信息工程专业毕业论文基于单片机的8路抢答器的设计（c语言版）

摘摘 要要 伴随着科技的进步和时代的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁 决，比如证券、股票交易以及各种智力竞赛等等,因此出现了抢答器。抢答器 一般是由很多逻辑电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别 是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。因此我们设计了以单片机为核心的 新型智能的抢答器，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了数码管显示电 路实现了其它功能。抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、 文艺活动等场合。 抢答器的设计就是在这种社会条件下诞生的，这次设计用 AT89S51 单片机为 核心控制元件，设计一个实用的抢答器，本方案以单片机作为主控核心，与晶振、 数码管、蜂鸣器等构成八路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、 时钟电路、定时/中断等电路，设计的八路抢答器具有实时显示抢答选手的号码和 抢答时间的特点，还有复位电路，使其再开始新的一轮的答题和比赛，同时还利 用 C 语言编程，使其实现一些基本的功能。 本设计的系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。它的功能实现 是比赛开始，主持人读完题之后按下总开关，即计时开始，此时数码管开始进行 20s 的倒计时，直到有一个选手抢答时，对应的会在数码管上显示出该选手的编 号和抢答所用的时间，如果在规定的 20s 时间内没有做出抢答，则此题作废，即 开始重新一轮的抢答。在抢答和回答时间的最后 5s，蜂鸣器和数码管都会给予相 应报警提示。 【关键词关键词】： 单片机、C 语言、抢答器、智能竞赛 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题研究的相关背景.1 1.2 选题的目的和意义.1 1.3 课题研究的内容.2 第二章第二章 抢答器系统的概述抢答器系统的概述3 2.1 系统的主要功能.3 2.2 抢答器的工作过程.4 2.3 AT89C51 的功能及简介5 第三章第三章 抢答器的电路设计抢答器的电路设计7 3.1 振荡电路的设计.7 3.2 复位电路的设计.8 3.3 显示电路的设计.9 3.4 按键电路的设计.9 3.5 发声电路的设计.10 3.6 总体电路图.11 第四章第四章 程序的设计程序的设计 .12 4.1 程序系统结构图.12 4.2 程序流程图.12 4.3 主函数以及子函数 .13 4.3.1主函数.13 4.3.2延时函数.15 4.3.3数码管显示函数.15 4.3.4开始键扫描函数.16 第五章第五章 抢答器的仿真实验抢答器的仿真实验18 5.1 仿真系统 PROTEUS.18 5.2 KELL 简介.18 5.3 仿真试验.20 5.3.1 上电后的初始状态20 5.3.2 开始倒计时21 5.3.3 抢答成功并正常显示21 第六章第六章 抢答器的制作及调试抢答器的制作及调试 23 6.1 采购元件.23 6.2 焊接准备.24 6.3 焊接元件.24 6.3.1焊接注意事项.24 6.3.2焊接的技巧.25 6.4 调试电路板.25 6.5 通电调试.26 第七章第七章 总结与展望总结与展望 .28 7.1 总结.28 7.2 展望.29 致致 谢谢30 参考文献参考文献31 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题研究的相关背景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(如 MCS-51 型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、 抢答时间的显示以及最后几秒钟的报警等等。 本课题利用 AT89C51 单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定 时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确 地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。用开关做键盘输出， 扬声器发声提示。系统达到要求：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开 始抢答前抢答为无效；抢答限定时间 20s；可以显示是哪位选手有效抢答，时间 完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。 1.2 选题的目的和意义选题的目的和意义 在现在的科技水平下，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以下 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。 鉴于上述原因和不足，设计了这个抢答器，主要是掌握 51 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装配、调试，提高自己的 2 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、计算定时计数的各个 单元电路。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。 1.3 课题研究的内容课题研究的内容 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 个抢答按键。主持人有开始和结束、复位键。开始时设定为初始的抢答时间 20s 主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选 手号，在最后五秒扬声器发生提示、数码管开始闪烁提示。如果主持人没有按下 开始键而选手就抢答视为无效，数码显示屏显示不做显示。主持人再可按键开， 新一轮抢答将展开。 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，而且课扩展的到许多人的抢答模式，具有创新性。 本论文章节的结构和内容如下： 第一章：绪论。简要介绍了抢答器的发展现状，说明了本课题研究的内容。 第二章：抢答器系统概述。说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了 本课题要达到的设计目标。 第三章：抢答器的电路的设计。详细描述了本课题各个组成电路单元的设计 思路。 第四章：程序的设计。设计单片机内部运行的程序实现抢答及其他功能。 第五章：抢答器的仿真试验。阐述了抢答器通过设计，制作成仿真原图之后 的仿真试验。 第六章：抢答器的制作及调试。简要的讲述了抢答器的电路制作焊接过程。 第七章：总结与展望。总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的 意见，并展望抢答器的未来设计。 3 第二章第二章 抢答器系统的概述抢答器系统的概述 抢答器是生活和娱乐中重要的一环，而且老式的抢答器不能胜任现在的需求 或者是接线复杂故障率高，不方便使用，所以我们开始了基于单片机的八路抢答 器的设计。本章主要讲述设计的主要功能分析，和抢答器的工作过程，以及我们 所采用的单片机的功能简介。 2.1 系统的主要功能系统的主要功能 本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括 8 路抢答按纽、倒 时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按键、 各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。 参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间 提示功能，也可设定由主持控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的 控制按键做开始和结束按键对结束的控制，对抢答限时及回答问题限时设为倒计 时，并有显示提示。 系统的主要功能模块方框图如图 2-1 所示。 图 2-1 系统主要功能模块 本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有 一个抢答按键。一共有 8 个按键输入，分别对应 8 路选手的抢答按键。 主持人有开始和结束按键。活动开始可以预设置抢答的时间，修改改上述时 间，主要是修改程序中的时间。设置好时间后抢答开始，主持人按开始键后，选 手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声 4 器发生提示、和数码管的闪烁进行提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢 答视为犯规，数码不予显示。主持人按键开始新一轮的抢答，上一次的犯规抢答 器将不会被记录，不给予显示。 单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用 C 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，抢答者序号和倒计时间。 本设计中，有一个四位共阴的数码管组。其中两个显示时间，一个固定显示 F，一个显示抢答号码。主持人依次按下开始键（Start），开始键后开始抢答。 可以抢达按键：超时数码管显示初值“0F20”。若有选手在规定时间内抢按成功， 则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。如果没人抢答，则最 后 5s 蜂鸣器蜂鸣，数码管闪烁。 2.2 抢答器的工作过程抢答器的工作过程 抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送 入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的 定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显 示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的 工作流程分为：系统复位、正常流程、显示流程等几部分。抢答器的工作过程如 下： 1、如果想调节抢答时间，在比赛开始的时候编辑程序，写到芯片里面。 2、主持人按“抢答开始“键，并立刻进入抢答倒计时（预设 20s 抢答时间）， 如有选手抢答，会显示其号数并立显示倒计时剩余的时间，并且锁定其他的选手 抢答无效，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于 5s 会每秒响一下 提示音。 3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会 自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。 4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，抢答无效，不 给予显示，并且开始下一轮的答题。 总而言之，本课题利用 AT89C51 单片机及外围接口实现的抢答系统设计了 抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约 了成本，是一个实用的工程设计。 5 2.3 AT89C51 的功能及简介的功能及简介 AT89C51 单片机是 ATMAL 公司 89 系列单片机的一种 8 位 Flash 单片机。 它最大特点是片内含有 Flash 存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品 手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。 AT89C51 单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、 中断控制部件、片内 Flash 存储器、片内 RAM、并行 I/O 接口、定时器和串行 I/O 接口 AT89C51 是 89 系列单片机的标准型，它是与 MSC-51 系列单片机兼容的。 在内部含有 4KB 可重复编程的 Flash 存储器，可进行 1000 次擦写操作。全静态 工作为 0-24MHZ，有 3 级程序锁存器，内部含有 128-256 字节的 RAM，有 32 条 可编程 I/O 口线，2-3 个 16 位定时/计数器，6-8 个中断源，通用的串行接口，低 电压空闲及电源下降方式。 AT89C51 单片机内部由 CPU、4KB 的 FPEROM ，128B 的 RAM，两个 16 位的定时/计数器 T0 和 T1，4 个 8 位的 I/O 端 P0、P1、P2、P3 等组成。单片微 机内部最核心的部分是 CPU。CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、 输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 PC、指令储存器、 指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中 的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和 外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻 辑器部件 ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW，BCD 码运算调 整电路等组成。 图 2-2 AT89C51 单片机的内部结构图 6 为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专用 寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图 2-2 所示。 7 第三章第三章 抢答器的电路设计抢答器的电路设计 本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看， 硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技 术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后 期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯 片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的 所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面： 一、尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普 通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普 通芯片价格的总和高。 二、留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因 为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修 改或扩展而被迫进行全面返工。 三、程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用 AT89C51 单片机。 四、RAM 空间，AT89C51 内部 RAM 不多，当要增强软件数据处理功能时， 往往觉得不足。如果系统配置了外部 RAM，则建议多留一些空间。如选用 8155 作 I/O 接口，就可以增强 256 字节 RAM。如果有大批数据需要处理，则应配置足 够的 RAM，如 6264，62256 等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增 加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任 何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系 统将来升级留足够的 RAM 空间，哪怕多设计一个 RAM 的插座，暂不插芯片也 好。 五、I/O 端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视 的问题，而这些问题能靠单纯的软件措施来解决的。有些新的信号需要采集，就 必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电 路设计就预留出一些 I/O 端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。 3.1 振荡电路的设计振荡电路的设计 8051 内部有时钟电路，只需外部接石英晶体和微调电容即可，通常选用的是 8 6MHz、12MHZ、11.0592MHz。 然而一般选用石英晶体振荡器。石英晶振的频率非常稳定，非常适合用在这 个地方，上 3-1 电路晶振在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振,在 XTAL2 引脚产生 幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路 中两个电容 C1,C2 的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行 微调。C1,C2 的典型值为 30PF。 图 3-1 外部振荡电路 我们选用的是 12MHz 的晶振，而它的机器周期是 1 微秒。 3.2 复位电路的设计复位电路的设计 单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端,只要将该端持续 4 个机器周期也（就是 4 微妙）的高电平即可实现复位,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其 电路图如图 3-2 所示: 图 3-2 复位电路 电容隔离电源和地，充电充满的时候流过的电流是 0，所以接的是低电平， 处于正常的状态，当按键按下的时候，电容被短路，电阻被接入到电路当中，5V 电直接接到电阻 R8 上面，所以电阻 R8 上的压降就是 5V，所以第九脚的电压为 电源电压 5V，实现按键复位，电容起的作用就是开机上电复位！ 在方案中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位可使寄存 9 器及存储器的值都恢复到初始值,而前面的功能提到了倒计时间需要有记忆功能, 该功能实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。 软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到 程序执行的起始地址。 3.3 显示电路的设计显示电路的设计 显示电路使用了四位七段数码管，它是共阳极的，由高电平点亮。 虽然是共阴数码管是由高电平点亮，但是数码管需要三极管作为开关，将其 位选打开或者是关闭，所以点亮的电平不仅取决于共阴还是共阳，还和使用的三 极管有关系，我们使用的是 9013 型号的三极管，它是 NPN 的管子，所以是高电 平予以点亮。 数码管的段选和位选，四个数码管的段选的 ABCDEFG 分别都是接到一起， 分别引出称之为段选，每个数码管的公共端，也就是每个数码管共阴的段子都引 出一个脚，称之为位选。 图 3-3 共阴极七段数码管 3.4 按键电路的设计按键电路的设计 按键的作用简单的说来就是通过开关的通和断来改变 I/O 的状态，从而起到 控制和其他的作用，当按键按下的时候改变电压，还要保护 I/O 不被烧坏，从而 使用了 8 个 1K 的电阻作为上拉电阻，还有限制 I/O 的电流。 当按键按下的时候，电阻分压，I/O 直接接地，电位为零，从而改变 I/O 的电 压。单片机读取到这些状态就可以进行控制！ 10 这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只 要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就可以了。这里采用最常用的 方法即延时法，其的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几 ms，而 按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段 时间(这里取 10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无 效。 图 3-4 抢答按键 3.5 发声发声电路的设计电路的设计 我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片 机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接 上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时 间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。 图 3-5 发声电路 本文设计如图 3-5 所示。图中单片机的 14 脚输出具有复合功能，这里能利用 程序来控制单片机 P3.4 口（第 14 引脚）单片机通过内部定时器的操作实现交替 11 变换的波形输出驱动扬声器发声。 3.6 总体电路图总体电路图 根据抢答器的基本功能，可以设计出如下的单片机外围电路： 图 3-6 总体设计 图 3-6 中 U1 为单片机 AT89C51，U2 为芯片 74HC573。左边的八个开关分别 为 8 路抢答按键，分别接到单片机的 P1.0P1.7 中。开始按键与结束按键分别接 到单片机的 16、15 脚。4 位七段数码管段选先结锁存芯片然后接 P2.0。4 位七段 数码管的位选接 P2 口低四位，蜂鸣器输出为 P3.4 口。 12 第四章第四章 程序的设计程序的设计 抢答器以及其他的电子产品的抢答的功能的实现得益于元件功能的强大。抢 答器的电路不是很复杂，其抢答功能显示功能以及报警功能主要是要靠软件来控 制以及实现，本章主要阐述抢答器的系统软件。 4.1 程序系统结构图程序系统结构图 硬件电路确定后，软件的编程要与硬件相匹配，软硬件才能结合完成所要实 现的功能。由功能分析得到的软件结构图如 4-1 所示。 图 4-1 程序系统图 4.2 程序流程图程序流程图 先根据系统的程序图，设计出程序的流程图，然后再根据流程图设计出能实 现基本功能的程序，下图就是我们根据上一章结构图设计出来的流程图，图如 4- 2 所示。 13 图 4-2 软件流程图 4.3 主函数以及子函数主函数以及子函数 本节主要介绍单片机的内部运行的程序。程序分为八个模块：主函数、延时 函数、数码管显示驱动函数、按键扫描函数、抢答键扫描函数、复位键扫描函数、 蜂鸣函数、中断服务函数。主函数是函数的主体，其他的各个函数是实现不同的 功能用的：例如蜂鸣函数、是生成声音信号是蜂鸣器发声用的。程序总共有 300 多行，函数体比较长，所以就不在本章节中意义一一列出，只选取其中有代表性 的来介绍。在本节主要介绍主函数、延时函数、数码管驱动函数、开始键扫描函 数。 4.3.1 主函数主函数 #include 14 #define uint unsigned int #define uchar unsigned char void main() TMOD=0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=0; while(1) start_keyscan(); reset_keyscan(); while(action=1) if(second0) fengming() ; while(!key_scan8() if(second = 0) second = 20; break; 15 TR0 = 0; display(number_display,second); action = 0; break; display(number_display,second); 4.3.2 延时函数延时函数 void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); 4.3.3 数码管显示函数数码管显示函数 void display(uchar number,uchar second) uchar second_first,second_second; second_first=second/10; second_second=second%10; 16 P2=0x01; P0=tablenumber; delay(2); P2=0x02; P0=0x8e; delay(2); P2=0x04; P0=tablesecond_first; delay(2); P2=0x08; P0=tablesecond_second; delay(2); 4.3.4 开始键扫描函数开始键扫描函数 void start_keyscan() if(start = 0) delay(10); if(start = 0) action = 1; TR0 = 1; 17 else start_flag = 0; 18 第五章第五章 抢答器的仿真实验抢答器的仿真实验 在保证硬件的原理和设计是正确的情况下才能开始焊接电路，因为电路一旦 制作出来需要修改的工作量非常大，而且弄的万能板面目全非，所以必须在虚拟 的环境下进行试验，然后再进行焊接，另外也检验一下设计的程序存不存在问题， 还有就是发现设计的缺陷，在没有做成成品的时候进行修改，使电路做的完美。 仿真试验在电路的设计中是不可或缺的一环！ 用 Proteus 仿真软件画好了原理图，并且将编译好的程序生成 HEX 文件，装 载到单片机中就能进行仿真试验了。 5.1 仿真系统仿真系统 PROTEUS Proteus 满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明 显的优势。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统 的仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功 能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、 PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。支持大量的 存储器和外围芯片。该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件，功 能极其强大，是其他任何一款软件不能相比的。 ISIS 是 Preoteus 系统的中心，具有控制原理图画图的超强的设计环境。ISIS 有下面的优势：丰富的器件库：超过 27000 种元器件，可方便地创建新元件；智 能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件； 智能化的连线功能： 自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间； 支持总线结构：使用 总线器件和总线布线使电路设计简明清晰； 可输出高质量图纸：通过个性化设 置，可以生成印刷质量的 BMP 图纸，可以方便地供 WORD、POWERPOINT 等 多种文档使用。 5.2 KELL 简介简介 对于 51 单片机而言，使用最广泛的软件编写语言主要是用 C 语言。在实际 工程中，除了一些小型的应用程序或对效率要求较高的关键部分，一般不会采用 汇编语言作为系统开发的主语言，取而代之是高级语言，如 C 语言。 Keil 内建了一个仿真 CPU 用来模拟执行程序，在调试状态下，该仿真 CPU 19 可以在没有硬件和仿真机的情况下进行程序的调试。与真实的硬件执行最明显的 就是时序，软件模拟是不可能和真实的硬件具有相同的时序的，具体的表现就是 程序执行的速度和各人使用的计算机有关，计算机性能越好，运行速度越快。将 写好的程序编译成 HEX 文件，通过专用甲壳虫软件烧录到单片机当中。HEX 文 件是直接能在单片机中运行的软件，实现对单片机的控制，图 5-1 就是在电脑上 编辑设计的程序 KELL 软件的界面。 图 5-1 编写程序的 kell 软件界面 编辑好程序，然后检查无误后进行生成 HEX，图 5-2 就是生成文件是 KELL 软件的设置。 图 5-2 用 kell 软件创建 Hex 文件 图 5-3 创建好的 HEX 文件 图 5-3 就是用 KELL 软件生成的 HEX 文件。 20 图 5-4 烧录软件 AVR_FRIGHTER FOR USBASP 将单片机插于到开发板中，让开发板连接电脑，用 AVR_FRIGHTER FOR USBASP 软件将程序烧录到单片机中，然后断电取出单片机，程序就已经烧录好 了，焊好电路就可以使用了！烧录的界面如图 5-4 所示。 5.3 仿真试验仿真试验 将写好的程序编译成 HEX 文件装载到单片机中，然后用点击开始进入到程 序上电复位的初始状态，在软件设置的时候我们设置显示的是 0F20，点击左边的 开始按键就可以实现抢答了。 5.3.1 上电后的初始状态上电后的初始状态 在仿真实验中，先打开仿真试验的电源，上电开始复位之后的状态如图 5-5 所示；用鼠标点击右边的那个【start】微动开关开始，这个时候就可一开始抢答 了，于此同时开始倒计时。如果主持人没有按下抢答键，则抢答无效，将不会被 记录。 21 图 5-5 通电初始状态 5.3.2 开始倒计时开始倒计时 打开仿真试验的电源，单片机初始化之后运行至初始状态，我们点击开始按 键就可以实现抢答，开始抢答的时候，显示的电路就会出现倒计时的显示，从二 十开始倒计时，到了最后的五秒，就会出现显示电路闪烁的提示，在这同时蜂鸣 器还会蜂鸣！下图是仿真试验时在没有人抢答的情况下，倒计时到 12S 的瞬间截 下图的图。 图 5-6 中显示的就是开始倒计时到 12S 钟的时间依然没有人抢答，继续开始 倒计时，只要有人抢答或者时间用完，时间用完将回归到初始状态，有人抢答则 显示抢答的选手的编号和剩余的时间。 图 5-6 倒计时的显示图 5.3.3 抢答成功抢答成功并正常显示并正常显示 抢答器初始化之后，到了等待开始的界面；按开始键，开始倒计时，如果在 此时按下抢答键，则可以记录选手的编号和选手剩余的时间。 22 图 5-7 抢答成功时的显示图 用鼠标点击开关，代表实际的场合中选手的抢答，图 5-7 中表示【5 号】选 手在离结束还有 15S 的时候按下抢答键，抢答成功。选手的编号和剩余的时间都 显示正常。 23 第六章第六章 抢答器的制作及调试抢答器的制作及调试 本来可以使用电脑画图，制作 PCB 板，但是由于器材的限制，只能使用手工 将通孔式元器件焊接在万能板上。万能板焊接通孔元器件分为下面几个步骤： 一、购买元器件，准备材料。 二、准备工具，烙铁焊锡等。 三、元器件的布局和固定。 四、焊接实现电气连接。 五、电路板的调试，通电测试。 6.1 采购元件采购元件 根据绘制的原理，列出元器件的清单进行购买，清单如下表格所示： 24 6.2 焊接准备焊接准备 焊接准备分为以下的几个方面：作业环境、工具准备、耗材准备、资料准备。 一、作业环境：电路板焊接开始之前，一定要确保桌面整洁无杂物，不存留 与该次生产无关的物品、工具、资料，准备好一个良好的工作环境。 二、工具准备： 恒温烙铁：焊接工具；镊子：夹取元器件。偏口钳：剪去焊接完成后的长引 脚元器件的多余部分。 三、耗材准备： 焊锡丝：连接焊盘及元器件引脚的焊料；松香：松香在焊接中作为助焊剂， 起助焊作用， 起到隔绝空气防止金属表面氧化的作用，并能在焊接的高温下与 焊锡及被焊金属的表面氧化膜反应，还原纯净的金属表面，有助于焊出满意的焊 点形状保持焊点的表面光泽。 四、资料准备： 电气的原理图，芯片的引脚功能图，还有每个元器件的焊接引脚图，方便焊 接时电路板的检测和日后的维修。 6.3 焊接元件焊接元件 焊接元件时，主要是注意焊接的工艺和焊接质量，下面从几个方面来保障焊 接时质量：手工焊接的注意事项、手工焊接的工艺、手工焊接的技巧。 6.3.1 焊接注意事项焊接注意事项 一、掌握好加热时间，在保证焊料润湿焊件的前提下时间越短越好 二、保持合适的温度，保持烙铁头在合适的温度范围。一般经验是烙铁头温 度比焊料熔化温度高 50较为适宜。 三、不要用烙铁对焊点加力加热，会造成被焊件的损伤，例如电位器、开关、 接插件的焊接点往往都是固定在塑料构件上，加力的结果容易造成塑料构建的烫 伤，造成元件失效。 25 6.3.2 焊接的技巧焊接的技巧 一、焊件要固定 在焊锡凝固之前不要使焊件移动或振动，特别是用镊子夹住焊件时一定要等 焊锡凝固再移去镊子。否则导致晶体粗大，造成所谓“冷焊”。外观现象是表面无 光泽呈豆渣状，焊点内部结构疏松，容易有气隙和裂缝，造成焊点强度降低，导 电性能差因此，在焊锡凝固前一定要保持焊件静止。 二、不要用过量的焊剂 适量的焊剂是必不可缺的，但不要认为越多越好。过量的松香不仅造成焊后 焊点周围需要清洗的工作量，而且延长加热时间(松香溶化、挥发需要并带走热量)， 降低工作效率：而当加热时间不足时又容易夹杂到焊锡中形成“夹渣”缺陷；对开 关元件的焊接，过量的焊剂容易流到触点处，从而造成接触不良。 三、把握好最佳的焊接时间 对一般焊点而言大约二、三秒钟。最好不要超过三秒钟， 6.4 调试电路板调试电路板 焊接的过程很容易出现一些焊接的不良和焊接的错误和焊接不到位的情况， 这个需要针对，原理图进行修改，需要进行补焊和调试。 容易出现的不良现象：冷焊、连锡、锡多、虚焊等等；容易在电路中造成电 气连接的故障有可能烧坏元器件，所以在接通电源之前一定要进行这些故障和不 良的测试和调试。焊接好的电路板的背面如 6-1 所示： 图 6-1 制作电路板的背面 26 如何判断检查： 一、通过目测观察焊接的不良现象，并且进行修复。 二、用万用边的二极管挡，测试导线的连接是不是真正意义上的电气连接， 如果连接正常则会出现嘟嘟嘟的声音，利用数字万用表的这一功能对焊接的板子 进行检测！ 6.5 通电调试通电调试 制作完的电路板如图 6-6 所示，并且注明了各个功能模块的位置。真正的实 物图比原理图上的东西要多一些，这包括电源部分的电源开关和电源的指示灯还 有电源的接口，另外我们还制作了+5v 电源，不然电路板没有办法工作。 图 6-6 焊接好的电路板的正面 把我们自己焊接好的电源接上，通电测试，初始状态的显示是正常，这说明 我们的电路没有太大的问题，有的也是些许的小毛病，进行小范围的修改就行了， 我们在进行第二步的测试，倒计时测试。 结果发现倒计时的模块也能正常的显 示，最后我们就是进行抢答的