基于单片机的篮球赛计时计分器器的设计_本科毕业设计.doc

南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目：基于单片机的篮球赛计时计分器器的设计专业： 自动化 Gradustcion Design (Thesis)Designofthesplitter-basedsingle-chipbasketball gametime scoringByZhouweijunSupervised byProf. XING Can huaDepartment of Automstcion EngineeringNanjing Institute of TechnologyApril, 2012南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要此次设计属于计算机控制技术弱电课程设计，主要通过基于单片机STC89C51芯片座位本次核心控制元件，利用数码管座位显示器件，键盘输入电路等相关的软件的有机结合以及喇叭等辅助器件，构成了一个满足基本设计要求的篮球计时计分系统。本系统可满足倒计时方式显示单节比赛剩余时间，可暂停，显示双方得分，按键输入修改分值，如有错误可进行分值的相应修改。整场比赛结束时有声音提示。系统符合一般篮球赛计时器的工作要求。采用数码管显示器件，因为其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪器和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，而且有利于硬件实物的成功。设计的主要方法主要是通过仿真确定方案的可行性，然后在进行局部测试实物是否满足仿真的设计要求，最后把整体电路搭建完成做最后的测试和调试。关键词：STC89C51; 数码管显示; 计数器; 计分器ABSTRACTThe design is computer-controlled weak curriculum design, mainly through the combination of speakers and other auxiliary devices, the use of the software of the digital tube seat display, keyboard input circuit the microcontroller STC89C51 chip seat of the core control elements, constituting at the basic design requirements basketball timing scoring system. This system can meet the countdown display the remaining time of a single game to pause, to show both sides scoring key input to modify the score, if an error scores can be modified accordingly. The end of the game, a voice prompt. The system meets the requirements for the work of the general basketball timer. Digital display, micro-power, small size, the use of flexible and many other advantages to be more widely used in pocket-sized instrument and low-power applications, but also conducive to the success of the hardware in kind. The main method of design is to determine the feasibility of the program through the simulation, and then meet in kind during the local test simulation design requirements, the overall circuit structures to complete the final testing and debugging.Key words：STC89C51; digital display; counter; scoring南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）目 录第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2设计背景1 1.3设计目的2 1.4 设计意义2第二章 系统硬件介绍32.1 MCS-51单片机简述3 2.1.1单片机STC89C51简介32.1.2主要特性52.1.3管脚说明52.1.4芯片擦除62.1.5空闲节电模式72.1.6掉电模式72.1.7程序存储器的加密82.1.8STC89C51的极限参数82.2 显示器及其接口8 2.2.1显示器介绍82.2.2结构与原理92.2.3LED显示器显示方式112.2.4LED显示器接口实例132.3 报警器152.3.1 报警器的分类152.3.2 报警器工作原理152.3 74HC573芯片介绍152.4 矩阵键盘16第三章 硬件电路的设计123.1 DXP软件的介绍19 3.2系统方案的设计293.3硬件总体设计323.3.1 STC89C51最小系统板部分333.3.2振荡电路333.3.3计时电路设计343.3.4计分电路设计343.3.5串行接口工作原理353.3.6复位电路原理363.3.7电源开关电路原理373.3.8矩阵键盘部分373.3.9全部电路的制作和调试37第四章 软件程序设计384.1 Keil开发环境的介绍384.2 程序设计474.3 系统调试47第五章 结论485.1论文总结 485.1.1主要工作及结论 485.1.2存在问题 485.2感想与收获48致谢48参考文献49附录A：英文资料50附录B：英文资料翻译52附录C：硬件设计原理图与PCB图54附录D：C语言程序58附件： 毕业论文光盘资料南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 引言进入21世纪，伴随着电子、信息技术的应用与迅速普及，人们对电子技术的要求越来越高。当今社会，科学技术日异月新，时代进步的步伐越慢越宽，应用自动化设备，计算机处理，数字化信息，现代化显示设备等高新技术而建设的现代化智能。目前单片机渗透带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影。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制盒数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机，摄像机，全自动洗衣机的控制，以及遥控玩具，电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。通过此次基于单片机设计的篮球计时计分的系统，我们可以更清楚详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧来讲诉单片机编程，并对STC89C51单片机的结构和原理进行讲诉，以及基于单片机开发应用的相关芯片的工作原理，和相关外围电路的设计和调试过程进一步了解，有助于今后的工作和学习生活。篮球比赛计时计分器是为了解决篮球比赛时计分与计时准确的问题。此装置利用单片机STC89C51完成了计时和计分的功能。本文详细地介绍了系统硬件与软件的设计过程，采用该装置可根据实际情况进行比分修改和事件的准确显示们具有低功耗，可靠性，安全性以及低成本等特点。1.2 设计背景单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。例如，STC80C51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的趋势，就充分证明了这一点。单片机以其一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器等。而美国STCMEL公司开发生产了新型的8位单片机STC89系列单机。他不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，此次设计中所用到的STC89C51就是其中典型的代表。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。 单片机是靠程序实现功能的，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。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件的话，电路一定是一块大PCB板。但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。1.3 设计目的 随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而产生，如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器，用单片机控制数码管计时计分器等。 本次设计用由STC89C51编程控制LED数码管作显示的球赛计时计分系统。该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。它具有价格低廉，性能稳定，操作方便并且易于携带等特点。广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时计分。 通过本次基于C51系列篮球计时计分器的设计，可以了解、熟悉有关单片机开发设计的过程，这主要表现在以下一些方面： (1) 篮球赛计时计分系统包含了STC8051系列单片机的最小应用系统的构成，同时在此基础上扩展了一些使用性强的外围接口。 (2) 可以了解到数码管显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例与具体连接与编程方法。 (3) 怎样利用外接矩阵键盘来控制比赛时间和比赛分数等1.4 设计意义 单片机的应用是具有高度现实意义的。单片机极高的可靠性，微型性和智能性（我们只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作），单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的日常生活当中 通过此次基于单片机设计的篮球计时计分系统，我们可以更清楚详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧来讲述单片机编程，并对MCS-51单片机的结构和原理进行讲述，以及基于单片机开发应用的相关芯片的工作原理，并且可以在将来的工作和学习中加以应用。第2章 系统硬件介绍2.1 MCS-51单片机简述 2.1.1单片机STC89C51简介 MCS511是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中STC89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由STMicroelectronics公司开发生产的。 本课题中用到的芯片是STC89C51单片机芯片。 STC89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用STMicroelectronics公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置功能强大的微型计算机的STC89C51提供了高性价比的解决方案。 STC89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。它是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本23。如图所示，图1-1为STC89C51基本构造，其基本性能介绍如下：图2-1为STC89C51基本构造STC89C51本身内含40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。下图为STC89C51方框原理图图2-2 STC89C51方框原理图2.1.2 主要特性：STC89C51的主要特性如下表所示：表2-1 STC89C51主要功能描述兼容MCS51指令系统4k可反复擦写(1000次）Flash ROM32个双向I/O口可编程UARL通道两个16位可编程定时/计数器全静态操作0-24MHz 1个串行中断128x8bit内部RAM两个外部中断源共6个中断源可直接驱动LED3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 2.1.3 管脚说明 VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 表2-2 STC89C51特殊功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚8被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2.1.4 芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，STC89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.1.5 空闲节电模式 STC89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（电源控制寄存器）中的PD（PCON.1） 和IDL（PCON.0）位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态，IDL是空闲等待状态，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态，如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电工作模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或者硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可以将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。为了避免对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令的后一条指令不应是一条对端口或者外部存储器的写入指令。2.1.6 掉电模式 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并且稳定的工作。 空闲和掉电模式外部引脚状态如表2-3所示表2-3外部引脚状态表模式空闲模式空闲模式 掉电模式 掉电模式 程序存储器 内部外部内部外部ALE1100/PROG1100P0 数据浮空数据浮空P1 数据数据数据数据P2 数据数据数据数据P3 浮空浮空数据数据2.1.7 程序储存器的加密 STC89C51可使用对芯片上的三个加密位LB1、LB2、LB32进行编程（P）或者不进行编程（U）。当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA断的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有服位，则锁存起的初始值是一个随机数，这个随机数会保存到真正复位为止。 2.1.8 STC89C51的极限参数 表2-3 极限参数表2.2 显示器及其接口 2.2.1显示器介绍 显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。发光二极管LED，组成的显示屏，每个点都是一个或多个发光二极管，通过控制电路控制二极管的亮与灭来控制点的发光，从而使整个大屏幕显示图案。 液晶显示器LCD最常见的就是TFT类型的，它是由光源，液晶光栅，和控制芯片组成，他的光源是常亮的白色强光，当光线通过液晶光栅（液晶屏）的时候，通过电压改变液晶颗粒滤光方向，从而改变每个点的颜色和强度来显示图案。液晶显示器分很多种类，按显示方式可分为段式，行点阵式和全点阵式。段式与数码管类似，行点阵式一般是英文字符，全点阵式可显示任何信息，如汉字、图形、图表等。两者之间的区别：（1）二极本身发光，液晶本身不发光，只是透射光。（2）二极管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低。液晶成本较高，面积无法做得很大，但图像质量很好，适合做显示器。（3）二极管耗电大，液晶耗电小。（4）二极管图像刷新率低，液晶的高二者的档次相差比较大，一般来讲在一些图像简单，对成本控制较严格的场合，用二极管，比如商场、银行等服务部门的电子提示窗，街道、百货公司外面的广告宣传窗；而液晶一般都是作计算机显示器、电视、手持设备等对图像质量要求高的场合。 下面介绍发光二极管显示器（LED）的结构、工作原理及其接口电路。2.2.2结构与原理 下图为典型的数码管：图2-4 7段LED数码管如上图，LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LEDD显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。如下图所示。图2-5 共阴与共阳极LED显示器LED显示器可分为共阳和共阴两种结构，如上图所示。图上为共阴结构。即把8个发光二极管阴极连在一起。这时如果需要点亮a到g中的任何一盏灯，只需要在相应的端口输入高电平即可；输入低电平则截止。比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的a、b、c、d、g段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示P字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。 表2-6列出了共阳极与共阴极LED显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系表2-4 代码对应表显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH03FHC087FH80H106HF996FH90H2.2.3 LED显示器显示方式 点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。在本次设计中，采用的是静态显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。 这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。从下图可以看出，每位LED显示器需要单独占用8根端口线，因此，在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式。图2-6 静态显示图所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器。下图为4位LED显示器动态显示路。图2-7动态显示图在此电路中，单片机的P1口用于控制4位LED的段选码：P2口的P2.0P2.3用于控制4位LED位选码。 由于所有的段选码连在一起，所以同一瞬间只能显示同一种字符。但如果要显示不同字符，则要借助位选码来控制。（如果LED为共阴则P2.0P2.3输出为高电平，如果LED为共阳则P2.0P2.3输出为低电平。）例如，现在要显示5678四个数字，则首先应该将“5”的显示代码（共阴LED显示器的显示代码为6DH，共阳LED显示器的显示代码为92H）由P1.0送出，然后P2.0P2.3输出相应位码（LED为共阴则P2.0P2.3输出1000，）LED为共阴则P2.0P2.3输出0111）时，则可以看到在数码管1上显示的数字为“5”。再将显示的数字“5”延时510ms，以造成视觉暂留效果；同时代码由P1.0送出。用同样的方法将其余3个数字“678”送数码管2，3，4显示，于是最后则可以在4位LED显示器上看到“5678”四个数字。为了使显示效果更加稳定，可以使每个数码管显示的数字不断的重复，但其中重复频率达到了一定的程度的时候，加之人眼睛本身的视觉暂留效果的作用，便可以看到相当稳定的“5678”四个数字。如下表，即为模拟以上的过程表（以共阴LED设置显示代码，共阳与此相反）。表2-8 模拟过程表2.2.4 LED显示器接口实例 由LED的结构及工作原理可知，要想在LED上显示数据或者字母，则首先必须要把待显示的数据或者字母转换成LED的7位显示代码，方可显示相应的数字或者字母。通过实现这种转换有两种方法：一种是专用硬件译码器，另一种是专用软件译码器。本次设计采用的是专用硬件译码器74HC573实现。现将两种方法分别介绍如下： 本次设计采用的是硬件译码方式，首先来介绍一下译码器。 2.2.4.1变量译码器 变量译码器的输出表示输入变量的状态。常用的3-8线译码器TTL电路型号有74S138、74LS138等，CMOS电路型号是74HC138。 两者的功能及引脚完全一样，功能见下表。 表2-5 功能引脚表输入输出使能选择S1S2+S3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7X1XXX111111110XXXX1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110常见的4-7线译码器，TTL型号是74154、74S154和74LS154等，CMOS电路是74HC154，两者功能与引脚图也完全一样。 2.2.4.2码制变换译码器 码制变换译码器是将一种代码变换为另一种代码的电路。例如74LS42，其输入是由4位二进制代码表示的十进制数（BCD码），有10条输出线表示十进制数09，称之为4-10线译码器。 2.2.4.3显示译码器 (1)显示器件 常见的显示器有白炽灯、辉光数码管、荧光数码管、发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD）等。目前用的较多的是发光二极管和液晶显示器。我们只对发光二极管显示器作一简单介绍。LED字型以七段显示器为常见，分为共阳极式与共阴极式接法。共阳极接法的器件如LA-5011，LA-5021，LA-5031等。共阴极接法LED型号只是将LA换成了LC，其他部分及意义完全一样。 (2)显示译码器 由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，故所对应的显示译码器也不同，使用共阳数码管时，公共阳极接电源电压，七个阴极ag由相应的BCD-七段译码器的输出来驱动。对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的输出驱动ag各阳极。若数码管为共阴，则选用输出为高电平有效的显示译码器。若数码管为共阳，则选用输出为低电平有效的显示译码器。驱动共阴数码管的BCD-七段的译码器有7448、74LS48等，该功能CMOS电路为74HC573及MC14513等。 驱动共阳数码管的显示译码器有7447、74LS47和74LS247等。D、C、B、A为BCD码输入端，BI为隐功能端。BI=1，正常显示：BI=0字型消隐。LT为测试端，LT=1时，正常显示；LT=0时，显示器显示8。LE为锁存端，LE=0不 18锁存，译码器输出随输入BCD码变化；当LE由0变1时，将输入的BCD码锁存。由计数器、显示译码器和显示器构成的显示系统由CD40150组成。CD40150为CMOS可预置数的二一十进制加法计数器。MR为清零端，当该端为低电平时，计数器清0。PE为预置控制端，当该端为低电平时，在下一个时钟的上跳沿将需要预置的数据D0D3送到计数器的Q0Q3端。只有MR、PE、CEP和CET均为高电平时，计数器才进行加法计数。本次设计采用专用的带驱动器的LED段译码器，类似译码器种类比较多，如74HC573，MC14495，74LS164等2.6 报警器 2.6.1报警器的分类 蜂鸣器有两类3大品种。一类是压电式，一类是电磁式，电磁式又有两大品种，铁振膜式和动圈式，二者原理一样只是结构不同。所有蜂鸣器都有两种类型：纯蜂鸣器和带驱动的蜂鸣器，蜂鸣器都是用音频信号驱动的，都是交流驱动。 2.6.2报警器工作原理 报警器的种类很多，比如：扬声器，蜂鸣器等，本次设计采用的是电磁式蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、震动膜片以及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号通过电磁线圈，使得电磁线圈产生了一个磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。2.6.2SN74HC573芯片介绍在本设计中，由于只要求LED显示器显示09是个数字，因此我们选用74HC573作为LED数码管的锁存器芯片。74HC573是八进制 3 态非反转透明锁存器，该设备输入兼容标准CMOS输出与上拉电阻器，它们兼容与LS/ ALSTTL输出的。这些闩锁出现透明的数据（即，输出的变化异步）当锁存使能高。当锁存使能去低，数据满足设置和保持时间成为锁存。具体特点如下：（1）输出直接连接到CMOS，NMOS和TTL（2）工作电压范围：2.0到6.0 V（3）低输入电流：1.0 mA（4）高噪声CMOS器件的免疫特性引脚图如下：图2.9 74HC573引脚分布图其中OE为使能端，07为段码输出端，D0D7为单片机信号输入端，LE为位码选择端口。功能表如下：输入输出输出使能锁存使能DQLHHHLHLLLLX不变HXXZ2.6.2键盘设计 矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 一、扫描法 按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行平电的变化，便能判定相应的行有键按下。8号键按下时，第2行一定为低电平，然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？回答是否定的，因为9、10、11号键按下同样使第2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依次循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。 二、线反转法 第1步：将列线P1.4P1.7 作为输入线，行线P1.3P1.0 作为输出线，并将输出线输出全为低电平，读列线状态，则列线中电平为低的是按键所在的列。 第2步：将行线作为输入线，列线作为输出线，并将输出线输出为低电平，读行线状态，则行线中电平为低的是按键所在的行。 综合第1、2两步结果，可确定按键所在的行和列，从而识别出所按下的键。 键盘的编码 1.独立式键盘：按键数量少，可根据实际需要灵活编码。 2.矩阵式键盘：按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列 号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。 编程扫描方式 编程扫描方式是利用CPU完成其他工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。 键盘扫描程序一般应包括以下内容： （1）判别有无键按下。 （2）键盘扫描取得闭合键的行、列值。 （3）用计算法或查表法得到键值。 （4）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。 （5）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。 定时扫描方式 定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。 中断扫描方式 当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。中断扫描方式可以提高CPU工作效率 。 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。第三章 硬件电路的设计3.1 Protel DXP软件的介绍3.1.1 Protel DXP软件的特点介绍现在的Protel DXP已不是单纯的PCB(印制电路板)设计工具，而是一套由五大模块组成的系统软件，它们分别是SCH(原理图)设计、SCH仿真、PCB(印制电路板)设计、Auto Router(自动布线器)和FPGA设计，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计7。Protel DXP在文件交换方面也有很大的进展。它可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等EDA公司的设计文件；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；也可以输出格式为Hyperlynx的文件，用于板级信号仿真。 Protel DXP作为新推出的优秀的电子CAD设计软件，具有以下特点： (1) 通过设计文件包的方式，将原理图编辑、电路仿真、PCB图设计以及打印这些功能有机地结合在一起，提供了一个集成开发环境。 (2) 提供了混合电路仿真功能，为设计者检验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便。 (3) 提供了丰富的原理图元件库和PCB封装库，并且为设计新的器件封装提供了封装向导程序，简化了封装设计过程。 (4) 提供了层次原理图设计方法，支持“自上向下”的设计思想，使大型电路设计的工作组开发方式成为可能。 (5) 提供了强大的查错功能。原理图中的ERC(电气法检查)工具和PCB图的DRC(设计规则检查)工具能帮助设计者更快地查出和改正错误。 (6) 全面兼容Protel系列以前的版本设计文件，并提供了与OrCAD格式文件的转换功能。 (7) 提供了全新的FPGA设计的功能，这是以前的版本所没有提供的功能。3.1.2 Protel DXP工作总体流程1. 设计原理图元件:虽然Protel DXP提供了丰富的原理图元件库，但是并不可能将所有的元件都收到这些库中。 2. 绘制原理图:在找到所有需要的原理图元件后，可以开始原理图的绘制。根据具体电路的复杂程度决定是否需要使用层次原理图。 3. 生成网络表:网络表是原理图(Schematic)设计与印制电路板(PCB)设计之间的一座桥梁。网络表可以从原理图中获得，也可以从印制电路板中提取。 4. 设计元件封装:与原理图元件库一样，Protel DXP也不可能提供所有元件封装。如果发现元件封装库中没有需要的元件，可以自己动手设计元件封装。 5. 设计PCB在确认原理图没有错误之后，就可以开始PCB板的绘制工作了。首先根据系统设计和工艺要求，绘制PCB板轮廓，并确定PCB的工艺要求(如使用几层板，加工精度等)；然后将原理图传输到PCB板中来，在网络表、设计规则和原理图的引导下布局和布线；最后利用DRC(设计规则检查)工具查错。 6. 生成报表并打印:文档整理是非常有必要的，良好的文档给今后的维护、改进都会带来极大的方便。需要打印的文档包括原理图、PCB图的丝印层以及器件清单文件等各种报表文件，这些报表也是重要的工艺设计文件。设计文件应以磁盘文档的方式保存。 3.1.3 Protel DXP设计环境 当用户启动Protel DXP后，系统将进入Protel DXP管理器设计环境(Design Explorer)，如图3.1所示，所有Protel DXP功能都是从这个环境启动的。Protel DXP设计环境与以前各个版本的设计环境有些不同，它采用的是Windows XP风格的界面