基于PLD的液晶电子抢答器课程设计报告.docx

电子系统设计报告基于PLD的液晶电子抢答器目录一、摘要1二、题目任务及具体要求1（1）目的及任务1（2）技术要求2（3）工作要求2三、整体方案设计2四、硬件设计3（1）液晶的连接与设计3（2）功能按键的连接与设计4（3）抢答按键的连接与设计5五、软件设计6（1）功能概述6（2）抢答流程图7六、测试步骤及结果8（1）开始8（2）抢答及答题模块8（3）修改字体模块9（4）设置时间及分数模块9（5）统计模块9（6）结束模块9七、实验心得9（1）遇到的问题9（2）感悟与体会10附录11（1）参考资料：11（2）原理图：11（3）PCB图：13（4）MAX PLUS II设计图：14（5）main.c代码：14（6）lcd_show.c代码：25（7）lcd_code.h代码：54- 14 -一、 摘要当今时代，不论是高端的国际竞赛还是还是普通的比赛，我们都可以看到抢答器的身影，抢答器极大的保证了比赛的公平公正。我们小组就是根据所学知识设计电子抢答器。本电子抢答器的设计以单片机AT89C52为核心，用PLD芯片实现逻辑功能，用MFC-G12864点阵液晶进行显示。抢答器通过C语言编写代码，通过MAXPLUSII编辑并烧写逻辑功能。共有五个按键，可实现的功能有数据初始化，判断抢答队伍，抢答倒计时，答题倒计时，通过主持人的判断实现回答正确加分、回答错误减分，液晶显示等。我们设计的宗旨是：美观、实用、功能丰富。为此我们还进行了一些创新，可分为两个方面：（1）功能方面：判断犯规队伍并显示；抢答成功后点亮对应队伍的LED灯；抢答时间可随时修改；答题时间可随时修改；每题分值可随时修改；统计功能；硬件锁存结合软件锁存双重保险；最终得分相同进入加赛环节；（2）美观方面：图片显示；加减分动画显示；倒计时用大阿拉伯数字显示；全系统动画过渡；三套字体全系统可改；统计柱状图；二、题目任务及具体要求（1）目的及任务 1.通过查阅相关资料，深入了解电子抢答器的工作原理；2.学习习可编程器件（主要功能在该器件中完成）的应用及硬件语言；3.学习点阵液晶显示器的工作原理及使用方法；4.复习“MCS-51单片机原理及C语言程序设计”，掌握其接口扩展包括：显示、键盘等；5.设计电子抢答器的原理图，构建硬件平台；6.采用汇编或C语言编写应用程序并调试通过；7.作出样机并测试达到功能和技术指标要求；8.写出设计报告和答辩PPT。（2）技术要求1.液晶闪烁显示当前答题组；2.显示各个组（每组三人，均可参加抢答）的积分值；3.可根据按键操作改变显示字符大小；4.交互界面友好，布局合理大方；5.五个功能按键。（3）工作要求1.组建基于可编程器件的电子抢答器总体结构框图；2.根据题目要求，选择元器件，通过理论分析和计算选择电路参数；3.根据操作功能要求，确定键盘控制功能；4.按设计要求确定显示合理安排格式及内容；5.编写应用程序并调试通过；6.对系统进行测试和结果分析；7.撰写设计报告和答辩PPT。三、整体方案设计参赛队员按下抢答键，由PLD进行锁存并判断抢答队伍，判断结果送入单片机的P2口。五个功能按键与单片机P1口相连，在主持人的控制下产生不同的控制信号。单片机根据控制信号以及抢答队伍的不同，在液晶上显示不同的信息。抢答信息的锁存和判断全部在PLD里完成，单片机负责控制液晶显示需要的内容以及其他创新功能的实现。整体系统框图：四、硬件设计（1）液晶的连接与设计MFC-G12864通过单片机来控制，单片机的P0口与数据总线连接，LCD从该总线中读入数据并显示在屏幕上。根据LCD的控制指令表，CS1和CS2分别控制左半屏和右半屏，将A12与CS2连接，取非后与CS1连接，即可由A12的高低控制左右半屏。LCD的E有效必须使A13为低。A14与LCD的R/S相连，高输入数据，低输入指令。PLD的WR和RD由内部时钟控制，WR为高时LCD的RW为高，允许读取数据；RD为高时LCD的RW为低允许写入数据。以下为地址的计算表：P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3-2.0P0地址CS1_inst1000FFF8FFFCS1_data1100FFFCFFFCS2_inst1001FFF9FFFCS2_data1101FFFDFFF实验时测得UA0UA7总是为高电平（4.2V），考虑到会对数据总线造成干扰，因此将这8个IO口设为输出，接在闲置的IO口上，如下图：（2）功能按键的连接与设计使用电子抢答器时，通过抢答器功能键来实现功能的实现与转变。功能键松开时为高电平，按下时为低电平，按键与电源之间连有上拉电阻以防止电流过大，损坏器件。功能按键的连接如下图所示：各个按键的连接：按键对应端口KEY0P1.0KEY1P1.1KEY2P1.2KEY3P1.3KEY4P1.4按键的防抖动设计（以key1为例）：if(key1=0)/按下key1进入if语句 while(key1=0);/key1弹起后才能下一步/这里写按下要执行的程序经过测试，每按一次按键只执行一次程序。（3）抢答按键的连接与设计硬件设计图请见最后电子抢答器在使用时，共有一号、二号、三号三队选手参加比赛，每组各三个人，且每人一个抢答按键。按键松开时为低电平，按键按下时为高电平。我们使用实验室的8个拨码开关作为抢答按钮，分别与PLD引出信号口PD1（或PD2）的1到8脚用杜邦线相连。A8、A9、A10分别为一号、二号、三号队伍的抢答信号，初始为1，抢答成功后变为0，因此将PA3（或PA4）的123脚各接一个LED灯，队伍抢答成功后会点亮对应的LED灯。由于现实中的按键大多数设计为按下自动弹起，因此我们要将按下后的信号锁存起来，使弹起后输出不变。A11为总的锁存控制信号，A11为低时，3个D锁存器的ENA为高，数据可以顺利通过D锁存器；A11为高时，0可以通过，1通过后会被锁存，使输出保持为1，实现了按键弹起后保持输出信号不变的功能。右边的三个与非门实现了抢答队伍判断的功能。初始时锁存器的输出均为0，此时与非门的输出均为1；当有人按下抢答键后，该队伍对应的锁存器输出变为1并保持不变，对应的与非门输出变为0，这个0会钳制其他两个与非门使之输出只能为1，实现了抢答队伍的判断。同时INT1会受到一个下降沿，单片机进入中断后判断A8、A9、A10哪个为0，即可得知抢答队伍并控制液晶显示以及实现其他功能。四、 软件设计（1）功能概述：软件部分用C语言进行编程，为了方便分了三个文件：main.c是主函数以及用到的子函数，lcd_show.c是所有和液晶显示有关的函数，lcd_code.h是用到的字模的集合。在main.c中主要的功能模块及对应按键如下图所示：在lcd_show.c中主要的功能模块有： 1.液晶的复位和写数据； 2.16*16汉字的显示； 3.12*12汉字的显示； 4.099数字的显示； 5. 15*29大数字的显示； 6.图片的显示； 7.过渡动画； 8.综合调用上述函数实现各个界面的显示；（2）抢答流程图：六、测试步骤及结果：（1）开始为了直观和方便，我们根据按键的位置来称呼按键：Key0:下； key1:左； key2:上； key3:中； key4:右插上电源并运行程序，液晶显示开机图片，按“下”后动画过渡到欢迎界面，显示“欢迎使用电子抢答题高璐仇杨鑫”字样，再按“下”进入功能选择界面，根据板子上五个按键的位置，液晶显示了五个可以选择的功能：字体、统计、设置、结束、继续。按“下”进入初始得分设置界面，默认为20分，按“左”加10分，按“右”加5分，按“下”继续。（2）抢答及答题模块1.在功能选择界面按“下”，进入抢答环节，最上方正中间显示第01题，左边提示请抢答，右边以15*29显眼的大数字从10到0以秒为单位进行倒计时，倒计时结束无人抢答，显示“无人抢答”。2.按“下”进入第02题的抢答环节，二号拨动学习机的拨码开关，一号和三号以很短的时间间隔后也拨动拨码开关，屏幕闪烁显示“二号答题”，同时二号队伍的LED灯变亮，闪烁结束后进入答题界面，左边提示请答题，右边同样进行从10到0的倒计时。3.倒计时结束没有答题，自动显示“超时”，显示之前得分，动画擦出答题队伍后，显示“-1”，扣除相应队伍1分，然后显示目前得分；倒计时结束前按“左”，显示“正确”，显示之前得分，动画擦出答题队伍后，显示“+1”，相应队伍加1分，然后显示目前得分；倒计时结束前按“右”，显示“错误”，显示之前得分，动画擦出答题队伍后，显示“-1”，相应队伍减1分，然后显示目前得分；倒计时结束前按“中”，显示“错误”，显示之前得分，动画擦出答题队伍后，显示“-0”，不扣分；4.主持人按下开始抢答前，把三号队伍的拨码开关拨为高，按“下”开始抢答后，右边显示“三号违规”，同时三号队伍的LED灯变亮，三号把拨码开关归零后，屏幕显示“继续”，LED灯灭，按“下”可重新开始抢答；（3）修改字体模块在功能选择界面或者每题结束界面，按“上”进入字体选择界面，根据屏幕上的提示按对应按键可修改字体，按“下”屏幕过渡为楷体界面，按“右”屏幕过渡为12*12宋体界面，按“左”屏幕过渡为16*16宋体界面。选择喜欢的字体，按“上”确认，屏幕显示“修改成功”，之后回到功能选择界面，进行别的操作时，字体已经全部改变为修改后的字体。（4）设置时间及分数模块在功能选择界面或者每题结束界面，按“中”进入设置时间及分数界面，上方显示“设置”，左边中间右边分别显示“抢答10秒”“答题10秒”“每题01分”，按“左”，抢答时间变为15秒，再按“左”变为5秒，可在5、10、15三个预设答题时间进行选择。用同样的方法，答题时间预设有10、15、20、25、30五个选择，每题分数预设有1、2、3、4、5五个选择。我们设置为“抢答5秒”“答题25秒”“每题03分”，按“上”确认后，显示“修改成功”，回到功能选择界面，之后进行抢答，发现已经修改成功。（5）统计模块在功能选择界面或者每题结束界面，按“左”进入设置时间及分数界面，上方显示“答题统计”，下方三行依次为一二三队的答题情况柱状图，柱状图的黑色部分为答对题目数，白色部分为答错或超时题目数，总长即为抢到的题目数。右边分别显示每队答对题目数和抢到题目数。按“下”可继续抢答。（6）结束模块在功能选择界面或者每题结束界面，按“右”比赛结束。如果没有最高分，最上方显示“比赛继续”，左边显示“加赛环节”，右边显示目前得分。如果有最高分，则最上方显示“比赛结束”，左边显示获胜队伍，右边显示最终得分。按“下”屏幕动画清屏，显示“再见”，比赛结束。经过一系列的测试，本抢答器完整可靠的实现了所有的功能，全程未发现任何bug。七、实验心得：（1）遇到的问题：1.测试PLD时，我们把信号从UA0口输出，却总是得不到正确的输出，用电压表测得UA0-UA7不论何时总是高电平，经过和老师的讨论得知这8个IO口必须设成输出，否则会干扰总线。之后使用别的IO口进行测试，取得了正确的结果。2.刚开始液晶无法显示，一半屏幕要么全黑要么全白，经过检查是地址计算错误，修改后成功显示“交通大学”。3.刚开始我们把抢答按键的逻辑设计为与门，这就要求平时每个按键都得是高电平，而PLD的引出脚放掉残余电荷后均为低电平，造成很大的不方便，每次调试都得把8根线全部连接到学习机。最终将逻辑修改为或门得以解决。4.设计PLD的逻辑时，换了好多种方案，修改好几次才终于成功，从这个过程中我们深刻地认识到：必须充分考虑门的延时，有时即使是一个门的延时都会导致达不到想要的功能。5.一开始中断总是进不去，经过一步步的排查和测试得以解决。6.编写换字体的函数时遇到困难，尝试利用判断语句调用不同的库函数来实现换字体的功能，后来考虑到大字体和小字体排版不同，决定定义一个全局变量“ziti”来实现该功能。7.答题倒计时过程中按下正确和错误键不能立即响应，经过思考得知原因：正确和错误的if语句在倒计时的循环里，每延时1s执行一次。修改为每延时0.1s执行一次得以解决。8.在画原理图时，可能会找不到你所需要的器件，这就需要你自己建立.schlib文件去画出自己的器件。9.在用原理图生成PCB图时，系统总是显示总线有错误，后经老师帮助，知道这是软件错误，用局部变量变全局变量可以解决。10.PCB的封装不能只调用库里的封装，有些库里的封装虽然与所要求的名字一致，但它真正画到PCB板上时你会发现它的尺寸什么的完全不是你想要的，这就需要我们去观察板子上器件的尺寸大小，建立自己的封装库文件。（2）感悟与体会这是我们大学中第一次完整的设计经历，从最开始的毫无头绪，查阅各种知识，到后面的游刃有余。刚刚拿到原理图时，我们也挺迷茫的，完全不知道该如何下手，在查阅了各种资料后，终于对抢答器的原理有了比较深入的理解，后面就是分工，从一开始的焊板子，到后面的编代码，画电路板，我们都在为自己的任务而努力着。在期间遇到了各种问题，在老师的帮助下，我们自己的不懈努力下终将一个个问题克服。这次实验我们最大的感悟就是