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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪论1.1 设计任务与要求1、抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮S0-S3表示。2、设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3、抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4、参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号并保持到主持人将系统清除为止。1.2 方案设计方案：该系统采用52系列单片机STC89C52作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。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。MCS-51单片机特点如下：1.可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU， 程序指令和数据都可以写在ROM里，许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高，易扩充。2.单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。3.控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。其原理框图如下:选手开关触发锁存电路主持人开关抢答鉴别电路显示电路时间脉冲源图1-1 原理图1.3 设计理念抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。作为一个单位，如果专门购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因此设计了本抢答器。本设计是以四路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用STC89C52单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。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0-9s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有数字显示；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。1.4 单片机的发展概况单片机发展到至今已30余年，若将8位单片机的诞生为起点，那么，单片机的发展大致可分为3个阶段。第一阶段（1974年1978年）：单片机的初级阶段。第二阶段（1978年1982年）：单片机的高性能阶段。第三阶段（1982年至今）：8位单片机的巩固发展和16位、32位单片机的推出阶段。 8位单片机是目前品种最丰富、应用最广泛的单片机。自8位单片机问世以来，由于制造工艺的提高和新技术的采用，使8位单片机的性能也以惊人的速度提高和完善，当今在单片机内集成的应用系统常用电路越来越多，还有的在单片机内集成了局部网络控制模块，器资源已能满足很多应能场合的需求，加之单片机具有体积小、功耗低、功能强、稳定、可靠、使用灵活、性能/价格比高、便于推广应用等显著优点，所以8位单片机呗广泛应用于自动控制装置、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、计算机、家用电器等领域。第2章 硬件设计2.1控制系统及所需元件控制系统主要由单片机应用电路、存储器接口电路、显示接口电路组成。其中单片机STC89C52是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作。 所需元件：该系统的核心器件是 STC89C52。各口功能：P0.0-P0.3 是数码管的位选口；P2.0-P2.7是数码管的段选口，为其传送段选信号；P1.0-P1.3是4组抢答信号的输入口；P1.4、P1.5由裁判控制,分别是抢答开始复位功能键；P3.4-P3.7为选手信号灯输出口；在其外围接上电复位电路、数码管电路、LED发光二极管、按键电路及扬声器电路。电子抢答器用单片机来设计制作完成的，由于其功能的实现主要是通过软件编程来完成的，所以采用单片机STC89C52，它是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和512 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL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，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。下图为其I/O口引脚图：图2-1 STC89C52管脚图2.2 抢答器显示模块显示模块分为数码管模块和LED信号灯模块分别采用四位一体共阴极数码管和一个发光二极管，体积小，功耗低，故障率低，程序编译容易，资源占用较少。图2-2 显示器2.3 电源方案的选择系统需要5V电源来驱动单片机STC89C52。利用电脑的USB接口可以提供5V电压来驱动单片机。2.4 抢答器键盘的选择键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。本设计采用独立式键盘。键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了6根I/O口线，该键盘就有5个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。如图所示。最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。其模块电路图如图4所示。采用五个BUTTON 按钮作为抢答的选择按钮，与STC89C52的P1.0-P1.5相连。2.5 抢答器电路参考电路如图。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置,“清除”然后再进行下一次抢答。图2-3 电路图2.6 时序控制电路设计1、时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能：（1）主持人将控制开关拨到开始位置时，扬声器发声，抢答电路进人正常抢答工作 状态。（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路停止工作。2、复位电路的设计外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。2.7 外部振荡电路外部振荡电路单片机必须在STC89C52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，外部振荡电路见图所示。 图2-4 外部振荡电路2.8 复位电路的设计外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。复位电路如下图2-5所示。图2-5 复位电路图第3章 焊接与程序3.1 主程序我们组所设计的抢答器的程序采用的是C程序设计，C语言的显著特点是用二进制来编写程序,程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此之间相互独立。这种结构化方式可使程序层次清晰, 便于使用、维护以及调试。C语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方便的调用,并具有多种循环、条件语句控制程序流向,从而使程序完全结构化。虽然C语言也是强类型语言，但它的语法比较灵活，允许程序编写者有较大的自由度。本次设计的主程序中包括时钟设计程序，定时器中断子程序，LED显示程序以及按键控制子程序，具体程序见附件。3.2 焊接的问题及解决一般来说，造成硬件问题的首要问题就是焊接了，也就是说焊接的好与坏直接响产品的正常运行。造成焊接质量不高的常见原因是:焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮(不光滑),有细小裂纹(如同豆腐渣一样!)。夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。对于已形成黑膜的,则要吃净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。焊锡连桥。指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的内。3.3 程序流程图初始化部分K5= =0启动中断，数码管开始倒计时若有选手抢答中断停止，数码管显示选手的标号并点亮信号灯结束开始NYYN图3-1抢答器主程序流程图 定时器0中断1秒时间到？中断返回N秒加1数码管显示秒值Y图3-2 抢答器定时器中断流程图扫 描 键 盘K0键按下K1键按下K3键按下K2键按下扫描停止与K0键对应的发光二极管亮及数码管显示与K1键对应的发光二极管亮及数码管显示与K2键对应的发光二极管亮及数码管显示与K3键对应的发光二极管亮及数码管显示YYYYNNNN图3-3键盘扫描流程图第4章 设计调试与论述 4.1 系统的调试系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。我们设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；软硬件的配人情况以及是否达到设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终开发成实用产品。硬件调试分单元电路调试和联机调试，单元电路试验在硬件电路设计时已经进行，这里的调试只是将其制成印刷电路板后试验电路是否正确，并排除一些加工工艺性错误（如错线、开路、短路等）。这种调试可单独模拟进行，也可通过开发装置由软件配合进行。硬件联机调试则必须在系统软件的配合下进行。软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，如果执行结果与预想的不一致，可以通过单步运行或设置断点的方法，查出原因并加以改正，直到运行结果正确为止。这时该 程序功能块已调试完毕，可去掉附加程序段。其它程序功能块可按此法进行调试。程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。在联调中可能会有某些支路上的程序、功能块因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件、硬件全部调试成功为止。系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。4.2 概况微型计算机应用系统一般分为两大类，一类用于科学计算、数据处理、企业管理；另一类用于过程控制。对于前一类，通常由微型计算机、屏幕显示器、键盘、打印机和系统所配置的系统软件所组成。后一类是微型计算机用于过程控制。微型计算机用于控制系统的特点是：1. 控制系统的精度高。2. 功能强。3. 可靠性高。4. 系统的数据记录、处理方便。5. 体积小、重量轻、功耗省、投资少、见效快。因此，一微型计算机为核心的控制系统广泛地应用于各个领域，它将加速我国实现四个现代化的进程。4.3 论述微型计算机的出现是电子数字计算机广泛应用到人们日常工作和生活领域中去的一个重大转折点。它已深入应用到非微型计算机所无法应用的领域，对社会产生了极大的影响。单片微型计算机室微型计算机发展的一个重要分支，它以其独特的结构和性能，越来越普遍地应用到国民经济建设的各个领域。单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。因为单片机主要用于控制系统中，所以又称微控制器（Microcontroller Unit, MCU）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。图4-1 单片机结构图4.4 单片机的发展趋势单片机技术正以惊人的速度向前发展，就已出现的单片机而言也正以其各自独特的有点或先进的技术在进行挑战，主要表现在以下几个方面。1.CPU的发展；2.片内存储器的发展；3.加强片内输入/输出接口功能；4.半导体工艺技术的发展；5.低噪声与高可靠性技术；6.ISP及IAP。总 结通过这次设计让我认识到了自己的不足之处，但从未接触过实际的东西，也就有好多以前无法认识的问题，经过这次实习开阔了眼界、增长了见识，对以后的学习也有了更加清楚的认识，学习有了针对性和方向。首先，牢牢掌握专业基础知识是非常必要得，它为以后学习专业课甚至是工作打下了基础，这在以后将会成为一笔财富，现在离大四毕业找工作还有一段时间一定要充分利用这有限的时间学习掌握更多的专业知识，为以后谋个好工作增加一份筹码。另一个感触就是学习要有主动性，学习是自己的事，自己要对自己的事情负责，有什么不懂得一定要虚心像别人请教。和那些工程师比起来自己的知识是多么的贫乏，所以更有必要努力地学习了，并且一有机会一定要继续深造。历经两个星期，对我们这些的工科学生来说，是特别的宝贵。因为这是一次理论与实践