单片机控制的抢答器

18 单片机控制的抢答器 序言 . 19 第 1 章 单片机的介绍 . 20 1.1 单片机的概述 . 20 1.2 单片机的发展 . 20 1.2.1 4 位单片机阶段 . 21 1.2.2 8 位单片机阶段 . 21 1.2.3 16 位单片机阶段 . 21 1.2.4 32 位单片机阶段 . 22 1.3 单片机的应用 . 22 第 2 章 总体设计 . 27 2.1 抢答器的技术指标 . 27 2.2 抢答器的设计要求 . 27 2.3 硬件设计要点 . 27 2.4 抢答器的基本组成和工作原理 . 28 2.4.1 单片机的流程图 . 28 2.4.2 抢答器的的组成 . 28 2.4.3 抢答器的工作原理 . 29 2.4.4 软件的设计 . 36 第 3 章 抢答器的制作 . 37 3.1 PROTEL99 简介 . 37 3.2 制作中的注意事项 . 37 3.3 制作过程 . 38 第 4 章 系统的安装与调试 . 39 4.1 系统的安装 . 39 4.1.1 常见的错误 . 39 4.1.2 元器件的检测 . 39 4.2 实物 的 调试 . 40 4.2.1 调试过程 . 40 4.3 设计中可能遇到的问题及解决方法 . 40 致 谢 . 42 参考文献 . 43 附录一：抢答器的元器件 . 44 附件 二 ： 抢答器的原理图 . 45 附件 三 ： 抢答器的程序 . 46 19 序言 随着科学技术的发展和普及 ， 各种各样的比赛越来越多 ， 抢答器的作用越来越重要 。 本次设计是以单片机为核心的八路抢答器 。 抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置 , 智力竞赛抢答器的电路有各种各样的 ， 有的很简单 ， 也有比较复杂的 ， 此次做的八路数显并且是使用单片机控制其中包括了组合逻辑电路和时序电路 。 工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛 ： 抢答记分器是必要设备 。在平时举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节 ， 举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权 ， 这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性 。 为解决这个问题 ， 设计一种实用简单的装置是毕不可少的 。本次设计使用了 74 系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能 。 此次设计的抢答器同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛 ， 分别用8 个按钮 S1S8 表示 。 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 。 当其中一路抢先接通电路后 ， 装置自动切断其他电路的信号 ， 同时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 ，同时扬声器发出报警声响提示 。 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 。 同时为了表现装置的布线的整齐 ， 所以选用了PCB 制作板块 。 设计经过了方案论证、原理图设计、电路布线、系统调试等过程后 ， 达到了设计要求 。 装置能够满足实际日常生活需要 。 单片机（又称为微控制器）的出现是计算机发 展史上的一个重要的里程碑 ，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色 ， 在工业控制、尖端武器、通讯设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头 。 单片机的主要特点有 ： CPU 抗干扰性强、可靠性高、电磁辐射小、控制能力强 ， 指令系统简单 ，程序可读性强 ， 操作性强 。 由于单片机对成本是敏感的 ， 所以目前占统治地位的软件 还是最低级 汇编语言 。 近几年 ， C 语言也开始广泛被应用 。汇编语言 是除了二进制机器码以上最低级的语言了 ， 既然这么低级为什么还要用呢 。 很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢 。 原因很简单 ， 就是单片机没有家用计算机那样的 CPU， 也没有像硬盘那样的海量存储设备 。 一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮 ， 也会达到几十 K 的尺寸 。 对于家用PC 的硬盘来讲没什么 ， 可是对于单片机来讲是不能接受的 。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行 ， 所以汇编虽然原始却还是在大量使用 。 一样的道理 ，如果把巨型计算机上的操作系 统和 应用软件 拿到家用 PC 上来运行 ， 家用 PC 的也是承受不了的 。 目前最常用的单片机为 MCS-51， 是由美国 INTEL 公司（生产 CPU 的英特尔）生产的 ， 89C2051 是这几年在我国非常流行的单片机 ， 它是由美国 ATMEL公司 开发生产的 ， 其内核兼容 MCS-51 单片机 。 20 第 1 章 单片机的介绍 1.1 单片 机 的 概述 单片微型计算机简称单片机 ， 是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit） ， 常用英文字母的缩写 MCU 表示 ， 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 。 单片机由运算器 ， 控制器 ， 存储器 ， 输入输出设备构成 ， 相当于一个微型的计算机（最小系统） ， 和计算机相比 ， 单片机 只缺少了 I/O 设备 。 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 。 它最早是被用在工业控制领域 。 由于 单片机 在工业控制领域的广泛应用 ， 单片机由 芯片 内仅有 CPU 的专用处理器 发展而来 。 最早 的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个 芯片 中 ， 使 计算机系统 更小 ， 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 。 INTEL 的 8080 是最早按照这种思想设计出的 处理器 ， 当时的 单片机 都是 8位或 4 位的 。 其中最成功的是 INTEL 的 8031， 此后在 8031 上发展出了 MCS51系列 单片机 系统 。 因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评 。 尽管 2000 年以后 ARM 已经发展出了 32位的 主频 超过 300M 的高端 单片机 ， 直到目前基于 8031的 单片机 还在广泛的使用 。 在很多方面单片机比专用 处理器 更适合应用于 嵌入式系统 ， 因此它得到了广泛的应用 。 事实上 单片机 是世界上数量最多 处理器 ， 随着单片机家族的发展壮大 ， 单片机和专用处理器的发展便分道扬镳 。 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有 单片机 。 手机、 电话 、 计 算器 、家用电器、电子玩具、 掌上电脑 以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部 单片机 。 汽车上一般配备 40 多部 单片机 ， 复杂的 工业控制系统 上甚至可能有数百台单片机在同时工作 。 单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和 ， 甚至比人类的数量还要多 。 1.2 单片机的发展 单片机 诞生于 1971 年 ， 经历了 SCM、 MCU、 SOC 三大阶段 ， 早期的 SCM单片机都是 8 位或 4 位的 。 其中最成功的是 INTEL 的 8031， 此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列 MCU 系统 。 基于这一系统的 单片机 系统直到现在还在广泛使用 。 随着工业控制领域要求的提高 ， 开始出现了 16 位 单片机 ， 但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用 。 90 年代后随着 消费电子产品 大发展 ， 单片机 技术得到了巨大提高 。 随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用 ，32 位 单片机 迅速取代 16 位单片机的高端地位 ， 并且进入主流市场 。 而传统的 8 位 单片机 的性能也得到了飞速提高 ， 处理能力比起 80 年代提高了数百倍 。 高端的 32 位 Soc 单片机 主频 已经超过 300MHz， 性能直追 90 年代中期的专用 处理器 ， 而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元 ， 最高端的型号也只有10 美元 。 当代 单片机 系统已经不再只在 裸机 环境下开发和使用 ， 大量专用的 嵌入式操 21 作系统 被广泛应用在全系列的单片机上 。 而在作为 掌上电脑 和手机核心处理的高端 单片机 甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统 。 二十世纪跨越了三个 “ 电 ” 的时代 ， 即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代 。 不过 ， 这种电脑通常是指个人计算机 ， 简称 PC 机 。 它由主机、键盘、显示器等组成 。 还有一类计算机 ， 大多数人却不怎么熟悉 。 这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器） 。 顾名思义 ， 这种计算机的最小系统只用了一片集成电路 ， 即可进行简单运算和控制 。 因为它体积小 ， 通常都藏在被控机械的 “ 肚子 ” 里 。 它在整个装置中 ， 起着有如人类头脑的作用 ， 它出了毛病 ，整个装置 就瘫痪了 。 现在 ， 这种单片机的使用领域已十分广泛 ， 如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等 。 各种产品一旦用上了单片机 ， 就能起到使产品升级换代的功效 ， 常在产品名称前冠以形容词 “ 智能型 ” ， 如智能型洗衣机等 。 现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品 ， 不是电路太复杂 ， 就是功能太简单且极易被仿制 。 究其原因 ， 可能就卡在产品使用 的 单片机或其它可编程逻辑器 件上 。 1.2.1 4位单片机阶段 由 1975 年美国德克萨斯仪表公司推出的 4 位单片机 TMS-1000， 后来 4 位单片机就开始得到应用 。 单 片机初级阶段 。 因工艺限制 ， 单片机采用双片的形式而且功能比较简单 。1974 年 12 月 ， 仙童公司推出了 8 位的 F8 单片机 ， 实际上只包括了 8 位 CPU、64B RAM 和 2 个并行口 。 4 位单片机主要应用于家用电器和电子玩具 。 1.2.2 8位单片机阶段 1976 年美国 Intel 公司推出的 MCS-48 系列的 8 位单片机后 ， 单片机就开始进入一个新的阶段 ， 8 位单片机纷纷应运而生 。 例如：莫斯特克和仙童公司共同合作生产的 3870（ F8）系列 ， 摩托罗拉公司的 6801 系列等等 。 后来随着科学的发展 ， 8 位单片机得到了更好的发展 ， 功能也得 到了发展 。 低性能单片机阶段 。 1976 年 ， Intel 公司推出的 MCS-48 单片机（ 8 位单片机）极大地促进了单片机的变革和发展； 1977 年 ， GI 公司推出了 PIC1650， 但这个阶段的单片机仍然处于低性能阶段 。 8 位单片机由于功能强 ， 广泛应用于工业控制 ， 智能接口 ， 仪器仪表等各个领域 。 1.2.3 16位单片机阶段 1983 年后 ， 集成电路的集成度达到了十几万只管 /片 。 16 位单片机也问世了 ，同时也将单片机的功能推向了一个新的阶段 。 高性能单片机阶段 。 1978 年 ， Zilog 公司推出了 28 单片机； 1980 年 ， Intel公司在 MCS-48 单片机的基础上推出了 MCS-51 系列 ， Mortorola 公司推出了 6801 22 单片机；这些产品使单片机的性能及应用跃上了一个新的台阶 。 此后 ， 各公司的8 位单片机迅速发展起来 。 这个阶段推出的单片机普遍带有串行 I/O 口、多级中断系统 、 16 位定时器 /计数器 ， 片内 ROM、 RAM 容量加大 ， 且寻址范围可达 64 KB， 有的片内还带有 A/D 转换器 。 由于这类单片机的性能价格比高 ， 所以被广泛应用 ， 是目前应用数量最多的单片机 。 16 位单片机可应用于高速复杂的控制系统 。 1.2.4 32位单片机阶段 最近几年 ， 各个计算机生产厂家都进入了更高性能的 32 位单片机研制、生产阶段 。 由于控制领域对 32 位单片机需求并不十分迫切 ， 导致 32 位单片机的应用并不多 。 虽然单片机发展经历了不同的发展阶段 ， 但 4 位、 8 位、 16 位单片机并没有淘汰 ， 一直到现在都有应用 。 8 位单片机巩固、发展及 16 位单片机、 32 位单片机推出阶段 。 16 位单片机的典型产品为 Intel公司生产的 MCS-96 系列单片机 。 而 32 位单片机除了具有更高的集成度外 ， 其数据处理速度比 16 位单片机提高许多 ， 性能比 8 位、 16 位单片机更加优越 。 20 世纪 90 年代是单片机制造业大发展的时期 ， 这个时期的Mortorola、 Intel、 ATMEL、德州仪器 (TI)、三菱、日立、 Philips、 LG 等公司也开发了一大批性能优越的单片机 ， 极大地推动了单片机的应用 。 近年来 ， 又有不少新型的高集成度单片机产品涌现出来 ， 出现了单片机产品丰富多彩的局面 。 目前 ， 除了 8 位单片机得到广泛应用之外 ， 16 位单片机、 32 位单片机也得到广大用户的青睐 。 1.3 单片 机 的应用 目前单片机渗透到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迹 。 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 化过程的实时控制和数据处理 ， 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 ， 以及程控玩具、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、医疗器械以及各种智能机械了 。 因此 ， 单片机的学习、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 。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域 ， 大致可分如下几个范畴： 在智能仪器仪表上的应用 。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和 使用方便等优点 ，广泛 应用于仪器仪表中 ，单片机 结合不同类型的传感器 ， 可实现诸如电压、功率、频率、 湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量 。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化 ， 且功能比起采用电子或数字电路更加强大 。 例如精密的测量设备（功率计 ， 示波器 ， 各种分析仪） 。 在工业控制中的应用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统 。例如工厂流水线的智能化管芯片 、 电梯智能化控制、各种报警系统 、 与计算机联网构成二级控制系统等 。 23 在家用电器中的应用 ， 可以这样说 ， 现在的家 用电器基本上都采用了单片机控制 ， 从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备 ， 五花八门 ， 无所不在 。 在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口 ， 可以很方便地与计算机进行数据通信 ， 为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件 ， 现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制 ， 从手机 、 电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话 ， 集群移动通信 ， 无线电对讲机等 。 单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用 途亦相当广泛 ， 例如医用呼吸机 ， 各种分析仪 ， 监护仪 ， 超声诊断设备及病床呼叫系统等等 。 在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能 ， 从而在各种电路中进行模块化应用 ， 而不要求使用人员了解其内部结构 。 如音乐集成单片机 ， 看似简单的功能 ， 微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理） ， 就需要复杂的类似于计算机的原理 。 如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于 ROM） ， 由微控制器读出 ， 转化为模拟音乐电信号（类似于声卡） 。 在大型电路中 ， 这种模块化应用极大地缩小了体积 ， 简化了电路 ， 降低了损坏、错误率 ，也方便于 更换 。 单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛 ， 例如汽车中的发动机控制器 ， 基于 CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器 ， GPS 导航系统 ， abs 防抱死系统 ， 制动系统等等 。 此外 ， 单片机在工商 ， 金融 ， 科研、教育 ， 国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途 。 单片机作为计算机发展的一个重要分支领域 ， 根据发展情况 ， 从不同角度单片机大致可以分为通用型 /专用型、工控型 /家电型 。 通用专用型： 这是按 单片机 适 用范围来区分的 。 例如 ， 89C2051 是通用型 单片机 ， 它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的 ， 例如为了满足电子体温计的要求 ， 在片内集成 ADC 接口等功能的温度测量控制 电路 。 工业控制 。 单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等等 。 如数控机床、电机控制、温度控制等等 。 仪器仪表 。 如医疗器械、数字示波器等等 。 计算机外部设备和智能接口 。 如打印机、传真机、复印机等等 。 商用产品 。 如电子称等 。 家用电器 。 如电视机、空调、洗衣机的一些家用电器 。 24 1.4 单片机的发展前景 入门级单片机不能代表核心竞争力 ， 说单片机只能实现某些简单问题只能说你知道的太少 ， 单片机有这么几个难点：高频布线 ， 高频主要指处理速度达100MHz 以上的芯片（不完全是单片机的范畴了 ， 比如 DSP 和嵌入式或是 cortex，但这些的基础是单片机 ， 也是市场上商业级的单片机应用领域） ， 在这个速度上 ，信号在导线上的传输 出现复杂的影响 ， 比如一组 8 为数据在长度不等的导线上传输造成的到达不统一 ， 低频或者这种误差不算什么距离除以速度（距离一定 ， 速度慢则时间误差少） ， 但高频信号过快 ， 这种误差不能忽略（影响时序） 。 其导线间的信号干扰也越发突出 ， 还要考虑阻抗匹配等 ， 没有过硬的理论与实际基础 ，给你原理图你画的 PCB 板子也是废板 。 其次是理论算法 ， 这是软件部分 ， 很多控制类单片机都需要编出各种算法来控制 ， 稍有错误 ， 结果都差之千里 ， 但没有足够深度的自动化理论 ， 你只能停步于围观阶段 ， 可以说单片机是一个需要经常虚学习新知识的工科领域（芯片不只有单片 机 ， 还有各种丰富的外围设备 ， 想做好设备就要熟识各种芯片 ， 会读英文资料） 。 简单的问题或许只有几十或几百条语句就能完成功能 ， 但你知道 windows XP 有多少条语句么 ， 它编程出错率要按每百万条有一条来统计 ， 你说它工程量有多大 ， 单片机虽达不到这个数字 ， 但编个复杂的应用没有几千上万条 ， 那是无法成功的 ， 在只有 MCS51 的年代 ， 不还是有人写出了上万挑的程序么 。 我们入门学 MCS51， 但公司需求的是 DSP ARM FPGA， 教学是一回事 ， 市场应用是另一回事 。 也许 MCS51 还有市场 ，但那是它便宜 够用 ， 跟高端打不上 边 。 市场上同样是电脑 ， 一个是笔记本 ， 一个是上网本 ， 你选哪个 ， 笔记本性能在那里摆着 ， 上网本除了便宜 ， 还有什么优势 。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统 。 尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上 ， 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统 ， 目前大部分还会具有外存 。 同时集成诸如通讯接口、定时器 ， 实时时钟等外围设备 。 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上 。 单片机也被称为微控制器 (Microcontroller Unit )， 由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来 。 最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中 ， 使计算机系统更小 ， 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 。单片机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片 ， 是 CPU、 RAM、ROM、 I/O 接口和中断系统集成于同一硅片的器件 。 单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化 ， 简化一些专用接口电路 ， 如编程计数器、锁相环（ PLL）、模拟开关、 A/D 和 D/A 变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统 。 单片机是所有微处理机中性价比最高的 一种 ， 随着种类的不断全面 ， 功能不断完善 ， 其应用领域也迅速扩大 。 单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域 。 当前 ， 8 位单片机主要用于工业控制 ， 如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16 位单片机（如 MCS-96、 MK-68200）可用在更复杂的计算机网络 。 可以说 ，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门 ， 微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径 。 纵观单片机的发展过程 ， 可以预示单片机的发展趋势 ， 大致有： 25 （ 1）低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 89C2051 推出时的功耗达 120mW， 而现在的单片机普遍都在 100mW 左右 ， 随着对单片机功耗要求越来越低 ， 现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺 )。 CMOS 虽然功耗较低 ， 但由于其物理特征决定其工作速度不够高 ， 而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点 ，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合 。 所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 。 出于对低功耗的普遍要求 ， 目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS 工艺 。 89C2051 系列单片机采用两种半导体工艺生产 。 一种是 HMOS工艺 ,即高密度短沟道 MOS 工艺 。 另外一种是 CHMOS 工艺 ， 即互补金属氧化物的 HMOS 工艺 。 CHMOS 是 CMOS 和 HMOS 的结合 ， 除保持了 HMOS 的高速度和高密度的特点之外 ， 还具有 CMOS 低功耗的特点 。 例如 89C2051 的功耗为630mw， 而 89C2051 的功耗只有 120mw。 在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的 。 因此 ， 在这些产品中必须使用 CHMOS 的单片机芯片 。 （ 2）微型单片化 常规的单片机普遍都是将中央处理器 (CPU)、随机存取数据存储 (RAM)、只读程序存储器 (ROM)、并行串行通信接 ， 中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上 ， 增强型的单片机集成了如 A/D转换器、 PMW(脉宽调制电路 )、WDT(看门狗 )、有些单片机将 LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上 ， 这样单片机包含的单元电路就更多 ， 功能就越强大 。 甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做 ， 制造出具有自己特色的单片机芯片 。 尽管我们常说 ， 单片机是将中央处理器 CPU、存储器和 I/O 接口电路等主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 ， 但由于工艺和其它方面的原因 ， 很多功能部件并未集成在单片机芯片内部 。 于是 ， 用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片 。 随着集成电路技术的快速发展和 “以人为本 ” 思想在单片机设计上的体现 ， 很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求 ， 将一些常用的功能部件 ， 如 A/D(模 /数转换器 )、 D/A(数 /模转换器 )、 PWM(脉冲产生器 )以及 LCD(液晶 )驱动器等集成到芯片内部 ， 尽量做到单片化；同时 ， 用户还可以提出要求 ， 由厂家量身定作 (SOC 设计 )或自行设计 。 （ 3）主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多 ， 各具特色 ， 但仍以 MCS-51 为核心的单片机占主流 ， 兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品 ， ATMEL 公司的产品和中国台湾的 WinBond 系列单片机 。 以 8031 为核心的单片机占据了半壁江山 ， 在一定的时期内 ， 这种情形将得以延续 ， 将不存在某个单片机一统天下的垄断局面 ，走的是依存互补 ， 相辅相成、共同发展的道路 。 如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品 。 从宏观上讲 ， 有 RISC和 CISC 两大类型；从微观上说 ， 有 Intel、 Motorola、 Philips、 Microchip、 EMC、NEC 等公司的相关产品 。 未来相当长的时间内 ， 都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面 。 究其原 因 ， 主要有以下两点 。 首先 ， 以 89C2051 为代表的单片机的基础地位不会动摇 。 这是因为 89C2051 的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持 ， 凡是学过 89C2051 单片机的人再去学用其它类型的单片机易如反掌 ， 借梯子爬坡何乐而不为呢 ， 有关这方面的教材建设在出版界也得到了共识 ， 取得了斐然的成果；这足以解释为制么在课堂上大家都以 26 89C2051 的教材来进行教与学了 。 其次 ， 个性化的产品如专用单片机等在满足用户需求方面得到了大家的认可 ， 在应用领域大有后来赶上的架势；它们由于先天的优势 ， 在 89C2051 的基础上扬长避短 ， 以用户需要为根本 ， 在市场上受到欢迎 。 总之 ， AT89C2051 作为共性的代表会与个性化的产品相互依存 ， 共同发展 ， 将会给用户带来更大的实惠与方便 。 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向 。 所集成的部件越来越多； NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中 ， 也就是说 ， 单片机的意义只是在于单片集成电路 ， 而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机 。 原因是其内部已集成上各种应用电路 。功耗越来越低和模拟电路结合越来越多 。 随着半导体工艺技术的发展及系 统设计水平的提高 ， 单片机还会不断产生新的变化和进步 ， 最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小 ， 甚至难以辨认 。 27 第 2章 总体设计 本次设计的装置采用 5v 的直流电源主要由抢答电路、控制电路、译码显示、报警电路等几部分组成 。 充分利用 SN74HC373 和 AT89C2051 的功能来实现整个装置的运行。 电子智能抢答计分器在抢答过程中 ， 为了知道哪一组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 。 为了完成这个任务设计时系统能显示抢答组号、各组计分并能计分显示以及比赛结束时能发出报警声三 个要求；电子智能抢答计分器主要是由硬件部分和软件部分构成 。 2.1 抢答器的技术指标 （ 1） 8 路开关输入； （ 2） 稳定显示与输入开关编号相对应的数字 18； （ 3） 输出具有唯一性和时序第一特征； （ 4） 当装置接通电源时自检各个部分是否正常 。 2.2 抢答器的设计要求 （ 1）能够识别最先输入的信号 ， 显示选号 ， 同时又有声音提示； （ 2）对回答问题所用的时间进行倒计时显示 ， 并有时间结束报警； （ 3）具有抢答开关功能 ， 按下键后进入抢答的状态； （ 4）主持人能够对屏幕进行清零 ， 可以进行下一轮的抢答 。 2.3 硬件设计 要点 设计任务给定后 ， 经过详细调研 ， 可能产生多种设计方案 ， 为使硬件的设计尽可能合理 ， 应着重考虑以下几点来进行选择： （ 1） 尽可能选择功能完备、工作状态稳定的芯片 ， 以简化电路 ， 提高电路工作效率 ； （ 2） 电路设计过程中 ， 对电路各个部分进行合理安排 ， 留有余地 ， 以方便可以 对电路进行修改 ； （ 3） 工艺设计 。 包括外观、面板、配线、接插件等 。 必须考虑到安装、调试、修 改 的方便 。 28 2.4 抢答器的基本组成和工作原理 2.4.1单片机的流程图 单片机的流程图如下 图 1.1 单片机的流程图 2.4.2抢答器的的组成 抢答器的 一般构成框图如图 1.2 所示 。 它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、 8 段显示器几部分组成 。 下面逐一给予介绍 。 图 1.2 抢答器的组成框图 （ 1）开关阵列电路 该电路由多路开关所组成 ， 每一竞赛者与一组开关相对应 。 开关应为常开型 ，当按下开关时 ， 开关闭合；当松开开关时 ， 开关自动弹出断开 。 29 （ 2）触发锁存电路 当某一开关首先按下时 ， 触发锁存电路被触发 ， 在输出端产生相应的开关电平信息 ， 同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱 ， 最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定 。 若有多个开关同时按下时 ， 则在它们之间存在 着随机竞争的问题 ， 结果可能是它们中的任意一个产生有效输出 。 （ 3）编码器 编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的 8421BCD 码 ， 以提供数字显示电路所需要的编码输入 。 （ 4） 7 段显示译码器 译码驱动电路将编码器输出的 8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态 ，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流 。 （ 5）数码显示器 数码管通常有发光二极管（ LED）数码管和液晶（ LCD）数码管 。 本设计 中采用的是 LED 数码管 。 2.4.3抢答器的工作原理 （ 1） 开关阵列电路 图 1.3 所示为 8 路开关阵列电路 ， 从图上可以看 出其结构非常简单 。 电路中 ， 1 8 为上拉电阻和限流电阻 。 当任一开关按下时 ， 相应的输出为低电平 ， 否则为高电平 。 由于实际情况与设计时有些误差我发现下拉电阻电位过高（超过0.7v 左右）装置不太容易识别高低电平 ， 所以我最后为了正常工作把下拉电阻短接了 。 图 1.3 开关阵列电路 （ 2） 触发锁存电路 图 1.4 所示为 8 路触发锁存电路 。 图中 ， 74HC373 为 8D 锁存器 ， 一开始 ，当所有开关均未按下时 ， 锁存器输出全为高电平 ， 经 8 输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平 ， 该信号作为锁存器使能端控制信号 ， 使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时 ， 输出信号中必有一路为低电平 ， 则反馈信号 30 变为低电平 ， 锁存器刚刚接收到的开关被锁存 ， 这时其它开关信息的输入将被封锁 。 由此可见 ， 触发锁存电路具有时序电路的特征 ， 是实现抢答器功能的关键 。 图 1.4 触发锁存电路 （ 3） 编码电路 a、编码器 如图 1.5 所示 ， 单片机 AT89C2051 编码器 ， 当任意输入为低电平时 ， 输出为相应的输入编号的 8421 码（ BCD 码）的反 码 图 1.5 AT89C2051 编码器 AT89C2051 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器 ， 具有 8k 在系统可编 程 flash 存储器 。 它具有以下标准功能： 8k 字节 flash， 256 字节 RAM， 32 位I/O 口线 ， 2 个数据指针 ， 三个 16 位定时器 ， 一个 6 向量 2 级中断结构 ， 全双工串行口 ， 片内晶振动及时钟电路 。 另外 ， AT89S52 可降至 0HZ 静态逻辑操作 ，支持 2 种软件可选节电模式 ， CPU 停止工作 ， 允许 RAM， 定时器 /计数器、串口、 31 中断继续工作 。 掉电保护方式下 ， RAM 内容被保存、振荡器被冻结 ， 单片机一切工作停止 ， 直到下一个中断或硬件复位为止 。 下面介绍下各管脚的功能： 1、 VCC：电源电压。 2、 GND：地。 3、 P1口： P1口是 一个 8位双向 I/O 口。口引脚 P1.2P1.7提供内部 上拉电阻 ，P1.0和 P1.1要求外部上拉电阻。 P1.0和 P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入 (ANI0)和反相输入 (AIN1)。 P1口输出缓冲器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示。当 P1口引脚写入 “ 1” 时，其可用作输入端，当引脚 P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入 “ 1” 时，其可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的 上拉电阻 而流出电流。 4、 P3口： P3口的 P3.0P3.5、 P3.7是带有内部 上拉电阻 的七个双向 I/O 口引脚。 P3.6用于固定输入片内 比较器 的输 出信号并且它作为一通用 I/O 引脚而不可访问。 P3口缓冲器可吸收 20mA 电流。当 P3口写入 “ 1” 时，它们被内部 上拉电阻 拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的 P3口脚将用 上拉电阻 而流出电流。 P3口还用于实现 AT89C2051的各种第二功能，如下表所列： 图 1.6 P3引脚的功能 P3口 还接收一些用于 闪速存储器 编程和程序校验的 控制信号 。 5、 RST：复位输入。 RST 一旦变成高电平所有的 I/O 引脚 就复位到 “ 1” 。当振荡器正在运行时，持续给出 RST 引脚 两个 机器周期 的高电平便可完成复位。每一个 机器周期 需 12个振荡器或 时钟周期 。 6、 XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内 部时钟发生器的输入。 7、 XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。 b、晶振 常说的晶振一般叫做晶体谐振器 ， 是一种机电器件 ， 是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成 。 这种晶体有一个很重要的特性 ，如果给他通电 ， 他就会产生机械振荡 ， 反之 ， 如果给他机械力 ， 他又会产生电 ， 32 这种特性叫机电效应 。 他们有一个很重要的特点 ， 其振荡频率与他们的形状 ， 材料 ， 切割方向等密切相关 。 由于石英晶体化学性能非常稳定 ， 热膨胀系数非常小 ，其振荡频率也非常稳定 ， 由于控制几何尺寸可以做到很精密 ， 因此 ， 其谐振频率也很准确 。 根 据石英晶体的机电效应 ， 我们可以把它等效为一个电磁振荡回路 ， 即谐振回路 。 他们的机电效应是机 -电 -机 -电 .的不断转换 ， 由电感和电容组成的谐振回路是电场 -磁场的不断转换 。 在电路中的应用实际上是把它当作一个高 Q 值的电磁谐振回路 。 由于石英晶体的损耗非常小 ， 即 Q 值非常高 ， 做振荡器用时 ， 可以产生非常稳定的振荡 ， 作滤波器用 ， 可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线 。 由于稳定性好 ,晶体振荡器一般用来产生周期时序信号 ,常见的用处是作为单片机的内部振荡源 。 （ 4） 译码驱动及显示单元 编码器实现了对开关信号的编码并以 BCD 码 的形式输出 。 为了将编码显示出来 ， 需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流 。 一般这种译码通常称为 7 段译码显示驱动器 。 常用的 7 段译码显示驱动器有 CD4511 等 。 大多情况下使用的是 LED 数码管 。 LED 数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 LED 数码管尺寸有大有小 ， 这次使用了小的数码管每个数字笔画为一个发光二极管 。 a、数码管的种类 LED 显示器在许多的数字系统中作为显示输出设备 ， 使用非常广泛 。 它的结构是由发光二极管构成的 a、 b、 c、 d、 e、 f 和 g 七段 ， 并由此 得名 ， 实际上每个 LED还有一个发光段 dp， 一般用于表示小数点 ， 所以也有少数的资料将 LED称为八段数码管 。 七段译码器有输出低电平有效和高电平有效的多种型号 ， LED 内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种 ， 即将 LED 内部所有二极管阴极或阳极接在一起并通过 com 引脚引出 ， 并将每一