基于51单片机智能竞赛抢答器设计与实现.doc

摘要 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 摘 要 智能抢答器作为一种电子产品已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合 但目 前所使用的抢答器有的电路较复杂 不便于制作 而且可靠性低 实现起来很困 难 有的则用一些专用的集成芯片 而专用集成芯片的购买又很困难 为适应多 选手抢答活动的需要而设计一个智能抢答器 这种抢答器具有电路简单 元件普 通 易于购买等优点 很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题 本系统 就是采用 AT89C51 单片机为核心而设计的八路智能抢答器 本系统采用软硬件结合的方法而设计 其中硬件设计是借用单片机 AT89C51 为中心控制模块 采用模块化设计思想 根据系统功能划分成六个模块 分别为 核心控制模块 电源模块 时钟与复位模块 按键输入模块 显示模块 报警模 块 软件设计是采用汇编语言编程 在抢答器设计过程中 首先完成总体方案的论证制定 然后分析系统的工作 原理 在此基础上设计出各部分单元电路原理图 进一步完成对系统电路的设计 在对系统工作原理充分研究的基础上 选择合适的元件型号和参数 再用 protel 绘图软件画出电路原理图 最后根据电路接口编写软件程序 关键词 抢答器 单片机 AT89S51 模块 按键 ABSTRACT ABSTRACTABSTRACT The intelligent vies to answer first as a kind of electronic products have been widely applied in all kinds of intelligence and knowledge competition situation But using the current is some complicated circuit vies to answer first do not facilitate production and reliability low difficult to achieve Others use some special integrated chips and the purchase of the special integrated chips and very difficult In order to adapt to the needs of the many players vies to answer first activities and design a intelligent vies to answer first device this vies to answer first instruments have circuit is simple components easy to buy ordinary etc and solves the difficult and hard to buy makers make the problem This system is AT89C51 microcontroller as the core and the design of the intelligent vies to answer first 8 The system USES the software and hardware of the method of combining and design including hardware design are borrowed from the single chip microcomputer AT89C51 as the center control module the modular design division with six module respectively is the core control module the power modules clock and reset module key input module display module alarm module The software design is the common assembly language programming In the design process vies to answer first do first overall scheme and then analyses the argument for the working principle of the system and based on this the design of unit of the circuit principle diagram further to the design of the system to complete the circuit In the working principle of the system based on the study of the fully and choose appropriate component model and parameter 可编辑修改 garnish with protel drawing software draw circuit principle diagram according to write software interface circuit program Keyword Keyword viesvies toto answeranswer first first microcomputer microcomputer AT89C51 module AT89C51 module buttonbutton 可编辑修改 目录目录 第第一一章章 绪绪 论论 1 1 1 1 课题研究现状 1 1 2 选题的目的与意义 1 1 3 课题要求的研究及内容 2 1 4 本论文的组织架构 3 第第二二章章 总总体体方方案案论论证证 5 5 2 1 总体方案分析 5 2 2 智能抢答器模块化设计 7 第第三三章章 硬硬件件电电路路设设计计 9 9 3 1 核心控制模块 10 3 1 1 单片机的选型 10 3 1 2 AT89C51 单片机的介绍 12 3 1 3 AT89C51 特殊功能寄存器 14 3 2 时钟与复位模块 15 3 2 1 时钟模块 15 3 2 2 复位模块 17 3 3 显示模块的设计 19 3 4 按键输入模块的设计 22 3 4 1 键盘的分类 22 3 4 2 键盘的去抖动 23 3 4 3 双功能及多功能键 25 3 5 报警模块的设计 26 3 6 电源模块的设计 28 3 6 1变压器 28 3 6 2整流桥 29 3 6 3滤波器 29 3 6 4电源稳压芯片 30 第第四四章章 软软件件设设计计 3 33 3 目录 ii 4 1 单片机编程语言 33 4 2 系统程序设计 34 4 3 主程序 35 4 4 非法抢答查询子程序 39 4 5 抢答时间调整子程序 40 4 6 正确抢答处理程序 42 4 7 显示处理程序 44 4 8 报警程序 44 第第五五章章 软软硬硬件件调调试试 4 47 7 第第六六章章 总总结结与与展展望望 4 49 9 第第七七章章 结结束束语语 5 51 1 致致 谢谢 5 53 3 参参考考文文献献 5 55 5 附附 录录 5 57 7 附录 A 57 附录 B 58 可编辑修改 第一章 绪 论 1 1 课题研究现状 抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器 目前电子抢答器的中心构造一般 都是由数字电子集成电路组成 其搭配的配件不同又分为 非语音非记分抢答器 和语音记分抢答器 非语音记分抢答器构造很简单 就是一个抢答器的主机和一 个抢答按钮组成 在抢答过程中选手是没有记分的显示屏 语音记分抢答器是由 一个抢答器的主机 主机的显示屏以及选手的记分显示屏等构成 具有记分等功 能 电子抢答器多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动 电脑抢答器 又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器 无线电脑抢答器是由主机和抢答器专 用的软件和无线按钮构成 无线电脑抢答器利用电脑和投影仪 可以把抢答气氛 活跃起来 一般多使用于电台等大型的活动 有线电脑抢答器也是由主机和电脑 配合起来 电脑再和投影仪配合起来 利用专门研发的配套的抢答器软件 可以 十分完美的表现抢答的气氛 随着我国抢答器市场的迅猛发展 与之相关的核心生产技术应用与研发必将 成为业内企业关注的焦点 技术工艺 是衡量一个企业是否具有先进性 是否具 备市场竞争力 是否能不断领先于竞争者的重要指标依据 了解国内外抢答器生 产核心技术的研发动向 工艺设备 技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格 提高市场竞争力十分关键 目前市场上抢答器种类繁多 功能各异 价格差异也 很大 那么选择一款真正适合的抢答器就非常重要 抢答器作为一种电子产品 早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合 但目 前所使用的抢答器有很多的缺点 有的电路较复杂不便于制作 可靠性低 实现 起来很困难 有的则用一些专用的集成块 而专用集成块的购买又很困难 而我 所设计的八路智能抢答器 具有元件普通 易于购买等优点 很好地解决了制作 困难和难于购买的问题 在国内外已经开始普遍应用 1 2 选题的目的与意义 在知识比赛中 特别是做抢答题目的时候 在抢答过程中 为了知道哪一组 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 2 或哪一位选手先答题 必须要设计一个系统来完成这个任务 如果在抢答中 靠 视觉是很难判断出哪组先答题 怎样来设计抢答器 能使以上问题得以解决 即 使两组的抢答时间相差几微秒 也可分辨出哪组优先答题 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传统的抢答器相比 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 抗干扰能力优于传统抢答器 并能够解决以上提出的问题 所以本研究是一个实 用的工程设计 具有创新性 通过本次设计 基本掌握 51 系列单片机的原理 了解简单多功能抢答器组 成部分 详细掌握智能抢答器的原理和编程方法 了解单片机类系统的设计基本 理念 提高独立思考的能力和编程的逻辑思维能力 同时通过本课题设计 提高 自己的动手能力 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 进一步深入了解掌握以单片机为核心控制系统的设计方法及编 程方法 1 3 课题要求的研究及内容 根据智能抢答器的具体功能 本课题的详细要求如下 1 抢答器可以同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛 分别用 8 个按钮 S1 S8 表示 2 主持人可以通过智能抢答器的按键设定每道题的抢答时间和回答时间 3 具有清零和非法抢答控制功能 设置一个系统清除和抢答控制开关 并由主持人操控 避免选手在主持人说 开始 前提前抢答 违反规则 4 当主持人启动 开始抢答按键 后 定时器进行减计时 在 15 秒内无 人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权 抢答时间耗尽后禁止抢答 5 倒计时 5 秒时 如果仍无人抢答 则系统每 1s 报警一次 用以提示参 赛选手 6 抢答器具有锁存与显示功能 即选手按下按键 锁存相应选手的参赛 编号 并在 LED 数码管上显示 一直保持到主持人将系统清除为止 同时扬 声器发出报警声响提示 选手抢答实行优先锁存 其他按键者将不能响应 可编辑修改 以便公平地选择第一个抢答者 7 参赛选手在设定的时间内进行抢答 抢答有效 显示器上显示选手的 编号 同时进入回答问题的 30s 倒计时 8 倒计时期间 涂改主持人想终止倒计时 可以按下 停止 键 系统 会自动进入准备状态 本论文中主要介绍了单片机抢答器的详细设计内容和它的工作原理及工作过 程 显示了它的实际用途 本系统根据要求中的技术指标 采用单片机作为核心 的模块化设计 系统的六个模块分别为 按键输入模块 显示模块 时钟与复位 模块 报警模块 电源模块 核心控制模块 并且利用存储程序来完成软件的设 计 在抢答比赛中可以广泛应用 本系统中的八个参赛选手分别有一个抢答按钮 通过每个按钮输入抢答信号 主持人有开始和结束 复位按钮 在后台主持人有抢答时间和回答问题时间的调 控按钮 利用三个七段数码管来完成显示功能 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 本设计中主要硬件设备 AT89C51 单片机 8 输入 3 态缓冲器 线驱动器 74LS244 六反相驱动器 7404 共阳极 LED 数码管等 12MHz 晶振 74LS04 反相 器 手动开关 按键若干 报警喇叭 变压器 整流器 电容 电阻 7805 稳压 芯片 1 4 本论文的组织架构 本论文章节的组织结构和内容如下 第一章 绪论 简要介绍了抢答器的发展现状 选题的具体意义与目的 说 明了本课题研究的要求及研究内容 第二章 总体方案论证 介绍了抢答器的三种设计方案 并作出详细优缺点 的对比 体现本论文中采用的方案的正确性与科学性 并对采用的方案进行简单 介绍 说明了抢答器的主要功能和工作过程 第三章 抢答器的硬件电路的设计 详细描述了本课题各部分组成电路单元 的具体设计 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 4 第四章 抢答器的软件设计 并编程序 第五章 总结 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 可编辑修改 第二章 总体方案论证 2 1 总体方案分析 根据目前市场上抢答器的种类 抢答器的种类可以大体分为三种 以下我们 对这三种进行详细比较 方案一 抢答器系统的各部分均采用中小规模集成数字电路 利用硬件电子 元器件实现 用机械开关按钮作为控制开关 完成抢答输入信号的触发 如采用 74LS148 优先编码器来实现抢答功能等 该方案的特点是中小规模集成电路应用 技术成熟 性能可靠 能方便地完成选手抢答的基本功能 没有软件的设计部分 不需要编程 但是电路结构复杂 调试困难 涉及到的外围元器件很多 造成抢 答器的成本较高 并且制作过程工序比较烦琐 不便于安装与调试 给实际操作 带来很大的麻烦 方案二 系统设计主要基于可编程的 PLC 设计 系统包括硬件和软件两大部 分 依据控制系统的工作原理和技术性能 将硬件和软件分开设计 硬件设计部 分包括电路原理图 合理选择元器件 绘制线路图 然后对硬件进行调试 测试 以达到设计要求 软件设计部分 首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的 功能设计 选择合适的编程语言和工具 进行代码设计等 最后是对软件进行调 试 测试 达到所需功能要求 方案三 系统采用 MCS 51 系列单片机作为控制核心 其片内带有 4KflashROM 128 的 RAM 以及 15 根 I O 口线能满足设计要求 该系统可以完成 运算控制 信号识别以及显示功能的实现 利用单片机程序判断选手按键是否有 效 但是选手违规抢答 利用简答程序显示 启动蜂鸣器报警 告诉主持人有人 违规操作 抢答无效 给出相应的延时 选手按正常的操作抢答 软件倒计时 利用 AT89C51 移位寄存 7 段数码管 实现倒计时显示时间 到 5 秒相应时间提醒 选手时间快到了 要及时作答 并启动蜂鸣器 由于用了单片机 使其技术比较 成熟 应用起来方便 简单并且单片机周围的辅助电路也比较少 便于控制和实 现 整个系统具有极其灵活的可编程性 能方便地对系统进行功能的扩张和更改 性 单片机特点如下 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 6 1 高集成度 体积小 高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上 集成度很高 体积自然也是最 小的 芯片本身是按工业测控环境要求设计的 内部布线很短 其抗工业噪音性 能优于一般通用的 CPU 单片机程序指令 常数及表格等固化在 ROM 中不易破坏 许多信号通道均在一个芯片内 故可靠性高 2 控制功能强 为了满足对对象的控制要求 单片机的指令系统均有极丰富的条件 分支转 移能力 I O 口的逻辑操作及位处理能力 非常适用于专门的控制功能 3 低电压 低功耗 便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统 许多单片机内的工作电压仅为 1 8V 3 6V 而工作电流仅为数百微安 4 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件 芯片外部有许多供扩展用的三总线 及并行 串行输入 输出管脚 很容易构成各种规模的计算机应用系统 5 优异的性能价格比 单片机的性能极高 为了提高速度和运行效率 单片机已开始使用 RISC 流 水线和 DSP 等技术 单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制 有的已可达到 1MB 和 16MB 片内的 ROM 容量可达 62MB RAM 容量则可达 2MB 由于单片机的广泛使 用 因而销量极大 各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉 其性能价格比极 高 方案比较分析 从第一个方案我们可以看出 这个抢答器是由抢答电路 定 时电路 报警电路 时序控制电路四个关键电路部分组成 扩展电路是由秒钟脉 冲信号产生电路 译码电路 显示电路等 它的功能很齐全 设计的电路也很稳 定 但是它的造价却很高 仅仅是集成电路他就用了八个 这个跟我们当初的设 计理念是相冲突的 我们要的是功能齐全 但是造价比较低的设计 所以我们放 弃这个方案 而方案二采用可编程 PLC 设计实现的抢答器 但该系统的投入成本过于高昂 软件编程过于繁琐 对编程的语言掌握程度要求很高 而且其 PLC 在该领域的应 用很少 普通人对 PLC 的理解及掌握都不是很深入 鉴于通用性和节省的原则 我们依然不采用该方案 可编辑修改 方案三采用单片机为核心器件 外围电路采用集成芯片 其可靠性好 结构 简单 不但从性能上优于方案一和方案二 而且在使用上及其功能的实现上都较 其他方案简洁 并且由于单片机具有优越的高集成电路性 使其工作速度更快 效率更高 另外单片机采用 12MHz 的晶振 提高了信号的测量精度 并且使该系 统可以通过软件改进来扩张功能 该模式充分体现了原有系统性能的改进 功能 的扩展及其他同类系统的不同之处 它包括硬件逻辑图与软件流程图 比较经济 实用 所以我们选用单片机的方案 2 2 智能抢答器模块化设计 该抢答器系统的硬件设计是以单片机为中心控制模块 采用模块化设计的八 路抢答器 具有六个模块 分别为 按键输入模块 显示模块 时钟与复位模块 报警模块 电源模块 核心控制模块 系统的主要功能模块原理框图如图 2 1 所示 图 2 1 主要功能模块原理框图 按键输入模块共有 14 个按键 分为抢答按键和控制按键 抢答按键共有八 个 分别为 S1 S8 供抢答选手进行抢答使用 P1 口为八个按键抢答信号的输 入口 低电平有效 控制按键有六个 分别为 S9 S14 其中 S9 和 S10 分别为 抢答时间调整键 和 回答时间调整键 其对应的 I O 接口分别为 P3 2 和 P3 3 S11 和 S12 分别为时间 加 1 和 减 1 按键 其对应的 I O 接口分别为 P3 4 和 P3 5 S13 和 S14 分别为 抢答开始按键 和 抢答停止按键 其对应 的 I O 接口分别为 P3 0 和 P3 1 显示模块本系统采用四个共阳极 LED 数码管显示 一个数码管用来显示抢答 到问题的选手的号码 两个用来显示倒计时时间 一个未使用的数码管作为以后 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 8 的扩展使用 数码管采用 74LS244 来驱动 74LS244 是 TTL8 输入 3 态缓冲器 线 驱动器 它的输出电流可以达到 24mA 时钟与复位模块包括时钟电路和复位电路 单片机的最小系统就是由时钟电 路 复位电路 电源电路及单片机构成 单片机的时钟信号用来提供单片机片内 各种操作的时间基准 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到 内部振荡方 式和外部振荡方式 复位操作则使单片机的片内电路初始化 使单片机从一种确 定的初态开始运行 根据应用的要求 复位操作通常有两种基本形式 上电复位 或开关复位 当 5l 系列单片机的复位引脚 RST 全称 RESET 出现 2 个机器周期以 上的高电平时 单片机就执行复位操作 如果 RST 持续为高电平 单片机就处于 循环复位状态 报警模块在本系统中为附加模块 它的主要用途就是起到提示并引起人们的 注意 它只有在两种情况下才发出报警 一是 开始抢答 按键没有按下时 选 手就按下了 抢答键 报警电路发出报警 提示有选手发生抢答 二是每道题 的抢答时间和问题的回答时间在倒计时 5 秒时 报警电路发出报警 提示选手倒 计时的时间即将耗尽 电源模块是为了增强本系统应用的广泛性而设计的模块 在我们常用的单片 机或其他外围芯片的电源供给电压一般为直流 5V 3V 和 12V 现实中的使用电 压为交流 220V 为了增加其现实意义 故设计了电源模块 它的主要任务是将交 流 220V 电压转换为本系统中可以直接使用的直流 5V 核心控制模块就是人们所谓的 CPU 它是整个系统的总控制部分 本系统的 核心控制模块为 51 系列的单片机 只有我们通过软件程序的编写 并将程序写 入单片机 该系统才会正确的工作 可编辑修改 第三章 硬件电路设计 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 1 工业上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 否则因为程序空间不够 使不得不进行空间扩展 4 RAM 空间 大部分 51 系列单片机的内部 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 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 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 10 3 1 核心控制模块 3 1 1 单片机的选型 单片机实际上就是把 CPU RAM ROM 定时器 计数器 I O 接口电路等微型 机的主要部件集成在一块芯片上 因此称之为单片机 Mircocontroller 由于它 具有体积小 性价比高 耗电少 可靠性高 有易于掌握和使用 所以现在微型 机不仅占领了原来实用小型机的各个领域 而且广泛应用于过程控制等场合 此 外还可应用于过去计算机无法深入的方面 如测量仪器 教学装置 医疗设备 家用电器等 经过多年的发展 8 位单片机已有 60 多个系列 近 600 多个种类 市场上可 见到的如美国 Fairchild 公司的 F8 系列 Intel 公司的 MCS 48 MCS 51 MCS 196 系列产品 Motorola 公司的 6801 6805 系列产品 Zilog 公司的 Z8 Supper8 系列产品 Rockwell 公司的 6501 6502 系列产品 Philips 公司的 80C51 系列产品 Microchip 公司的 PIC 系列和 Ateml 公司的 AT89 系列等 Intel 公司的单片机在市场上占主流地位 其中 MCS 51 系列产品又占主导地位 我国 应用引进的单片机主流产品是 MCS 51 MCS 96 系列 MCS 51 单片机是美国 INTE 公司于 1980 年推出的产品 典型产品有 8031 内部没有程序存储器 实际使用方面已经被市场淘汰 8051 芯片采用 HMOS 功耗是 630mW 是 89C51 的 5 倍 实际使用方面已经被市场淘汰 和 8751 等通用产品 一直到现在 MCS 51 内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品 比如目前流行的 89S51 89C51 等 各高校及专业学校的培训教材仍与 MCS 51 单片机作为代表进行理论基础学习 有些文献甚至也将 8051 泛指 MCS 51 系列单 片机 8051 是早期的最典型的代表作 MCS 51 内核实际上已经成为一个 8 位单 片机的标准 其他的公司的 51 单片机产品都是和 MCS 51 内核兼容的产品而以 同样的一 段程序 在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的 如 ATMEL 的 89C51 89S51 PHILIPS 菲利浦 和 WINBOND 华邦 等 我们常说的 89C51 指的是 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机 同时是在原基础上增强了许多特性 可编辑修改 如时钟 更优秀的是由 Flash 程序存储器的内容至少可以改写 1000 次 存储器 取带了原来的 ROM 一次性写入 AT89C51 的性能相对于 8051 已经算是非常优 越的了 总体来说单片机的种类很多 在实际设计和工作中选择好单片机非常重要 选择怎么样的单片机对产品的整体结果影响很大 选择时一般考虑以下问题 了解被开发产品的需求和任务 搞清楚被开发产品的使用环境 供电方式 功能要求 成本要求和开发周期 等需求非常重要 第一时间有了产品的需求和任务 才能选择更合适的单片机 根据任务选机型 若所设计的产品是在恶劣环境下使用 则要选择工业级或军级产品 可考虑 STC 公司 Philips 公司和 WinBond 公司的系列单片机 若在常规环境下使用 可选择民品 民品产品多 选择范围大 若是干电池供电 需要低功耗应用场合 可考虑 TI 公司的 MSP430 系列 Microchip 公司的 PIC 系列 STC 公司的 L 系列 单片机 若要去控制速度快并有 A D 转换 存储器等需求 可考虑 ST 公司的 uPSD3200 系列 Silicon Labs 公司的 C8051F 系列单片机等产品 若功能单一 成本要低 可考虑 STC 公司 PIC 公司 WinBond 公司 ATMEL 公司的单片机产品 选择不同的单片机 其片内程序存储容量 数据存储器 E2PROM 的大小都有差异 综合性能的考虑 对于产品的设计 在选择单片机时 要充分利用片内存储空间 万一不够 可以通过扩展片外存储器的方法已达到要求 或者更换已有的大容量其他机型 兼容性好 如 WinBond 公司 ATMEL 公司 STC 公司的绝大部分产品都很兼容 但如果程序太大 超过了一般的 64KB 时 只好选择 ST 公司的 uPSD3200 系列产 品了 另外 单片机的接口能力 接口方式和 I O 口的多少也得考虑 开发环境的考虑 在选用单片机时 还要注意有没有配套的开发系统 由于单片机的应用系统 一般比较紧凑小巧 不像其他微机系统有较多的外设 因此 在自行设计组装时 必须具备专门的工具来帮助单片机的开发应用 其他因素的考虑 在选择单片机时 其封装形式也得考虑 双列直插 PLCC 有对应插座适合产 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 12 品开发阶段或学习时使用 SOP QFP SSP TSSP 等表贴封装更适合最终产品选 用 本课题根据以上五点单片机选型规则来看 AT89C51 单片机是最好的选择 首先 本课题的设计产品使用环境为常规环境 并且实现的功能相对来说比较简单 其 次软件程序不是非常的多 4k 存储空间做够使用 常见的开发软件和工具我们称 为 8051 开发系统或环境 常见的汇编程序 ASM51 Keil C51 MedWin 等均是针 对 8051 内核单片机的开发软件 AT89C51 完全兼容 可以使用 再次该系列单片 机的发展相对较成熟 会使用的人很多 容易被人接受 最后 在众多的 51 系 列单片机中 ATMEL 公司的 AT89C51 更实用 因他不但和 8051 指令 管脚完全 兼容 而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的 这种工艺的存储器用户可 以用电的方式瞬间擦除 改写 显而易见 这种单片机对开发设备的要求很低 开发时间也大大缩短 写入单片机内的程序还可以进行加密 AT89C51 有 PDIP PLCC 和 PQFP TQFP 等封装 AT89C51 目前的售价比 8031 还低 市场供应 也很充足 3 1 2 AT89C51 单片机的介绍 AT89C51 单片机主要有以下部件构成 八位微处理器 CPU 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 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 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 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 AT89C51 的主要性能包括 AT89C51 与 MCS 51 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 可编辑修改 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 AT89C51 引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 AT89C51 引脚图 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8 个 TTL 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 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 14 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 AT89C51 的一些特殊功能口 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 P 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 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 VPP 将内部锁定为 RESET 当 EA VPP 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 由于 STC89C51 与 AT89C51 单片机功能相同 本次设计硬件使用 STC89C51 3 1 3 AT89C51 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 80H FFH 中 即在 RAM 地址中 这些寄存器的名称和地址见 表 3 1 所示 可编辑修改 表 3 1 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符合地址注释 ACCE0H 累计器 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电源控制及波特率选择 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 虽然特殊功能寄存器地址在 80H FFH 之中 但在 80H FFH 的地址单元中 不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用 未被占用的单元 其内容是不确定的 如果对这些单元进行操作 得到的是一些随机数 而写入则无效 所以 用户编 程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元 它们是公司留待将来开发新产品 时使用的 3 2 时钟与复位模块 3 2 1 时钟模块 单片机必须在时钟的驱动下才能工作 AT89C51 单片机的时钟产生方法有两 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 16 种 内部时钟方式和外部时钟方式 无论何种形式 都需要外部附加电路 产生 时钟脉冲 外部时钟方式就是直接将外部的振荡脉冲通过 XTALl 或 XTAL2 接入单片机 外部时钟方式多用于多机系统 以便各个单片机能够同时工作 对外部震荡信号 无特殊要求 但需保证脉冲宽度不小于 20ns 且频率应低于单片机所支持的最高 频率 内部时钟方式就是利用单片机芯片内部的振荡器 通过在引脚 XTALl 和 XTAL2 两端跨接晶体振荡器 构成稳定的自激振荡器的方法 再由获得的自激振 荡器发出稳定的脉冲 直接送入芯片内部的时钟电路的方式 跨接的晶体振荡器 如果已经起振 则会向 XTAL2 引脚上输出一定幅值的正弦波 自激振荡器的频率 取决于晶体振荡器的频率 常见的晶体振荡器频率有 6MHz 和 12MHz AT89C51 单 片机的时钟频率最高可为 24Mz 本系统中采用的是内部时钟方式 时钟电路如图 3 2 所示 图 3 2 时钟电路 从时钟电路的示意图中可以看到 单片机所跨接的晶体振荡器旁边还有两个 电容器 C1 和 C2 C1 和 C2 被称为谐振电容 主要作用有两点 一是可以促使单 片机系统快速起振 二是 C1 C2 具有对频率进行微调作用 有利于单片机系统 振荡频率的稳定 维持单片机的正常运行 谐振电容的容值选择 与所用的晶体 振荡器的频率值有关 晶体振荡器的振荡频率越高 相应的谐振电容的容值也要 提高 二者如果配合的好 可以发挥谐振电容的积极作用 反之 自激振荡器频 率的稳定性将受到影响 经过大量的实际应用 晶体振荡器的频率与谐振电容的 容值之间形成了一定的固定搭配 例如 当晶体振荡器的频率为 12MHz 时 谐振 电容的容值一般为 30pF 左右 确定系统中晶体振荡器的频率 我认为与具体的应用有关 理论上当然希望 单片机的运算速度越快越好 即晶体振荡器的频率越高越好 但是 在有些情况 可编辑修改 下 单片机的外围设备的速度无法匹配单片机的运行速度 为了节约成本 可以 选择振荡频率较低的晶体振荡器 基于这种考虑 本文中的晶体振荡频率设计为 12MHz 谐振电容的容值选定为 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 T 1 fosc表示 图中时钟频率为 12MHz 即 fosc 12MHz 则时钟周期为 1 12 s 此电路在加电大约延迟 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 为了减小寄生电容 更好地保证振荡器稳定 可靠地工作 在设计电路板时 晶 体振荡器和谐振电容的位置应尽可能地靠近单片机的 XTALl 和 XTAL2 引脚 3 2 2 复位模块 使 CPU 进入初始状态 从 0000H 地址开始执行程序的过程叫系统复位 单片 机本身不能自动进行复位 必须配合相应的外部复位电路才能实现 从实现系统 复位的方法来看 系统复位可分为硬件复位和软件复位 硬件复位必须通过 CPU 外部的硬件电路给 CPU 的 RESET 端加上足够时间的高 电位才能实现 上电复位 人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位 硬件 复位后 各专用寄存器的状态均被初始化 且对片内通用寄存器的内容没有影响 但是 硬件复位还能自动清除中断激活标志 使中断系统能够正常工作 这样一 个事实却容易为不少编码人员所忽视 软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能 最后通过转移指令使程序 从 0000H 地址开始执行 对各专用寄存器的复位操作是容易的 也没有必要完全 模拟 可根据实际需要去主程序初始化过程中完成 而对中断激活标志的清除工 作常被遗忘 因为它没有明确的位地址可供编程 有的编程人员用 020000 LJMP 0000H 作为软件陷阱 认为直接转向 0000H 地址就完成了软件复位 就是这类 错误的典型代表 软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作 这 时程序出错完全有可能发生在中断子程序中 中断激活标志已置位 它将阻止同 级中断响应 由于软件看门是高级中断 它将阻止说要中断响应 由此可见清除 中断激活标志的重要性 单片机系统在启动运行时 首先完成的复位操作 即上电复位 其目的是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作 复 基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现 18 位很重要 单片机有多种复位方式 这里仅介绍上电复位和按键复位这两种常用 的复位方式 上电复位常用的方法是使用电容器 利用电容器的充电特性达到满足接通电 源后 单片机实现自动复位的要求 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 3 3 所示 图 3 3 复位电路 在电路图中 电容的的大小是 10uF 电阻的大小是 10k 所以根据公式 可 以算出电容充电到电源电压的 0 7 倍 3 5V 需要的时间是 10K 10uF 0 1S 也就是说在电脑启动的 0 1S 内 电容两端的电压时在 0 3 5V 增加 这个时候 10K 电阻两端的电压为从 5 1 5V 减少 串联电路各处电压之和为总电压 所 以在 0 1S 内 RST 引脚所接收到的电压是 5V 1 5V 在 5V 正常工作的 51 单片 机中小于 1 5V 的电压信号为低电平信号 而大于 1 5V 的电压信号为高电平信号 所以在开机 0 1S 内 单片机系统自动复位 RST 引脚接收到的高电平信号时间为 0 1S 左右 在单片机启动 0 1S 后 电容 C 两端的电压持续充电为 5V 这是时候 10K 电 阻两端的电压接近于 0V RST 处于低电平所以系统正常工作 当按键按下的时候 开关导通 这个时候电容两端形成了一个回路 电容被短路 所以在按键按下的 这个过程中 电容开始释放之前充的电量 随着时间的推移 电容的电压在 0 1S 可编辑修改 内 从 5V 释放到变为了 1 5V 甚至更小 根据串联电路电压为各处之和 这个 时候 10K 电阻两端的电压为 3 5V 甚至更大 所以 RST 引脚又接收到高电平 单 片机系统自动复位 复位电路的原理是单片机 RST 引脚接收到 2uS 以上的电平信号 只要保证电 容的充放电时间大于 2uS 即可实现复位 所以电路中的电容值是可以改变的 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 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 显示模块的设计 在单片机的应用系统中 显示器是最常见的输出设备 也是人机对