LM7805作为三端稳压器件。 LM7805系列集成稳压块主要技术参数： 输入电压：DC7V20V 最大输出电流：500mA LM7805系列稳压块封装

11、如图2.9所示： 1脚为输入端 2脚为公共端 3脚为输出端,Page 23,电源电路元件参数的选择,滤波电容的选择 滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数。RLC越大，输出电压的脉动就越小。作为滤波电路，电容的容量越大越好，但容量越大的电容其成本越高，使得设计出来的整流电路生产成本也增高，为了达到在满足要求的前提下，使得生产成本最低，通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的（35）倍。 整流二极管的选择 当滤波电容进入稳定工作时，电路的充电电流平均值等于放电电流平均值，因此，二极管的最大整流电流可按下式进行选择： IFID=IL（半波整流） IFID=1/2IL（全波整流）,Page 24,

12、电源电路元件参数的选择,桥式整流电容滤波电路中，二极管的最高反向工作电压为： URM1.414U=1.4149=12.7V 电源变压器的选择 对于变压器的选择，主要是对变压器功率和次级电压的确定。 由式UO =（0.9 1.4）Ui 这里Ui是变压器的次级输出电压，由上式可知： Ui= UO0.9=10V 系统的功率为:P=UI=90.2=1.8W 由于系统是经三端稳压器件供电的，其输入电压范围较宽,我们最终选择3W/12V的电源变压器。,Page 25,电源电路元件参数的选择,在电源电路中专门设计了电源指示灯LED1，发光二极管的工作电流为15mA，为了防止电流过大烧毁发光管，我们加入了限流

13、电阻R1，其阻值为：（5-1.2）/5=0.76K。这里我们取2.2 K的电阻。 因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压是十分重要的，所以我们专门精心设计了一个稳压电源,如图2.6所示，使甲烷检测报警系统能在各种特殊的环境都能正常工作。为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容C2;在其输出端加接电容C3,C4,目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。,Page 26,AT89C2051的功能及特性,1,时钟电路的设计与工作原理分析,2,单片机的基本时序单位介绍,3,单片机复位电路的设计与分析,4,中央控制器- AT89C205,单片机复位后的状态的分析,5,27,A

14、T89C2051的功能及特性,、AT89C2051的特点 AT89C2051具有以下几个特点： AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容； 片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器； 全静态工作,工作范围:0Hz24MHz； 三级程序存储器加密； 1288位内部RAM； 32位双向输入输出线； 两个十六位定时器/计数器 五个中断源,两级中断优先级； 一个全双工的异步串行口； 间歇和掉电两种工作方式。,28,AT89C2051的功能及特性,、AT89C2051的功能描述 AT89C2051是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程

15、、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。 AT89C2051可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（

16、2.7V6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。AT89C2051芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。,29,AT89C2051的功能及特性,、 AT89C2051引脚功能 AT89C51单片机为20引脚芯片如图所示： 、口线：P1、P3共2个八位口。 P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口，其中P1.0和P1.1除作为普通I/O用外，还可作为电压比较器输入

17、端。 P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表2所示，第6脚不引出。 VCC： 工作电源+5V GND ：电源地。 VPP： 访问外部程序存储器允许信号。 RST：复位信号输入端。,30,AT89C2051的功能及特性,XTAL1：片内振荡器输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端必须接地，对于CHMOS单片机，此引脚用为驱动器。 XTAL2：片内振荡器输出端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率，若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲

18、，对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。 RXD：串行口输入。 TXD：串行口输出。 ALE：访问片外存储器时，它作为锁存扩展地址低字节的控制信号的输入。 控制口线:PSEN(片外选取控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制); 电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2操作方法。,31,AT89C2051的功能及特性,P3口的第二功能,32,AT89C2051的功能及特性,、总结其主要的功能特性如下表所示： 表AT89C2051的主要功能特性,Page 33,时钟电路的设计与工作原理分析,8031/8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部

19、振荡方式和外部振荡方式。 在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图所示。 图中电容器Cl，C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值12MHz，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。,Page 34,时钟电路的设计与工作原理分析,外部振荡方式的外部电

20、路如图所示 由图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。,35,单片机的基本时序单位介绍,单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入 的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作 都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。8031单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个

21、到4个机器周期之间。 4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。下面是单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位的大小：振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833us,Page 36,单片机复位电路的设计与分析,上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电复位电路如下图A中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图(A)中

22、右图所示。常用的上电或开关复位电路如上图(B)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。上图(A)中：Cl10-30uF，R11k上图127(B)中：C：1uF，Rllk，R210k,37,单片机复位后的状态的分析,单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其 中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内

23、RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表。 PSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；PoP3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE000000B，表明各个中断均被关断。,38,单片机复位后的状态的分析,特殊功能寄存器与初始状态,Page 39,抢答器电路,1,音乐电路,2,六路抢答器系统的外围电路的设计与分析,Page 40,六路抢答器系统的外围电路的设计与分析

24、,工作原理为：接通电源后，单片机AT89C2051自动复位，抢答器处于工作状态，数码管无显示，当开始抢答时，四个开关SB1-SB4处于工作状态，此时单片机处于检测状态，无论四个开关哪一个先按下后，其它开关将无效，此时数码管显示对应。,41,抢答器电路,抢答器电路具有两个功能：一是分辨出选手按键的 先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路 显示编号；二实现与上位机通信。,Page 42,音乐电路,通过单片机的P3.7口控制音乐IC的工作。当P3.7口输出一低平信号是，VT1导通，+5V电压经过VT1，R11；CW1为稳压二极管，其电压为3.6V，即提供3.6V电压给音乐IC供电。只要音乐I

25、C电压正常，则音乐电路则正常启动，BJ015 B端则输出信号，经VT2驱动SP1。经30S后，单片P3.7口输出复位信号，则VT1不导通，IC3无电压，则音乐电路停止工作。,Page 43,双击添加标题文字,1,程序流程图,2,程序设计,系统的软件程序设计,Page 44,程序流程图,45,程序设计,6路抢答器程序输入输出口预定义 SWITCH2EQUP1.0; YINYUEEQUP3.7; K1EQUP3.0; K2EQUP3.1; K3EQUP3.2; K4EQUP3.3; K5EQUP3.4; K6EQUP3.5; R_ANEQUP1.0; FLAGEQU30H; DATEQU60H;

26、ORG 0000H AJMPSTART; ORG0013H; RETI; ORG0023H; RETI,START: MOVP1,#0FFH;端口初始化 MOVP3,#0FFH; MOV20H,#0FFH; MOVDAT,#00H; MAIN: JBK1,LOOP2;K1按下START: 1 MOVP1,#9FH;1 MOVDAT,#1H; ACALLYINDA;调用应答子程序 AJMPMAIN;返回,46,程序设计,YINDA: CLRYINYUE;开启音乐 MOVR1,#20;写入延时时间值 YIN1: MOVR2,#100 YIN2: ACALLDEL5MS; JNBR_AN,YIN3;

27、若按下复位键则返回 DJNZR2,YIN2;延时30秒 DJNZR1,YIN1; YIN3: SETBYINYUE;关闭音乐 MOVP1,#0FFH;关显示 RET;返回YINDA:,47,程序设计,;延时子程序;晶振:12M ;* DEL1MS: MOV R6,#24 DEL1MS1: MOV R7,#19 DEL1MS2: DJNZ R7,DEL1MS2 DJNZ R6,DEL1MS1 RET ;* DEL5MS: MOV R7,#45 DEL5MS1: MOV R6,#54 DEL5MS2: DJNZ R6,DEL5MS2 DJNZ R7,DEL5MS1 RET,;* DEL250MS:

28、 MOV R5,#50 DEL250MS1: LCALL DEL5MS DJNZ R5,DEL250MS1 RET * DEL500MS: MOV R4,#100 DEL500MS1: LCALL DEL5MS DJNZ R4,DEL500MS1 RET ; END,Page 48,双击添加标题文字,1,PCB板图的及产品的制作,2,元件安装焊接及系统调,产品的制作、安装与调试,49,PCB板图的及产品的制作,(1)、在Protel中先新建一个文档，把所需要的元件载入到文档里面。 (2)、再按照系统电路图用万用板绘制导线，把元件连好线。 (3)、通过电气检查如果没有错误，那么系统的电路图就绘制

29、完成。,Page 50,元件安装的基本要求与原则,1,焊接注意的基本事项,2,系统调试与分析,3,元件安装焊接及系统调,Page 51,元件安装的基本要求与原则,元件安装时我们要保证导通与绝缘的电器性能、保证机 械强度、抱着那个传热的要求和安装时接地与屏蔽要充分利用。 为达到产品的可靠与安全，安装时应遵循一些基本的要求与原则。 元件安装的基本要求 保证导通与绝缘的电气特性，电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断，不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果，而且要考虑在振动，长期工作，湿度等自然条件变化的环境中，都能保证通者恒通，断者恒断。 保证机械强度，电子产品在使用过程中，不可避免的需要运

30、输和搬动，会发生各种有意或无意达到振动，冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为加速度的瞬间受力使装置受到损害。 保证传热的要求，在安装中，必须考虑某些零部件在传热，电磁方面的要求。 安装时接地与屏蔽要充分利用，接地与屏蔽一是消除外办对产品的电磁干扰， 二是消除产品对外办的电碰干扰，三是减少产品内部的相互电磁干扰。,Page 52,元件安装的基本要求与原则, 安装元件时应注意以下原则： 为避免因元器件发热而减弱铜箔对基板的附着力，并防止元器件的裸露部分同印制导线短路，安装时元器件应离开面板约12mm。 装配时，应该先安装那些需要机械固定元器件，在此装置中如稳压管、中心芯片插座

31、。 各种元器件的安装,应该使它们的标记(用色码或字符标注的数值,精度等)朝上面或易于是辨认的方向,并注意标记的读书方向一致 (从左到右或从上到下)。 在安装元件时应与焊接同步进行操作。,53,焊接注意的基本事项,在电子制作过程中，焊接工作是必不可少的。它不但 要求将元件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固、圆 滑，所以焊接技术的好坏直接影响到电子制作的成功与否， 因此焊接技术是每一个电子制作爱好者必须掌握的基本功，焊接时的要点和注意事项有下面几点： 1电烙铁的选择：电烙铁的功率应由焊接点的大小决定，焊点的面积大，焊点的散热速度也快，所以选用的电烙铁功率也应该大些。一般电烙铁的功率有20W、25W、30W、35W、50W 等等。在制作过程中选用30W左右的功率比较合适。电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须先上锡然后才能使用。 2焊锡和助焊剂：选用低熔点的焊锡丝和没有腐蚀性的助焊剂，比如松香，不宜采用工业焊锡和有腐蚀性的酸性焊油，最好采用含有松香的焊锡丝，使用起来非常方便。