基于STM32的四路抢答器

课 程 设 计 说 明 书第 1 页 共 34 页课 程 设 计 说 明 书题目： 基于 STM32 的四路抢答器 学 院： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 课 程 设 计 说 明 书第 2 页 共 34 页摘要在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。在我们各种竞赛中我们也经常能看到有抢答的环节，某些举办方采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性，而抢答器的应用就能避免这种弊端。今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求时就无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计。本文实现了一个基于嵌入式 STM32 单片机的 4 路抢答器系统设计,本系统设计主要分为硬件设 备和软件控制两大部分。外部硬件使用 STM32 单片机作为控制中心，用 4个按键作为抢答输入，抢答开始后，抢答成功者的 LED 灯标识为红色闪烁，并且显示各抢答输入的时间。关键词：智能抢答器，STM32，按键输入，数码管显示课 程 设 计 说 明 书第 3 页 共 34 页目录摘要 .2目录 .3第 1 章 绪论 .51.1 课题研究的相关背景 .51.2 选题的目的和意义 .51.3 课题研究的内容 .51.4 国内外研究现状 .61.5 抢答器目前存在的主要问题 .6第 2 章 抢答器的系统概述 .72.1 系统的主要功能 .72.2 抢答器的工作流程 .72.3 STM32 的功能及简介 .72.4 抢答器的优点及组成 .102.5 本章小结 .11第 3 章 系统的硬件设计与开发 .113.1 系统硬件总体设计 .113.2 STM32 最小系统 .133.4 时钟频率电路的设计 .143.5 复位电路的设计 .153.6 数码管显示 .163.7 键盘电路的设计 .173.8 LED 电路 .183.9 本章小结 .19第 4 章 系统的软件设计与开发 .194.4 主要程序分析 .214.5 本章小结 .30第 5 章 总结与展望 .315.1 总结 .31课 程 设 计 说 明 书第 4 页 共 34 页5.2 展望 .32致 谢 .33参 考 文 献 .34课 程 设 计 说 明 书第 5 页 共 34 页第 1 章 绪论1.1 课题研究的相关背景抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。本系统设计主要分为硬件设备和软件控制两大部分。外部硬件使用 STM32 单片机作为控制中心，用 4 个按键作为抢答输入，抢答开始后，抢答成功者的 LED 灯标识为红色闪烁，并且显示各抢答输入的时间。1.2 选题的目的和意义通过这次设计，掌握 STM32 单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与仿真进行调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、应用各个单元电路。1.3 课题研究的内容本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。抢答开始后，抢答成功者的 LED 灯标识为红色闪烁，并且显示各抢答输入的时间。在通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。课 程 设 计 说 明 书第 6 页 共 34 页1.4 国内外研究现状抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用。1.5 抢答器目前存在的主要问题随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。而且目前多数抢答器存在 3 个不足之处：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。课 程 设 计 说 明 书第 7 页 共 34 页第 2 章 抢答器的系统概述2.1 系统的主要功能本系统是借用单片机采用模块化设计的 4 路抢答器，包括 4 路抢答按纽、计时显示、抢答成功标识，各种相关显示调控功能等本系统采用模块化设计的四路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。一共有 4 个按键输入，分别对应 4 路选手的抢答按键。单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。本设计中，有四个共阳的数码管，四个数码管。主持人按下复位键（RESET）后开始抢答。抢答成功者的 LED 灯标识为红色闪烁，并且显示各抢答输入的时间。2.2 抢答器的工作流程抢答器的基本工作原理：在抢答后，按键产生的下降沿，被中断的LINE线捕捉，从而实现进入中断服务函数，进行LED闪烁，以及实现相应数码管的计时显示工作，进而标识识别出抢答成功者的标号，进行相应的回答。课 程 设 计 说 明 书第 8 页 共 34 页2.3 STM32 的功能及简介现阶段，市场上低端产品处理器以 8 位单片机为主，例如广为人知的 C51 系列，而高端则是以 32 位单片机为主，例如基于 ARM Cortex-M3 内核的 STM32 系列，是专门为要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式系统设计的芯片。本系统是使用STM32 单片机，采用模块化设计的 4 路抢答器，包括 4 路抢答按纽、计时显示、各种相关显示调控功能等。采用 STM32F103VET6 的 100 管脚的单片机，连接四路按键，四路 LED，以及要显示四个独立的数码管，故需要比较多的 I/O 口.使用外部中断包含 16 个的边沿检测器，用于产生中断,每个中断线都可以独立地配置它的触发事件(上升沿或下降沿或双边沿)，并能够单独地被屏蔽；有一个挂起寄存器维持所有中断请求的状态。EXTI 可以检测到脉冲宽度小于内部 APB2 的时钟周期。多达 112 个通用 I/O 口连接到 16 个外部中断线，满足系统功能的需要。从性能、价格、实际需要，STM32F103VET6 较之 8 位 8051 单片机等，更为符合设计要求。课 程 设 计 说 明 书第 9 页 共 34 页图 2.4 STM32 单片机的内部结构图ARM Cortex-M3 处理器是新一代的 32 位处理器，是一个高性能、低成本的开发平台，适用于微控制器、工业控制系统以及无线网络传感器等应用场合。其特点为：1.性能丰富成本低。专门针对微控制处理器应用特点而开发的 32 位 MCU，具有高性能、低成本、易应用等特点。2.低功耗。把睡眠模式与状态保留功能结合在一起，确保 Cortex-M3 处理器既可提供低能耗，又不影响很高的运行性能。3.可配置性强。Cortex-M3 处理器的 NVIC 功能提高了设计的可配置性，提供了多达 240 个具有单独优先级、动态重设优先级功能和集成系统时钟的系统中断。4.丰富的链接。功能和性能兼顾的良好组合，使基于 Cortex-M3 的设备可以有效处理多个 I/O 通道和协议标准。STM32 系列处理器先进的内部结构：1.哈佛结构。使其在处理器整数性能测试上有着出色的表现，可以达1.25DMIPS/MHz,而功耗仅为 0.19mW/MHz。2.Thumb-2 指令集以 16 位的代码密度带来了 32 位的性能。3.内置了快速的中断控制器，提供了优越的实时特性，中断的延迟时间降到只需 6 个 CPU 周期，从低功率模式唤醒的时间也只需 6 个 CPU 周期。4.单周期惩罚指令和硬件除法指令。STM32 在嵌入式系统应用领域有着无可比拟的优势，本系统应用的STM32F103ZET6 的增强型系列单片机的功能也十分强大。详细介绍如下：1.内核：（A RM 32 位 的 Cortex-M3 CPU）最高 72MHz 工作频率，在存储器的0 等待周期访问时可达 1.25DMips/MHz；单周期乘法和硬件除法。2.存储器：从 256K 至 512K 字节的闪存程序存储器；高达 64K 字节的 SRAM；带 4 个片选的静态存储器控制器、支持 CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAND 存储器；并行 LCD 接口，兼容 8080/6800 模式。课 程 设 计 说 明 书第 10 页 共 34 页3.时钟、复位和电源管理：2.03.6V 供电和 I/O 引脚；上电/断电复位（POR/PDR）、可编程点压监测器（PVD）； 41 6MHz 晶 体 振 荡 器 ； 内嵌经出厂调校的 8MHz 的 RC 振荡器；内嵌带校准的 40kHz 的 RC 振荡器；带校准功能的 32kHz RTC 振荡器。4.低 功 耗 ： 睡眠、停机和待机模式；VBAT 为 RTC 和后备寄存器供电。5.3 个 12 位 模 数 转 换 器 ， 1s 转 换 时 间 (多达 21 个输 入 通 道 )： 转换范围：0 至 3.6V；三倍采样和保持功能；温度传感器6.2 通道 12 位 D/A 转换器7.DMA（12 通道 DMA 控制器）：支持的外设：定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C 和 USART。8.调试模式：串行单线调试（SWD） 和 JTAG 接口；Cortex-M3 内嵌跟踪模块（ETM）。9.多达 112 个快速 I/O 端口：51/80/112 个多功能双向 I/O 口，所有 I/O 口可以映像到 16 个外部中断；几乎所有端口均可容忍 5V 信号。10.多达 11 个定时器：多达 4 个 16 位定时器，内个定时器有多达 4 个用于输入捕获/输出比较/PWM 或脉冲计数的通道和增量编码器输入；2 个 16 位位带死区控制和急刹车，用于电机控制的 PWM 高级控制定时器；2 个看门狗定时器（独立和窗口型的）；系统时间定时器；24 位自减型计数器；2 个 16 位基本定