多路数字抢答器设计论文.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 专专 业业 计算机通信计算机通信 班班 次次 0963109631 姓姓 名名 李玛先李玛先 指导老师指导老师 罗乐罗乐 成都工业学校成都工业学校 年 月 日 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 1 多路数字抢答器设计多路数字抢答器设计 摘要：摘要：抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路， 广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。针对目前各种竞赛活动中所使用的抢 答器的特点与不足，结合单片机应用系统的优点，提出了以单片机为控制核心的抢 答器控制系统，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。同时系统能够实现：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；抢答限定时间和回答问题的时间可 在 0-99s 设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示； 抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位； 按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。 关键词关键词 AT89C51；LED 数码管；抢答器；计时 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 2 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1 1.1 抢答器的研究意义 .1 1.2 抢答器的相关背景 .1 1.3 抢答器的发展现状 .1 1.4 研究目标与内容 .1 1.5 抢答器目前存在的主要问题 .2 第第 2 2 章章 单片机的功能简介单片机的功能简介.3 3 2.1 89 系列单片机的概况.3 2.2 AT89C51 单片机及其内部结构图.4 2.3 AT89C51 特殊功能寄存器.5 2.4 各类型单片机的比较分析 .5 第第 3 3 章章 抢答器的系统概述抢答器的系统概述.7 7 3.1 系统的主要功能 .7 3.2 抢答器的需求分析 .8 3.3 抢答器的工作流程 .8 3.4 抢答器的工作过程 .9 第第 4 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计.1111 4.1 硬件电路的设计 .11 4.2 时钟频率电路的设计 .12 4.3 键盘扫描电路的设计 .13 4.4 电源电路设计 .15 4.5 复位电路的设计 .15 4.6 显示电路设计 .16 4.7 发声电路设计 .17 第第 5 5 章章 系统软件设计系统软件设计.1919 5.1 主程序系统结构图 .19 5.2 程序流程图 .19 第第 6 6 章章 PROTEUSPROTEUS 仿真系列组图仿真系列组图 .2222 6.1 复位图 .22 6.2 设置计时时间 .22 6.3 非法抢答并显示座号 .22 6.4 抢答成功并显示倒计时 .23 总结总结.2424 致谢致谢.2525 参考文献参考文献.2626 附录一附录一 主程序主程序.2727 附录二附录二 电路仿真图电路仿真图.3535 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 0 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 抢答器的研究意义抢答器的研究意义 随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决， 诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等,因此出现了抢答器。抢答器一般是由很多电 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他功能。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。 1.21.2 抢答器的相关背景抢答器的相关背景 在各类竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一名 选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答过程中，只靠人的视 觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机来设计抢答器，使以上问题得以解决，即 使有两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。 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辨认出选手号码。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、抢按前或 抢按后的计时、选手得分显示功能。像这类抢答器，制作过程简单，准确性与可靠 性高，而且安装维护简单。 对于抢答器的应用，如早期的数字电路，随着科技的逐步发展，进而到了单片 机的控制来实现其功能，而且功能齐全，电路简单，成本低，性能高，真正朝着有 利的方向发展。 1.31.3 抢答器的发展现状抢答器的发展现状 随着电子技术的发展，现在的抢答器功能越来越强，可靠性和准确性也越来越 高。能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用前期的模拟电路、数字电路或模 拟与数字电路相结合的方式，但这种方式制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高， 成品面积大。 对于目前抢答器的功能描述，如涵盖抢答器、抢答限时、选手答题计时及犯规 组号抢答器具有抢答自锁，灯光指示、暂停复位、电子音乐报声、自动定时等功能， 还有工作模式的切换和时间设定，对于这些，随着科学技术的发展，肯定还要得到 进一步的改进。一般都要趋向于智能化。 1.41.4 研究目标与内容研究目标与内容 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。主持人有开始和结束、复位键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 1 手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为 30s，回答问题时间为 60s。通过加 键和减键修改上述时间，改完后确认键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后， 选手开始抢答为有效，数码显示屏显示选手号和抢答时间倒计时，在最后五秒扬声 器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示 犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。 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，其次，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。 1.51.5 抢答器目前存在的主要问题抢答器目前存在的主要问题 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，其他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。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 2 第第 2 2 章章 单片机的功能简介单片机的功能简介 2.12.1 8989 系列单片机的概况系列单片机的概况 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。 (1) 89 系列单片机的特点： 89 系列单片机是以 8031 为内核的产品，它与 51 系列单片机是兼容的。89 系列 单片机具有以下特点： a) 内部含有 Flash 存储器，使用户在开发过程中十分容易修改程序缩短系统的 开发周期。可以重复多次编程，可根据需要对内部程序进行更新或升级。 b) 89 系列单片机的引脚和 AT80C51 引脚座兼容，用 89 系列单片机可以代替同 档次的 AT80C51 单片机，不需要对外围电路进行改动。 c) 89 系列单片机采用静态时钟方式，可以节省电能，降低便携式设备的功耗。 (2) 89 系列单片机的结构简介： 89 系列单片机的内部结构与 AT80C51 相近，主要有以下部件： 1 8031CPU 2 振荡电路 3 总线控制部件 4 中断控制部件 5 片内 Flash 存储器 6 片内 RAM 7 并行 I/O 界面 8 定时器 9 串行 I/O 界面 89 系列的各种型号单片机，内部差别很大。例如，AT89C1051 片内 Flash 存储 器只有 1KB，而 AT89C52、AT89LV52 和 AT89S8252 的片内 Flash 存储器有 8KB。AT89S8252 的结构最复杂，它的内部含有标准的串行口，还有一个串行的外围 界面 SPI，Watchdog 定时器，双数据指针等部件，以及电源下降的中断恢复功能。 89 系列的单片机一共有五种型号，分别为 AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52 和 AT89S8252，其中 AT89LV51 和 AT89LV52 分别是 AT89C51 和 AT89C52 的低压产品，最低电压可以低 2.7V，AT89C1051 和 AT89C2051 则是抵挡的低压产品，只有 20 根引脚。 89 系列单片机的型号编码中字母的意义是：AT 表示该器件是 ATMEL 公司的产品， C 表示该器件是 CMOS 产品，LV 表示该器件是低电压产品，S 表示该器件含可以下载 的 Flash 存储器。 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 或 8KB 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，通用的串行界面，低电压空闲 及电源下降方式。 AT89C51 是基本型，具有 4KB 的 Flash 存储器，128 字节的片内 RAM,32 条可编 程 I/O 口，两个个 16 位定时/计数器，6 个中断源，3 位存储器加密，一个可编程串 行界面。AT89C52 在 AT89C52 的基础上，增加了一个定时/计数器，2 个中断源，128 字节的片内 RAM,4KB 的 Flash 存储器。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 3 外部定 时元件 复位 中断 电源 系统时钟 ROM CPU 定时/计数器 串行 I/O 口 并行 I/O 口 RAM 2.22.2 AT89C51AT89C51 单片机及其内部结构图单片机及其内部结构图 AT89C51 是一种低功耗、高性能的含有 4KB 闪速可编程电擦除只读存储器 （FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 CMOS 微 控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与 80C51 指令系统和引脚完成兼 容。芯片上的 FPEROM 允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编 程。 （1）AT89C51 的主要性能包括：AT89C51 与 MCS51 控制器系列产品兼容，片内 有 4K 可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory） ，存储器可循环写入/擦 除 1000 次；存储器数据保存时间可达 10 年；工作电压范围宽：Vcc 可由 2.7V 到 6V；全静态工作可由 0Hz 到 16MHz；程序存储器具有 3 级锁存保护；128*8 位内部 RAM；32 条可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；中断结构具有 5 个中断源和 2 个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存 储内容。 （2）FPEROM 的编程：AT89C51 的 I/O 口 P0、P1、P2 和 P3 除具有与 80C51 相同的一 些性能和用途外，在 FPEROM 编程时，P0 口接收代码字节，并在程序检验时输出代 码字节，但在程序校验时需要外部上拉负载电阻，在 FPEROM 编程和程序校验期间， P1 口接收低位地址字节，P2 口接收高位地址字节和一些控制信号，P3 口也接收一 些 FPEROM 编程和校验用的信号，此时 ALE/PROG 引脚是编程脉冲输入（PROG）端， 在 FPEROM 编程期间，如果选择 12V 编程电压、那么 EA/Vpp 引脚也允许接受 12V 编 程电压（Vpp） 。 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。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 4 图 2-1 AT89C51 单片机的内部结构图 2.32.3 AT89C51AT89C51 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称 SFR（Special Function Register） 。特殊功能寄存器共含有 22 个不同寄存器。 它们的地址分配在 80HFFH 中，即在 RAM 地址中。这些寄存器的名称和地址见表 2-2。 表 2-1 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符 号地 址注 释 *ACCE0H 累加器 *BF0H 乘法寄存器 *PSWD0H 程序状态字 SP81H 堆栈指针 DPL82H 数据存储器指针低 8 位 DPH83H 数据存储器指针高 8 位 *IEA8H 中断允许控制器 *IPD8H 中断优先控制器 *P080H 端口 0 *P190H 端口 1 *P2A0H 端口 2 *P3B0H 端口 3 PCON87H 电源控制及串列传输速率 选择 *SCON98H 串行口控制器 SBUF99H 串行数据缓冲器 *TCON88H 定时器控制 TMOD89H 定时器方式选择 TL08AH 定时器 0 低 8 位 TL18BH 定时器 1 低 8 位 TH08CH 定时器 0 低 8 位 TH18DH 定时器 1 高 8 位 注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器 2.42.4 各类型单片机的比较分析各类型单片机的比较分析 如表 2-3 所示，以下各种类型的单片机内除 CPU 外，还包括 ROM、RAM、4*8 I/O 口和 2 个 16 位定时/计数器，它们都是功能很强的单片微型计算机。但由于 80C51 片内为掩膜 ROM，故内部程序不能改写，不用于实验开发。87C51 具有片内 EPROM，是真正的单片微机，但由于价格较贵，且程序改写时要用紫外线擦除，时间 较长，所以用得较少。80C31 在市场上的价格很低，但片内没有 ROM，必须在片外扩 展一片 EPROM，非常不便。AT89C51 片内具有可电擦除的 FPEROM，可以快速、多次 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 5 地编程，且价格不高，所以用得非常广泛，目前开发用的 MCS51 产品绝大多数用 89C51。 表 2-2 单片机主要性能的比较 型号 ROM 形式 片 内 ROM 片内 RAM 寻址 范围 定时 计数 I/O 口 串行 I/O 口 外部 中断 80C31 接 ROM 4K1282*64 K 2*164UART2 80C51 ROM 4K1282*64 K 2*164UART2 87C51EPRO M 4K1282*64 K 2*164UART2 89C51FPER OM 4K1282*64 K 2*164UART2 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 6 第第 3 3 章章 抢答器的系统概述抢答器的系统概述 3.13.1 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、计时显 示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能） 、开始与结束控制按钮、时限设 定、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，也可设定由主控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 钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或 阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位 号，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 1 所示。 AT89C51 单片机 4 位 七段 数码 管显 示 声音电路 8 路抢答 按键输入 复位电路 开始、结束 按键输入 加一、减一 按键输入 时钟 图3-1 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 个抢答按钮。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 和结束键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状 态下抢答时间为 30s，回答问题时间为 60s。通过加键和减键修改上述时间，改完后 确认键确定。新时间开始有效，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。如果主持人没有 按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发 生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。 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，有一个共阴的数码管组，四个数码管。其中一个显示抢答号码,一个 空位，两个显示时间。主持人依次按下复位键（RESET） ，开始键后开始抢答。可以 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 7 抢按：超时数码管显示“FFF” ，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管 显示“FFF” 。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。若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示 选手号码。 3.23.2 抢答器的需求分析抢答器的需求分析 1、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。 2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在 099s 设定。 3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有提示音。 4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。 5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。 3.33.3 抢答器的工作流程抢答器的工作流程 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、违例流程等几部分，如图2所示，下面分别予以介绍。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 8 加载程序 运 行 行 开始 开始数码管显 示 FFF 开始抢 按时间倒计时 开始前有选手抢按 显示违例选手号 码并伴有语音报 警 倒计时结束， 超时 有选手 抢按 显示 FFF显示选手号码，倒计 时时间,语音报警，答 题,答题时间倒计时 正常流程违规流程 若超过答题 时间，则数 码管显示 FFF 答题完毕 根据选手表现， 规则由主持人减 分 图 3-2 抢答器工作流程 3.43.4 抢答器的工作过程抢答器的工作过程 1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态， 此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下加 1s键，如果 想减一秒按一下“减 1s”键，时间 LED 上会显示改变后的时间，调整范围为 099s， 0s 时再减 1s 会跳到 99，99s 时再加 1s 会变到 0s。 2、主持人按抢答开始键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设 30s 抢 答时间） ，如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 9 设 60s 抢答时间） ，不进行抢答查询，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，犯规抢答，LED 上 不断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停，直到按下“停止” 键为止。 总而言之，本次设计用AT89C51单片机及外围界面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。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 10 第第 4 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计 4.14.1 硬件电路的设计硬件电路的设计 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： (1) 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。 (2) 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。 (3) 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。 (4) 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 界 面，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。 (5) 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，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如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。 P3.0 为开始抢答，P3.1 为停止，P1.0-P1.7 为八路抢答输入，数码管段选 P0 口，位选 P2 口低 3 位，蜂鸣器输出为 P3.6 口。P3.2 为抢答时间调整，P3.3 为回答 时间调整。加一按键和减一按键分别接到 P3.4 和 P3.5，P3.7 是时间调整完了确认 键。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 11 图 4-1 系统原理图 4.24.2 时钟频率电路的设计时钟频率电路的设计 单片机必须在时钟的驱动下才能工作.在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需 要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元,决定单片机 的工作速度。 图 4-2 为外部振荡源电路 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 12 一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振,在 XTAL 2 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。 单片机在工作时,由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的 时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数,常用 fosc表示。如时 钟频率为 12MHz,即 fosc=12MHz,则时钟周期为 1/12s。 4.34.3 键盘扫描电路的设计键盘扫描电路的设计 键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在 文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键 盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前 时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就 容易引起误操作和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘 及矩阵键盘。 它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复 杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别， 首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它 在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键 过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法 的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几 ms，而我们按键的时间一般 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(这里我们取 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。 在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有 8 个抢答按键输入，一个开 始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、 减一按键各一个。如图 4 所示： 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 13 图 4-3 抢答按键及调整按键 在图 4 中 8 个抢答按键分别接入单片机的 P1.0P1.7 端口，单片机通过读取 P1.0P1.7 的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个。抢答时间调整和回 答时间调整接到单片机的 P3.3 和 P3.4 界面，加一及减一按键接到单片机的 P3.5 和 P3.6 界面。 图 4-4 开始、停止按键 在图 5 中，开始及结束按键接到单片机的 10、11 脚，这里用到了单片机 10、11 脚复合功能中的 IO 端口功能，单片机通过读取 10、11 脚的 P3.0、P3.1 的 IO 端口 值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。 按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的， 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 14 如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时 的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于 5ms，例如取 10-20ms。如果监控程 序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则 该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中， 就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。 4.44.4 电源电路设计电源电路设计 T 1 2 3 4 100uF10uF 7805 220V + - + - +5V VCC 图 4-5 电源电路 电源电路是由整流桥，7805 稳压块和前后滤波电容组成，整流器接收变压器送 来的低压交流信号，经整流后变成直流电，在经过 100F 的电解电容滤波后，送到 7805 稳压块后，输出稳定的正 5V 电压，再次滤波后送到单片机内 4.54.5 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 8 所示： 图 4-6 复位电路 图 8 中由按键 RESET1 以及电解电容 C3、电阻 R2 构成按键及上电复位电路。由 于单片机是高电平复位，所以当按键 RESET1 按下时候，单片机的 9 脚 RESET 管脚处 于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的 9 脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9 脚处于稳定的低电平状 态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从 0000H 开始执行。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 15 值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的 硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介 绍中提到了倒计时时间的记忆功能，该功能的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。 4.64.6 显示电路设计显示电路设计 显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下 提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。 在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括 两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁， 程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序 编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用 的是动态显示方法。 通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中 P0 口为字型码输入端，P2 口低 3 位为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给 7 段数码管显示的数字， 数码管显示原理如下： MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0feH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 16 DAT1:DB 00h,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H； 灭,1,2,3,4,5,6,7,8,9,灭,F DAT2:DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H； 第一个为零,其他与上相同,因为十位如果为零显示熄灭 4 位七段数码管显示电路如图 9 所示： 图 4-7 共阴数码管 图 9 中数码管采用的是 4 位七段共阴数码管，其中 AG 段分别接到单片机的 P0 口，由单片机输出的 P0 口数据来决定段码值，位选码 COM1、COM3、COM4 分别接到 单片机的 P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在图中还有 八个 1K 的电阻，连接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉电阻，保证 P0 口没有数据输出 时候处于高电平状态。 4.74.7 发声发声电路电路设计设计 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，则在该口在线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，若再利用延时程控“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。 本文设计如图 10 所示: 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 17 图 4-8 发声电路 图中单片机的 11 脚输出具有复合功能，此处用到了单片机 16 脚的 IO 端口功能， 单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 18 第第 5 5 章章 系统软件设计系统软件设计 5.15.1 主程序系统结构图主程序系统结构图 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。由功能分析得到以下的软件结构图： 图 5-1 系统结构框图 5.25.2 程序流程图程序流程图 整个程序主要由定时器 T0、定时器 T1、外部中断 0 和主程序构成。定时器 T0 用于使扬声器发声，当需要响铃时，把响铃标志位置一，每次中断都对 P3.7 取反， 扬声器发声，改变定时器初值，可改变扬声器频率。定时器程流程图如下： P3.6 取反 定时器重新赋值 返回主函数 响铃标志为 1？ N Y 系统初始化模 按键模块 非 法 抢 答 模 块 调 整 回 答 时 间 调 整 抢 答 时 间 正 确 抢 答 模 块 显示模块 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 19 图 5-2 响铃程序流程图 定时器 T1 用于倒计时，每次中断为 50ms，当计数标志为 20 时即为一秒，显示 数字减一。其流程图如下： 图 5-3 倒计时中断流程图 外部中断 0 用于调整倒计时时间，流程图如下： 图 5-4 调整抢答时间流程图 主程序协调三个中断一起工作，实现抢答功能,其流程图如下： 返回主函数 计时标志加一 计数器重新赋值 显示时间 R1 R1 减 1 返回主函数 R1 置 0 R1 增 1 R1 置 99 加 1 键按 下？ 减 1 键按 下？ R1 到 0？ R1 到 99？ 返回键按下？ Y N Y Y Y N N N N Y 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 20 图 5-5 主程序流程图 按键发声 显示抢答号，剩余时 间 停止键按下? 抢答键按下? 停止键按下? 开始键按下？ 程序初始化 倒计时显示 倒计时开始 按键发声 准备状态，显示 FFF 倒计时大于 5s? 显示法规号码 按键发声 非法抢答? 停止键按下? 提醒发声 倒计时结束? YN N Y N N N N N Y Y Y Y Y 成都工业学院 通信工程系毕业设计论文 21 第第 6 6 章章 ProteusProteus 仿真仿真系列组图系列组图 6.16.1 复位图复位图 图 6-1 复位显示 FFF 该图显示当单片机复位后，在 4 位七段数码管上显示的初始状态“F FF”字符。 6.26.2 设置计时时间设置计时时间 图 6-2 计时时间为 26 秒 该图显示通过加一按键操作后在 4 位数