四路抢答器单片机课程设计.doc

塔里木大学信息工程学院单片机原理与外围电路课程论文题目：基于单片机的四路抢答器 姓名： 李健豪 学号： 2021211214 班级： 计算机科学与技术15-2班 摘要系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计，指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。使硬件在软件的控制下协调运作。正文中首先简单描述系统硬件工作原理，且附以系统硬件设计框图，并介绍了单片机微处理器的发展史，论述了本次毕业设计所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程,并描述了AT89C51外接电路接口的软、硬件调试。其次阐述了程序的流程和实现过程。本文撰写的主导思想是软、硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。关键词单片机；微处理器；AT89C51AbstractThissystemeditscollectedmaterialsthelanguagetoproceedwithsinglethebasiclanguageofamachinethesoftwaredesigns,theinstructioncarriesoutthespeedquick,savememory.Forthesakeofeasytoexpandwiththedesignadoptionmoldalogicforturningconstruction,makingproceduredesigningrelationthatchange,softwaremoreshorterandmoreeasiertounderstand.Makehardwarecontrolinsoftwaredescendedtomoderatetheoperation.Thetextinsidedescribesthesystemhardwareworkprincipleinbrieffirst,andattachwiththesystemhardwaredesignframediagram,combinedevelopmenthistorythatintroducedthesingleamachinemicroprocessor,discussthisgraduatedesignafunctionforappliedeachhardwareconnectingapeoplethetechniqueconnectswitheachoneamoldpieceandworkprocesses,combinetodescribeinaspecificwayAT89C51circumscribestheelectriccircuitconnectsoscularandsoft,thehardwareadjuststotry.Expatiatedtheprocessoftheprocedurethenextinorderwithrealizesprocess.Thepredominancethoughtthatthistextcomposeissoft,thehardwarecombinestogether,regardinghardwareasthefoundation,proceedtheplaitofeachfunctionmoldpiecewrite.KeywordsMicroControllerUnit;Microprocessor;AT89C51目录1绪论- 4 -1.1课题背景及研究意义- 4 -1.2国内外现状- 5 -1.3课题的设计目的- 5 -1.4课题的主要工作- 5 -2系统概述- 6 -2.1设计要求- 6 -2.2、总体法案设计- 6 -3系统硬件设计- 7 -3.1元器件简介- 7 -3.2系统总电路图- 7 -3.4时钟电路设计- 8 -3.5复位电路设计- 9 -3.6指示灯电路设计- 9 -4系统软件设计- 10 -4.1系统程序设计- 10 -4.2仿真结果- 11 -结论- 12 -参考文献- 13 -附录A 系统整体电路- 14 -附录B 全部程序清单- 14 -附录C PCB模拟图- 18 -附录D 3D仿真图- 18 -1绪论1.1课题背景及研究意义近年来单片机发展十分迅速，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。学单片机就相当于自己开发硬件，扩展计算机硬件的功能，通过学习单片机也能对计算机硬件知识有更深入的领悟，对于高级编程水平有一定帮助。学了单片机，就会对现在比较流行的所谓“嵌入式”系统有比较明确的了解，比如IC卡（比如电话卡）、射频卡（比如公交一卡通）、磁卡（比如银行卡），还有什么GPS（全球定位，无非就是个能连到串口的小电路模块）、GPRS/GSM模块（相当于一部手机的核心部分）、CMOS/CCD摄像头、LCD显示屏、CANBus、USB接口电路等等看似神秘的技术感到不再陌生。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，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 可以说，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，如图2所示）。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，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。 进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生 产线甚至自动工厂，并且大大地发展了控制理论。然而，在一些大 中型系统中自动化结果均不理想。只有在计算机出现后，人们才见 到了希望的曙光。如今借助计算机逐渐实现了人类的梦想。但是， 计算机出现后的相当长的时间里，计算机作为科学武器，在科学的 神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的 应用。只有在单片机（Microcontroller)出现后，计算机才真正 地从科学的神圣殿堂走入寻常百姓家，成为广大工程技术人员现代 化技术革新，技术革命的有利武器。1.2国内外现状单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。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，录象机、摄象机，以及程控玩具等等，这些都离不开单片机。单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术：EFT（EllectricalFastTransient）技术，低噪声布线技术及驱动技术，采用低频时钟。同时单片机在目前的发展形势下还表现出可靠性及应用越来越水平高和互联网连接，所集成的部件越来越多，功耗越来越低和模拟电路结合越来越多等发展趋势。1.3课题的设计目的单片机作为一种工具，现在已经广泛的应用于智力和只是竞赛场合。本次设计是基于单片机51系列的理论知识综合运用AT89C51单片机设计的简易四路抢答器。利用AT89C51单片机的外围接口来实现抢答系统，利用单片机的定时器/计数器计数和定时的原理，将软、硬件有机的结合起来，使得系统能正确的记时，发光二极管能正常的闪烁。同时系统能够实现：在抢答过程中只有在主持人按下开始抢答键开始之后抢答才有效，如果在开始抢答之前抢答视为无效。在抢答成功之后发光二极管会变成闪烁状态与提示选手开始回答问题。同时还有主持人控制的系统复位键，以实现系统的复位。还有按键锁定，在一个选手抢答成功或者法规状态下其他按键无效。通过这次的设计，对51系列的单片机的运用有了更深一层次的了解，也提高了我们的动手能力，加深我们对单片机的映像，为我们以后的学习打下一定的基础。1.4课题的主要工作本次设计是基于单片机51系列的理论知识综合运用AT89C51单片机设计的简易四路抢答器。利用AT89C51单片机的外围接口来实现抢答系统。主要工作如下：抢答器接上电源之后，左上为主持人使用的复位键，左下为主持人使用的开始抢答键，右下的键为供选手使用的抢答键，从右下往上分别为选手一至选手四的按键，在主持人还没有按下开始抢答键是若有选手按下抢答键，则其选手相应的指示灯会闪烁以提示其犯规，此时主持人应按下复位键，重新开始。如选手抢答成功之后，其相应的指示灯会亮3秒，之后会变成闪烁以提示选手作答。2系统概述2.1设计要求（1）、总共6个按键，两个供主持人用于“开始抢答”和“复位”操作，四个供四个选手用作“抢答”操作。（2）、用1个发光二极管用作开始抢答的指示灯，用4个发光二极管分别显示4个选手的抢答状态。（3）、开始抢答后，哪个选手抢答键最先按下，该选手的抢答指示灯点亮，表示抢答成功，此时其他选手再按键为无效，抢答成功后开始3秒计时，到时指示灯变为闪烁，以提示选手选手抢答后必须3秒内回答问题，否则视为犯规。（4）、开始抢答前，若有选手按下抢答键，则其对应的指示灯变为闪烁，表示该选手犯规，此时有选手按键都将无效。（5）、出现犯规后，主持人可以利用“复位键”重新开始。2.2、总体法案设计方案：依据课题要求，基于AT89C51单片机制作的抢答器，其最大的好处就是处理快，准确性高、可靠性好、控制功能强。采用51系列的单片机AT89C51作为控制中心，系统可以完成运算控制、信号的控制以及显示的功能。选手通过按键开光作为输入信号完成输入信号的触发，主持人根据选手的输入信号准确的判断最先按下的选手且屏蔽其他的抢答信号，让选手作答。使用外部中断方式来实现开始抢答，运用按键复位来实现系统的复位，其系统原理框图如下：内部时钟电路选手按键AT89C51单片机选手抢答指示灯抢答开光复位电路 图一系统原理框图3系统硬件设计3.1元器件简介AT89C51单片机，其内部带有4KB的掩膜ROM。无需扩展外部程序存储器。其中：CVV：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。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。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。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。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。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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输出口）；P3.2 /INT0（外部中断0）；P3.3 /INT1（外部中断1）；P3.4 T0（记时器0外部输入）；P3.5 T1（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）。RST：复位输入。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。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。3.2系统总电路图 图二、总电路图3.3独立式按键电路如上图5个独立式按键K1K4分别接在P2口的P2.0P2.3另外一端接地。当有一键按下时相应的口线的电平发生变化，单片机进行扫描确定哪个键按下。K5接P3.3接外部中断1，作为主持人开始抢答键的按键。当5个键中的其中一个键按下时，其对应的指示灯也相对的被点亮。3.4时钟电路设计 如上图示，为时钟电路，单片机必须在时钟驱动下才能正常的工作，在单片机内部有一时钟振荡电路，只需外接一个振荡源就可以一定的时钟信号送到各个单元，采用12MHz的晶振，其时钟周期为1/12us，电路中两个电容C1和C2的作用：一是帮组振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调，它们的值都为30PF。3.5复位电路设计单片机的第9引脚RST是复位端，只要在复位端保持两个周期以上的高电平，就可以实现复位。上图采用按键手动复位中的按键电平复位，由复位按键和10PF的电容，以及一个200的电阻和一个1K的电阻构成复位电路，当复位键按下就对单片机进行复位。单片机复位完成之后，系统程序将从0000H开始执行。3.6指示灯电路设计上图为指示灯电路，采用共阳极的方式，为低电平是发光二级管亮，即发光二级管的正极接上500的保护电阻在接到高电平，另外一端接到单片机的P1口的P1.0P1.4，当其对应的按键按下时，相应的二极管就会被点亮。4系统软件设计4.1系统程序设计在抢答过程中，有多个信号输入主电路中，单片机内部的寄存器工作，并识别、记录第一个抢答的人，同时内部的定时器开始工作，记录有关的时间信号，在整个抢答过程中，显示电路还要根据现场的实际情况来相应的显示输入信号。采用外部中断一，且为下降源触发，在设计中包括：主程序、查询程序、非法抢答处理程序、正常抢答处理程序、显示程序。主程序流程图如下：否是是是否是计时3秒提示回答按键处理有键按下结束抢答？犯规处理有键按下？开始抢答？ 主程序开始 4.2仿真结果1.软件测试开始，由裁判按k5选择开始。D5灯亮。2.假如k4选手抢答成功，则D4灯亮。3.抢答结束后，由裁判K6，复位。所有灯熄灭。结论通过这次的单片机四路抢答器的课程设计，我认为不仅检验了我对所学知识的掌握程度，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何去完成一件事情。通过这次的设计，让我对单片机的知识又有了近一步的了解，让我在多方面都有了一定的提高。通过这次设计，综合运用本专业所学习的课程的理论，设计工作的实际训练从而提高我们的独立的工作能力，巩固我们所学的知识，提高了我们我们的独立思考能力。在设计的过程中，我遇上了许多的问题，但是我没有放弃，在不明白的地方，及时的查阅材料，问老师，问同学，顺利地编写程序，仿真，调试。通过这次的实训在软件方面在进一步学习了汇编程序编译环境keil uVision2，并且学习新的软件ISIS 7 Professional，学习在上面画电路图，仿真电路。在此、我感谢此次实训带我们的张任老师，还有那些在课程设计中帮助我的同学。参考文献1李广弟等.单片机基础M.北京航空航天出版社，2001.2夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社, 2001 3胡健.单片机原理及接口技术,机械工业出版社4陈海宴.51单片机原理及应用M.北京航空航天大学出版社，2010.5杜礼霞.51系列单片机实验指导书,应用技术学院6何立民. 单片机高级教程 第1版北京：北京航空航天大学出版社，2001 7徐惠民、安德宁 单片微型计算机原理接口与应用 第1版 北京：北京邮电大学出版社，1996 8刘守义等.单片机技术基础M.西安电子科技大学出版社，2007.9钟富昭等.8051单片机典型模块设计与应用M.人民邮电出版社，2007.10李平等.单片机入门与开发M.机械工业出版社，2008.肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8 11王东峰等.单片机C语言应用100例M.电子工业出版社，2009.12赵晓安. 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Gray.Analysis of Timing Jitter in CMOS Ring Oscillators. IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 199附录A 系统整体电路附录B 全部程序清单 ORG 0000H AJMP KAISHI ；转主程序 ORG 0013H ；外部中断1矢量地址 AJMP INT_1 ；转外部中断程序1=主程序= ORG 0100HKAISHI:MOV SP,#60H SETB EA ；开外部中断 SETB EX1 ；开外部中断1 SETB IT1 SETB P3.3NEXT:MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FH ;选手指示灯初始状态全灭 MOV R4,#15MOV A,#5 JNB P2.0,FEIFA1 ；判断主持人开关未按下时开关1是否抢答 JNB P2.1,FEIFA2 ；判断主持人开关未按下时开关2是否抢答 JNB P2.2,FEIFA3 ；判断主持人开关未按下时开关3是否抢答 JNB P2.3,FEIFA4 ；判断主持人开关未按下时开关4是否抢答 SJMP NEXT ；跳转到程序NEXTFEIFA1:CLR P1.0 ；选手一的非法抢答处理程序 ACALL DINGSHI ；调用子程序DINGSHI SETB P1.0 ACALL DINGSHI SJMP FEIFA1FEIFA2:CLR P1.1 ；选手二的非法抢答处理程序 ACALL DINGSHI SETB P1.1 ACALL DINGSHI SJMP FEIFA2FEIFA3:CLR P1.2 ；选手三的非法抢答处理程序