毕业设计-基于AT89S52单片机的口语PK系统的设计与实现.doc

论文分类号： TN 学校代码： 13681 题目：题目： 基于单片机的口语基于单片机的口语PKPK系统的设计与实现系统的设计与实现 学生姓名：学生姓名： 王 士虎 学学 号：号： 2 6 0 5 1 1 5 系系 部：部： 信 工 一系 专业班级：专业班级： 电 信0 5 1 指导教师：指导教师： 杨 建桥 二 九 年 六月 I Design and Implementation of Oral PK Based on Single-chip Microcomputer ABSTRACT This design takes AT89S52 as its core. According to functional requirements, we put forward a variety of programs. The design ultimately adopts a program of the most economic, most reliable and highest success rate through comparison of these programs. As a result of this we produce a Haojing College examination system of PK of high practical value. After the completion of this design, it can achieve the following functions: Students can get a topic that randomly generated by the system by pressing the title key, and then it is displayed on the LCD. Jury teachers give the scores through the key in accordance with the performance of students, respectively, the scoring data is automatically delivered to the MCU I/O port, and AT89S52 read I/O port and put the data into register respectively. In addition, judges can also modify the scores through the modifying keys on the keyboard. When the confirming button is pressed the last time, the system will immediately analysis and compute the final data storied. After the ranking of students, the result will be displayed on the digital tubes. In addition, the system is also equipped with a time-reminder as its additional features. The design can improve the current situation of examination of Haojing College. So that the examination forms in the new environment are more convenient, time-saving and more efficient, thereby reducing the relative time of student-teacher. The system has a function of automatically selecting topics by students, so better reflects the fairness, justness and openness of the examination. We believe that with the completion of the design, the quality of Oral PK of Haojing College will rise to a new level, the grand goal of creation of well-known brand of Mass Higher Education of Haojing College will be achieved early, the full implementation of the great strategy of “going out” will be a great success. KEY WORDS: Oral PK, AT89S52, LEC, LCD, display II 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现 摘摘 要要 本设计以 AT89S52 单片机为核心，根据功能需求，提出了多种可行性方案，并通 过对这些方案的比较，最终确定了一种最经济、最可靠、成功率最高的方案。从而制 作出了具有很高实用价值的镐京学院口语 PK 考试系统。 本设计完成后，能够实现以下功能：学生通过抽题键，由系统随机产生一个题目， 并将其显示在 LCD 上。评委老师根据各位同学的表现情况通过键盘对学生进行分别打 分，打分数据自动送到单片机的 I/O 口，AT89S52 读取 I/O 口的数据并将其送入寄存 器中，程序对各位评委送来的数据分别存储。另外，评委还可以通过键盘上的修改键 对所打的分数名次进行修改。当最后一次确认键按下之后，系统会立即对最终存储数 据进行分析、计算，之后学生的排名将在四位数码管上显示。在此基础之上，本系统 还附加了一个时间提醒功能。 该设计能够改善目前镐京学院口语考试的现状，使考试形式在新的模式下更方便， 更节省时间，工作效率更高，从而减少学生与老师的考试相对时间。该系统具有自动 选择题目功能，所以更能体现考试的公平公正公开性。我们相信随着本设计的完成， 镐京学院的口语 PK 质量会再上一个新的台阶，镐京学院创造大众化高等教育知名品牌 的宏伟目标能够早日实现，镐京学院的全面实施“走出去”伟大发展战略也会蒸蒸日 上。 关键词：口语 PK，AT89S52，LED，LCD， III 目 录 1 绪 论 .1 2 系统方案论证 2 2.1 LED 部分设计方案 .2 2.2 LCD 部分设计方案 .4 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分.5 3.1 单片机介绍.5 3.1.1 单片机的发展过程 .5 3.1.2 常用单片机及兼容机 .6 3.2 AT89S52 芯片概述 .6 3.2.1 AT89S52 的引脚及功能7 3.2.2 AT89S52 的中央处理器9 3.2.3 AT89S52 的时钟及复位电路.10 3.3 74HC573 概述 11 3.4 显示模块介绍及设计12 3.4.1 LED 发光原理.12 3.4.2 数码管介绍 13 3.4.3 显示部分设计 14 3.5 键盘电路设计15 3.5.1 按键的分类 15 3.5.2 按键结构与特点 15 3.5.3 独立式按键 16 3.5.4 矩阵式按键 16 3.5.5 本设计的键盘方案 18 4 系统的软件设计LED 部分19 4.1 程序设计的方法19 4.2 程序调试方法20 4.3 LED 部分软件设计 21 4.3.1 系统的完整流程图 21 4.3.2 键盘扫描程序设计 22 IV 4.3.3 排名程序设计 23 5 系统的硬件介绍及设计LCD 部分24 5.1 12864 点阵液晶显示模块的原理 24 5.2 模块主要硬件构成说明24 5.3 模块的外部接口26 5.4 指令说明27 6 系统的软件设计LCD 部分29 6.1 C 语言介绍 29 6.2 程序流程图29 6.3 程序编写说明31 7 硬件仿真、实物制作及性能测试 .32 7.1 Protues 仿真 32 7.2 实物制作过程简介33 7.3 系统性能测试33 7.3.1 性能测试所需条件 34 7.3.2 测试说明 34 7.3.3 测试结果 35 8 结 论 36 致 谢 37 参 考 文 献 38 附录 I 硬件电路图.40 附录 II 系统程序42 毕业设计说明书(论文)缩写稿 .49 The Abbreviation Version of the Thesis of Undergraduates .53 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现1 1 绪 论 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹。20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，基于单片机的现代电子产 品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的 提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。基 于单片机的发展趋势，本设计以单片机为核心制作了一个适应镐京学院的口语 PK 系统。 本次设计运用 AT89S52 单片机作为主控芯片，设计了一种考试打分智能系统，在 工作时能实现学生抽题，对学生在口语 PK 考试评分实时检测，并能由监考老师通过键 盘输入学生成绩，系统调用程序，对数据进行处理，然后计算分析快速排名并存储相 应信息并将其显示。系统具有时间提醒和故障自处理功能，良好的稳定性和抗干扰性 能。 在设计时，根据设计要求，根据可靠性、经济性、安全性三个基本要求进行设计， 本次设计通过方案比较，确定出来一套即经济又可行的方案。 本次设计是对所学知识的综合运用，把理论知识和实践相结合，在本次设计与检 验过程中遇到了许多实际问题，比如单片机及其电子元器件的市场选择，不熟悉 Keil 和 Proteus 软件的使用方法，不熟悉焊接技巧，可能会发生漏焊、虚焊现象，如何系统 的最佳外观效果等。所有的这些问题，我们都通过查阅资料，咨询老师一一解决了， 为设计的成功提供了保障。 本文通过方案确认，介绍了设计中所用到的芯片，以及主控芯片的辅助模块的讲 解，通过清晰的程序流程图，给程序的理解提供了方向。还介绍了程序调试软件和硬 件调试软件，最后对本设计的实物制作做了一个概述。 2 系统方案论证2 2 系统方案论证 根据设计要求，本系统设计需要主控芯片来控制其他子电路部分，通过键盘来实 现监考老师打分、修改和学生抽题的要求，再将考生的成绩排名结果通过显示模块来 显示，供监考老师记录成绩，本设计还有一个辅助功能模块时间提醒。本系统的总体 设计框图如图 2-1 所示。 AT89S52 A B C 图 2-1 总体设计框图 2.1 LED 部分设计方案 通过分析本设计系统的需求和功能要求，结合总体设计框图，现介绍二种设计方 案。 方案一：两片 AT89S52 实现通信控制 本方案通过两片 AT89S52 来实现通信如图 2-2 所示，通过功能的描述本系统所用 的按键交多，采用独立式键盘设计，每个按键需要一个 I/O 口，通过两个单片机可以 满足系统需要, 目的是为了使用更多的 I/O 口。把主模块的输入部分由单片机 A 送入， 再通过 TXD 发送到单片机 B 的.TXD，显示部分由单片机 B 实现。 同步通信是一种比特同步通信技术，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号， 只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现3 时钟的控制下逐位发送/接收。 异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间 的时间间隔可以是任意的。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个 字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确 地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低 (因为开始位和停止位的开销所占比例较大)。 通过比较，本设计选择同步通信模式。串口通信时钟是由单片机的晶振输入后,内 部产生的,每个单片机都有自己的串口控制寄存器,在编程的时候只要对其进行正确的控 制就可以设置串口通信的各种工作模式,每个模式会有自己的波特率,即时钟频率。波特 率一般用 9600B，串口通信有自己的协议。两机通信的时候 A 的 RXD 接 B 的 TXD，A 的 TXD 接 B 的 RXD。 AT89S52 AT89S52 B C A TXDRXD RXDTXD P 0 P1 P 0 P1 AB 图 2-2 两片 AT89S52 通信 方案二：单个 AT89S52 控制的设计 AT89S52 4 P0 P1 74HC573 4*4 P2 图 2-3 单片 AT89S52 方案框图 本设计方案所选用一片 AT89S52，最终的框图如图 2-3 所示。与方案一比较该方 案把独立式键盘改为矩阵键盘，使单片机的 I/O 口的负载减少，节省输入输出接口资 源，使系统的响应速度更快，从程序编写考虑，方案一实现通信是一个难点，难以实 现同步通信模式，而且两个单片机之间的响应速度不如本方案；从布局来说显得更加 2 系统方案论证4 简洁，元器件少，电子元器件之间的干扰减少，提高了系统的抗干扰性能，可靠性提 高了；从经济角度来考虑，方案一种的成本高出本方案一倍。 纵观方案一、方案二及其比较，从芯片的响应速度，可靠性、经济性、抗干扰性 等方面的综合考虑，本设计选择方案二。 2.2 LCD 部分设计方案 LCD 部分是本设计中的一个很重要的部分，此部分是用来显示学生所抽题的汉语， 学生根据显示器上的汉字内容，并结合所学过的课文将其口译成英文。这部分的设计 在当今社会已经有一个相当成熟和固定的模式，所以方案也就很容易确定了。 标志位 数据/命令 AT89S52 12864 显示器件 选题键 停止键 图 2-4 LCD 方案框图 确定方案后，我们要做的下一步工作就是去通过各方论证，怎样把硬件搭接起来， 以实现预期的功能，这就是要在下一章完成的任务。 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现5 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分 通过上一章的论证，我们已经确定了本设计的整体系统方案，那么本章的重点就 是完成上述的功能。在本章中，我们首先研究各芯片的功能以及使用方法，对比以前 与现在的设计方法，然后确定我们系统各模块的设计方案。 3.1 单片机介绍 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在 一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部 和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时 时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的 输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器(Microcontroller)，是因为它最早被用在工业控制领域。 单片机由芯片内仅有.CPU.的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围 设备和.CPU.集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要 求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以 后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干 扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的(比如家用 PC)的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特 殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气 也很难做到的。 3.1.1 单片机的发展过程 (1) 第一阶段(19761978)：单片机的摸索阶段。以.Intel.公司的.MCS-48.为代表。 MCS-48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola 、Zilog 等， 都取得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代， “单机片”一词即由此而来。 (2) 第二阶段(19781982)：单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS-48 基础上推出 了完善的、典型的单片机系列 MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单 片机体系结构。 1) 完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数 据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 2) CPU 外围功能单元的集中管理模式。 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分6 3) 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 3) 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 (3) 第三阶段(19821990)：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段，也 是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS-96 系列单片机，将一些用于 测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的 微控制器特征。随着 MCS-51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核， 将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性技术等 应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。 (4) 第四阶段(1990至今)：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全 面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用 型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 3.1.2 常用单片机及兼容机 MCS-51 系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户，这与 Intel 8 位单片机是最 早引入我国的有关。MCS-51 的硬件结构也决定了其指令系统不会发生变化，所以设计 人员可以较容易地对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部 资源的比较上。 目前，在国内市场上，Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机已少见，代之以其他 公司生产的 MCS-51 系列兼容单片机。这些公司主要有 Phillips、Dallas、SIEMENS、AMD、Atmel、NEC、HARRIS、WinBond、YHUNDAI 、ADI 等，其中又以 Philips、Dallas、Atmel、WinBond、YHUNDAI、ADI 等公司占有 市场份额最大。以上各公司开发的 MCS-51 系列兼容单片机各具特色，它们的内部资 源差异很大，在对原来 MCS-51 内核的改进上也不尽相同，每个公司都在其中加入了 本公司的特有技术。例如拥有很大用户群的 Atmel 公司生产的 MCS-51 系列兼容单片 机AT89 系列单片机，就在原有 MCS-51 内核中加入了该公司的 FLASH 存储器技 术。 长期以来，MCS-51 系列单片机一直统治着国内单片机市场，但近年来，国际上许 多著名半导体厂家竞相推出的各具特色的 MCS-51 兼容单片机，也深受国内广大用户 的青睐。 经过市场的调查，基于本课题的设计要求，考虑其可靠性、经济性，本设计选择 ATMEl 公司的 AT89S52 芯片。 3.2 AT89S52 芯片概述 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现7 指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的.8.位.CPU.和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8k 字 节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2.个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个.6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另 外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU.停止工作，允许.RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM.内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位 为止。 3.2.1 AT89S52 的引脚及功能 AT89S52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 T2/P1.0 T2EX/P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST RXD/P3.0 TXD/P3.1 INTO/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 GND VCC P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 EA/VPP ALE/PROG PESN P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 图 3-1 AT89S52 引脚 (1) 电源及时钟引脚 VCC：电源 GND：地 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端 (2) 控制引脚 RST：复位输入晶振工作时，RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。 看门狗计时完成后，RST.脚输出.96.个晶振周期的高电平。特殊寄存器.AUXR(地址. 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分8 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低.8.位地址 的输出脉冲。在 Flash 编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而， 特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE.脉冲将会跳过。如果需要，通过将地 址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1” ，ALE 操作将无效。这一位置“1” ，ALE.仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE.使能标志位(地址 为 8EH 的 SFR 的第 0 位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN：外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN.在每个机器周期被激活两次，而在访问外部 数据存储器时，PSEN 将不被激活。 EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序 存储器读取指令，EA.必须接.GND。为了执行内部程序指令，EA.应该接.VCC。在 Flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 (3) I/O 口 P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据 存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电 阻。在 Flash 编程时，P0.口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程 序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1.口是一个具有内部上拉电阻的.8.位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动 4 个.TTL.逻辑电平。对.P1.端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输 入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)此 外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器 2 的触 发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。在 Flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址 字节。 表 3-1 P1 口第二功能 引脚号第二功能 P1.0T2(定时器/计数器 T2 的外部计数输入)，时钟输出 P1.1T2EX(定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制) P1.5MOSI(在系统编程使用) P1.6MISO(在系统编程使用) P1.7SCK(在系统编程使用) P2 口：P2.口是一个具有内部上拉电阻的.8.位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现9 4 个 TTL.逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 (IIL)。在访问外部程序存储器或用.16.位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位 地址。在这种应用中，P2.口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址(如 MOVX RI)访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 Flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3.口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 (IIL)P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能(第二功能)使用，如下表所示。在 Flash 编程和校 验时，P3 口也接收一些控制信号。 表 3-2 P3 口第二功能 引脚号第二功能 P3.0RXD(串行输入) P3.1TXD(串行输出) P3.2INT0(外部中断 0) P3.3INT0(外部中断 1) P3.4T0(定时器 0 外部输入) P3.5T1(定时器 1 外部输入) P3.6WR(外部数据存储器写选通) P3.7RD(外部数据存储器读选通) 3.2.2 AT89S52 的中央处理器 单片机的中央处理器(CPU)是其内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。 由运算器、定时控制部件和专用寄存器三大部分组成。 (1) 运算器 运算器包括算术逻辑单元 ALU、布尔处理器、累加器 A、寄存器.B、暂存器和程 序状态字 PSW 等许多部件。它以算术逻辑单元 ALU 为核心，功能是实现数据的算术 逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。 单片机的 ALU 功能十分强，它不仅可对 8 位变量进行逻辑“与” 、 “或” 、 “异或” 、 循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运 算的需要，设置了.B.寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积 的高 8 位数；在执行除法运算指令时，B.中存入除数及余数。单片机指令系统中的布 尔指令集、存储器中的位地址空间与 CPU 中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分10 可对位(bit)变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与” 、 “或”等 操作。在程序实现对位的操作时，它借用了程序状态标志位(PSW)中的一个进位标志. Cy.来作为位操作的“累加器” 。 运算部件中的累加器 ACC 是一个 8 位的累加器(ACC 也可简写为 A)。从功能上看， 它与一般微机的累加器相比较没有什么特别之处，但需要说明的是 ACC 的进位标志 Cy 就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。 单片机的程序状态 PSW，是一个 8 位寄存器，它包含了程序的状态信息。 (2) 控制部件 控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码 以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出.CPU.的时序，对指令进行译码，然 后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。 其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信 号 ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号 EA，以及片外取指信号 PSEN。 (3)专用寄存器 专用寄存器组也称为特殊功能寄存器，主要用与表示当前要执行的指令的内存地 址、存放操作数和知识指令执行后的状态等。它是任何一台计算机的.CPU.不可缺少的 组成部件。 3.2.3 AT89S52 的时钟及复位电路 时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号。单片机本身就时一个复杂的同 步时序电路，为保证同步工作放肆的实现，单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格 地按时序执行指令进行功能工作，而时序所研究的时指令执行中各个信号的关系。在 执行指令时，CPU 首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，并由时序电路 产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。 XTAL2 XTAL1 GND C1 C2 AT89S52 GND XTAL1 XTAL2 AT89S52 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现11 图 3-2 内部振荡电路 图 3-3 外部振荡电路 单片机除了内部时钟方式(图 3-2)外，还可以采用引入外部时钟的振荡方式(图 3-3)。 单片机复位电路有多种，根据应用的要求，复位操作通常由两种基本形式：上电 自动复位、手动开关复位。影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因 两部分。外因是射频干扰，它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体(引线或零 件引脚)感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰；电 源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导，可通 过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰。内因是振荡源的稳定性，主要由起振时间 频率稳定度和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度 和电压等参数影响复位电路的可靠性。 (1) 上电自动复位 上电自动复位要求接通电源后，自动实现复位操作。对于.NMOS 型单片机，在. RST 复位端接一个电容至 VCC 和一个电阻接地，就能实现上电自动复位，如图 3-4 所 示。 对于 CMOS 型单片机，只要接一个电容至 VCC 即可。在加电瞬间，电容通过电 阻充电，就在.RST.端出现一定时间的高电平，只要高电平持续时间足够长，就可使单 片机有效复位。RST.端在加电时应保持的高电平时间包括.VCC.的上升时间和振荡器的 起振时间，振荡器的起振时间于频率有关。10MHz 晶振时约位 1ms，1MHz 晶振时约 为 10ms，所以一般为了可靠复位，RST 在上电时应保持 20ms 以上的高电平。RC 时间 常熟越大，上电视 RST 端的高电平时间越长。 (2) 手动开关复位 本设计选择手动开关复位，要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果 发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。 VCC RST VCC R RST 图 3-4 上电自动复位 图 3-5 手动开关复位 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分12 常用的手动开关复位电路如图 3-5 所示。上电后，由于电容充电，使得 RST 持续 一段高电平时间。当单片机已在运行之中时；按下复位键也能是 RST 持续一段时间的 高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择 C=1030F，R=101K。 3.3 74HC573 概述 在单片机应用系统中，由于标准 TTL 或 CMOS 数字集成电路的逻辑电平与 MCS- 51 系列完全兼容，故也常采用.TTL.电路、CMOS.电路锁存器或三态门电路构成各种类 型的简单输入/输出口。通常这种.I/O.口都是通过 P0.口扩展。由于 P0.口只能分时使用， 故构成输出口时，接口芯片应具有锁存功能；构成输入口时，根据输入数据是常态还 是暂态，要求接口芯片应能三态缓冲或锁存选通。数据的输入、输出由单片机的读/写 信号控制。 本设计选择 74HC573 芯片，通过 P0 口扩展输出口时，锁存器被视为一个外部 RAM 单元，输出控制信号为 WR。74HC573 是带锁存允许端的 8D 锁存器，引脚 1D8D 为 8 个 D 输入端，引脚 1Q8Q 为 8 个输出端，当 OE 端为低电平时锁存器允 许数据输出，LE 为高电平允许锁存数据到芯片。 74HC573.器件的输入是和标准.CMOS.输出相兼容的，加上拉电阻之后，他们能和 LS/ALSTTL.输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的(也就 是说输出同步)。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。 D0D7 与 P0 口连接传送数据，Q0Q7 为输出口可与数码管连接，驱动数码管发光。 3.4 显示模块介绍及设计 LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，简称 LED，是一种能够将电能转化为可 见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 74HC573 20 VCC 19 Q0 18 Q1 17 Q2 16 Q3 15 Q4 14 Q5 13 Q6 12 Q7 11 LE OE 1 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 GND 10 图 3-6 74HC573 引脚图 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现13 3.4.1 LED 发光原理 LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另 一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一 部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是 电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N 结” 。当电流通过 导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后 就会以光子的形式发出能量，这就是.LED 发光的原理。 光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料决定的。 它是一种通过控制半 导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像 信号等各种信息的显示屏幕。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰 富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。LED.可以作为 显示屏，在计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。故.LED.是一种能够将电 能转化为可见光的半导体。此外，LED 可分为共阴极和共阳极两种，如图 3-7 所示。 a b c d e f g dp G a b c d e f g dp +5V (a)共阴极 (b)共阳极 图 3-7 LED 显示结构 3.4.2 数码管介绍 由 LED 组成的数码管其发光原理也一样。数码管按段数分为七段数码管和八段 数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示)。按能显 示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等数码管。本次设计中为了外观整齐，提高焊 接的可靠性，选择 4 位数码管。 表 3-3 7 段 LED 数码管显示字型表 显示字符共阴极字符码共阳极字符码显示字符共阴极字符码共阳极字符码 03FHC0HC39HC6H 106HF9HD5EHA1H 25BHA4HE79H86H 34FHB0HF71H8EH 466H99HP73H8CH 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分14 56DH92HU3EHC1H 67DH82HT31HCEH 707HF8HY6EH91H 87FH80HH76H89H 96FH90HL38HC7H A77H88H不显示00HFFH B7CH83H 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指 将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用 时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就 点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 。共阴数码管是指将所有发光 二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共 极.COM 接到地线.GND.上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点 亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 常用数码显示字形段码如上表 3-3 所示，通常显示字符段码顺序排列，存放在存 储器中的固定区域，构成段码表，当要显示某字符时，可根据地址查表。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们 要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 (1) 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机 的 I/O 端口进行驱动，或者使用如.BCD.码二、十进制译码器译码进行驱动。静态驱动 的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，实际应用时必须增加译码 驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 (2) 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是 将所有数码管的 8 个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连在一起，另外 为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制， 当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会 显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的 数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时 轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及 发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足 够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现15 显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 3.4.3 显示部分设计 在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种：一种为动态显示；一种为静 态显示。 动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法中，显示器件分 时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以，只要扫描频 率足够快，仍会感觉到所有的器件都在显示，如许多单片机的开发系统及仿真器上的 6 位显示器件都采用这类显示方法。 目前国内生产的许多单板机，包括一些开发系统及仿真器均采用的是动态显示。 这种显示方法的最大的优点就是线路简单，价格便宜，适合大批量生产。动态显示的 方法按单片机输出数据的方式有并行和串行两种接口方式。 为了节约资源，降低设计的复杂程度，本设计的显示部分采用的是动态显示，用 P1 口的低四位来控制位选，P2 口用来做数据口，控制数码管的段选。 3.5 键盘电路设计 键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说 键盘是一组规则排列的开关。 3.5.1 按键的分类 按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡 胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低， 后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是 识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码 键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。 全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动 和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的 单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软 件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。下面将重点介绍非编码键盘 接口。 3 系统的硬件介绍及设计LED 部分16 3.5.2 按键结构与特点 闭合 稳定 后沿抖动前沿抖动 键按下 图 3-8 键盘抖动 微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为 电气上的逻辑关系。也就是说，它可以提供标准的.TTL.逻辑电平，以便与通用数字系 统的逻辑电平相容。 机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的 触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图 3-8 所示，抖动时间的长短 与开关的机械特性有关，一般为 510ms。 在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或 释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖 动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数 较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。本设计中由于用到的键 盘数量较多，所以采用的是延时消抖。 3.5.3 独立式按键 单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。 独立式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用 一根 I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。独立式按键的典型应用 如图 3-9 所示。 基于单片机的口语 PK 系统的设计与实现17 1 1k k1 1k k1 1k k1 1k k V VC CC C P P0 0. .0 0 P P0 0. .1 1 P P0 0. .2 2 P P0 0