电子系统设计-基于STM8抢答倒计时器.docx

电子系统设计课程论文题 目 基于STM8抢答倒计时器 学生姓名： 学 号： 专 业：电子信息工程 学 院：机械与电子工程学院 二 0 一 七 年 五 月 二十三 日目录1. 设计任务31.1. 功能简介31.2. 详细要求31.3. 实际设计功能偏差32. 方案论证42.1. 设计方案简介42.2. 设计思路42.3. 器件选型42.4. 设计特点52.5. 技术关键点52.5.1. 多按键输入的分辨能力52.5.2. 多数码管显示是否卡顿63. 设计细节73.1. 系统结构73.2. 主循环状态机73.3. 多任务时间戳控制73.4. 按键输入83.4.1. 按键中断触发83.4.2. 3*3按键阵列扫描83.5. 数码管输出83.5.1. 三位七段式共阴数码管83.5.2. 刷新显示83.5.3. 十秒显示闪烁83.6. 功能切换与保存93.7. 完整代码93.7.1. stm8s_it.c93.7.2. main.c94. 实物演示205. 总结体会236. 参考文献231. 设计任务1.1. 功能简介设计一个电路系统，该电路系统功能为8选手抢答锁定、倒计时回答问题的功能。即8名选手在听到节目主持人“抢答”口令的时候，最快地按下各自的抢答按键，电路系统自动识别并锁定最早按下抢答键的选手编号，并显示出来，同时开始倒计时，倒计时为两位十进制显示。1.2. 详细要求l 可同时供8名选手参加比赛，编号分别为1，2，3，4，5，6，,8各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。l 节目主持人设置一个控制按钮K，控制系统复位，使编号显示数码管灯灭并表示抢答开始。 l 抢答开始后，若有选手按抢答按钮，其编号立即被锁存，且在LED数码管上显示出选手编号，并封锁输入电路，禁止其他选手抢答，获得优先抢答资格的选手的编号一直保持到主持人将系统复位为止。 l 要求具有回答限时功能，回答时间分为30秒和1分钟两种，回答过程中有倒计时显示，答题时间剩余10秒时有报警（指示灯亮）提示。1.3. 实际设计功能偏差将第四点详细要求“答题时间剩余10秒时有报警（指示灯亮）提示”改成：答题时间剩余10秒时，数码管显示编号开始闪烁，闪烁频率为2Hz。2. 方案论证2.1. 设计方案简介采用STM8单片机作为主控芯片，3*3的阵列键盘扫描输入，3个七位并行总线扫描输出到数码管刷新显示2.2. 设计思路根据设计任务可知，该电路系统主要分为三个部分：输入按键、数字电路、数码管显示。倘若采用纯数字逻辑电路需要使用大量74或CD系列逻辑芯片，并且接线复杂，整个电路体积庞大，能耗高，设计复杂。秉着尽量减少设计周期的设计原则，同时兼顾体积、能耗比、性价比等多方面，采用廉价的STM8单片机来代替复杂的数字逻辑电路，可以大幅度降低电路结构复杂度，降低硬件设计的难度。计算机编程更容易实现复杂多样化的功能，同时具备未来功能改造和升级的能力，STM8是ST意法半导体的自主开发的八位单片机，其性能与价格都优越于51单片机系列，该单片机具有通用输入输出引脚，支持开漏输出、推挽输出和上拉输入，推挽输出模式单引脚可以输出或输入的电流达到20mA，意味着不需要外接三极管就可以直接驱动数码管或者LED灯等，上拉输入意味着不需要外接上拉电阻，极大的减少外围电路，内部集成十六位定时器，支持外部中断等等功能，完全能够实现电子抢答器的功能。2.3. 器件选型本次设计具体使用的STM8型号为STM8S103F3P6，该单片机拥有16个IO引脚可供使用，引脚配置上，分配6个引脚为3*3阵列键盘的行列输入输出引脚，x0x2位上拉输入，y0y2为推挽输出，7个引脚为并行总线数码管ag的阳极，推挽输出，3个引脚分别为各个数码管的共阴端com，开漏输出 并不是所有IO都支持推挽输出，STM8S103F3Px型号的PB4与PB5引脚只支持开漏输出，数码管共阴COM口只需要提供下拉能力即可，故此可以配置为开漏输出代替推挽输出。16个引脚全部用上没有浪费，由于没有多于的引脚无法单独控制指示灯亮的功能，因此改成数码管显示编号闪烁（见1.3设计功能偏差），如图1所示。 图1数码管选用3个2*5引脚八段数码管，小数点不使用，单个导通压降在1.75V左右，工作电压为3.3V，控制电流在1mA左右，故此选用1K欧姆限流电阻串联。按键使用6*6,4引脚方形微动按键。2.4. 设计特点l 电路结构简单，一个单片机，9个按键，3个数码管，7个电阻即可完成工作。l 价格低廉，STM8单片机价格在可以控制在1元左右，最低低至0.5元，相比纯数字电路要用到大量逻辑芯片具有很强性价比。l 功耗低，外围电路少，耗电器件少。l 功能可软升级，多样化，无需修改硬件电路。l 技术安全性高，不易被抄袭2.5. 技术关键点2.5.1. 多按键输入的分辨能力STM8单片机的主频为16MHz，在按键输入的功能中，采用的方式为：先外部中断触发，后按键扫描。两种方式互相配合实现尽可能快的阵列键盘输入判断。详细工作方式如下：配置x0x2引脚为上拉输入，下降沿触发的外部中断引脚，y0y2初始状态全部输出为低。当有按键按下的时候，按键所在的x引脚就会被下拉，产生中断信号，单片机进入指定中断函数进行按键判断。在中断函数中，首先读取并保存x0x2输入状态，然后再判断是哪个行输入引脚触发了中断（或哪些），为低即为被按下。确定了xi行，之后，依次将y0y2引脚输出高电平，并每次读取xn行的状态，如果xi行状态变为了高，说明对应的y j列和xi行所对应的按键，即为当前触发中断，或者说最早按下的按键。据上所述，即可判断最早按下的按键。当然扫描的过程是需要时间的，在这段时间内按下的按键仍然无法判断向后。根据逻辑分析仪分析得到，扫描的过程不超过50us。并且由于采用的是中断触发的方式，比传统的循环扫描更快更具有实时性，因此按键在时间上的分辨率可以达到50us。同时由于采用的是先保存行后扫描列的方式，同x不同y的分辨率为50us（需要扫描），而不同x的分辨率低至5us（在扫描之前就已经确认）。这时间分辨率远大于人的反应时间100ms以上的要求，故此可以认为能够实现要求。2.5.2. 多数码管显示是否卡顿数码管总共有3个，采用的是并行共用ag总线，独立COM脚的接线方式，通过轮流输出com0com2为低，轮流显示三个数码管。在总的时间上，每个数码管显示的时间为1/3，相当于亮度降为常亮的1/3，这个亮度配合1K欧电阻表现较为合适，人眼能明显看到数字的点亮。在刷新速度上，但总的刷新速度超过60FPS的时候，人眼就会感觉流畅，分辨不出闪烁。因此，设定单个数码管显示时间间隔为5ms，那么总的刷新率为因此不会有卡顿现象。3. 设计细节3.1. 系统结构3.2. 主循环状态机分为四个状态，准备状态、锁定倒计时状态、十秒提示倒计时状态、倒计时结束准备状态：该状态编号数码管不显示，倒计时数码管显示30或者60。锁定倒计时状态：数码管显示锁定编号，倒计时状态，每一秒钟数字减少1.十秒提示倒计时状态：倒计时到了最后十秒，开启闪烁显示，倒计时继续倒计时结束：该状态编号停止闪烁，倒计时归零不动。除准备状态外，按下复位键都可回归到准备状态准备状态时，按下复位键，倒计时在30、60秒之间切换。3.3. 多任务时间戳控制使用定时器TIM1，配置该定时器周期为1ms，中断程序中增加全局变量time的值。程序任何地方都允许读取但不允许修改该值，读取该值便可得到当前运行的时间戳，在主循环中，通过读取当前时间戳和设定时间点大小，即可实现非阻塞式延时或者说是软件定时的功能。3.4. 按键输入3.4.1. 按键中断触发当按键中断被允许的时候，有按键按下，即可触发中断。中断处理中，首先记录时间戳，并关闭按键中断，关闭中断的目的是为了防止按键抖动多次触发中断的软件消抖方式。记录时间戳，用于等待一定时间之后，重新打开按键中断。其次进行行锁存，列扫描，判断出第一个按下的按键和其他“同时”按下的按键。并保存到结构体对应变量中。3.4.2. 3*3按键阵列扫描阵列按键，无法通过读取单独的引脚就能准确判断按下的按键，必须先确定按键所在行，然后依次改变列的输出，再次读取对应行，来判断准确的按键位置。3.5. 数码管输出3.5.1. 三位七段式共阴数码管电路连接上，将三个数码管ag相同的连接在一起，串联1K欧电阻连接到对应IO口，输出高为点亮，输出低为熄灭。COM口下拉为选中，浮空为不选中。3.5.2. 刷新显示设定指定时间间隔，切换com口和输出的ag的编码在切换数码管的时候，先将所有com浮空，然后根据要显示的数值，查表的到对应的ag七位编码，然后将这七位编码控制到IO口上进行输出。最后拉拉低下一个com口，进行电亮显示。依次循环，即可实现刷新显示。外部函数只需要修改“显存”的值即可改变刷新显示的内容，与刷新方式无关、时间要求无关。3.5.3. 十秒显示闪烁在不关闭5ms刷新功能、1000ms倒计时功能，利用时间戳，再加上每250ms切换，编号显示数码管的输出，当显示编号的时候，改为不显示；当为不显示的时候改为编号输出。切换周期为4Hz，则对应闪烁频率为2Hz。据此可实现闪烁警告3.6. 功能切换与保存STM8内置了EEPROM存储器，可以实现断电保存，当切换倒计时时间30/60的时候，同时保存当前倒计时值到EEPROM中，下次开机的时候将会自动读取保存的倒计时值。3.7. 完整代码3.7.1. stm8s_it.cextern void key_IT( void );extern volatile uint32_t get_time, time_key;INTERRUPT_HANDLER(EXTI_PORTD_IRQHandler, 6)time_key = get_time + 20;key_IT();INTERRUPT_HANDLER(TIM1_UPD_OVF_TRG_BRK_IRQHandler, 11)+get_time;TIM1_ClearITPendingBit(TIM1_IT_UPDATE);3.7.2. main.c#include stm8s.h#include stm8s_conf.h#include stm8s_exti.h#include stm8s_it.h#define CONT_NUM60/设置倒计时时间#define KEY_ARRAY_X_MAX3#define KEY_ARRAY_Y_MAX3#define DLED_COM_MAX3#define KEY_X_IO_PIN_ALL(GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6)#define _ledx_off( _dled_x_ )GPIO_WriteLow( dled.io (uint8_t)(_dled_x_) .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( dled.io (uint8_t)(_dled_x_) .pin )#define _ledx_on( _dled_x_ )GPIO_WriteHigh( dled.io (uint8_t)(_dled_x_) .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( dled.io (uint8_t)(_dled_x_) .pin )#define _comx_l( _com_x_ )GPIO_WriteLow( (uint8_t)(_com_x_) .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( (uint8_t)(_com_x_) .pin )#define _comx_h( _com_x_ )GPIO_WriteHigh( (uint8_t)(_com_x_) .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( (uint8_t)(_com_x_) .pin )#define _disable_key_it()( (key_array.key_x0.port)-CR2 &= KEY_X_IO_PIN_ALL)#define _enable_key_it()( (key_array.key_x0.port)-CR2 |= KEY_X_IO_PIN_ALL)typedef struct IO_structGPIO_TypeDef * port;uint8_tpin;IO_TypeDef;typedef struct DLED_structIO_TypeDefio7;uint8_tcom_num;IO_TypeDef*com;DLED_TypeDef;#defineKEY_NONE 0#defineKEY_ONE 1#define KEY_WAIT0xffutypedef struct KEY_ARRAY_structuint8_tx_n, y_n;/行数和列数。行上的引脚用于输入，列用于输出IO_TypeDef*key_x;IO_TypeDef*key_y;_IO uint16_tkey_all;/位存储方式，最低位为按键1，8为复位键uint8_tkey_num;_IO uint8_tkey_state;KEY_ARRAY_TypeDef;typedef enumQDQ_READY = 0,QDQ_REPLAY = 1,QDQ_WARN = 2,QDQ_OUT = 3QDQ_state_TypeDef;typedef struct QDQ_structuint8_tdisplay DLED_COM_MAX ;/提供给DLED刷新函数，刷新显示的值，低位对应最左边一个数码管uint8_tdisplay_com;/当前显示的数码管号，QDQ_state_TypeDefstate;uint8_tcont, lock_n;QDQ_TypeDef;const IO_TypeDefdled_com DLED_COM_MAX = /数码管，三个共阴脚定义GPIOC, GPIO_PIN_3,GPIOB,GPIO_PIN_4,GPIOB,GPIO_PIN_5;const DLED_TypeDef dled = GPIOD,GPIO_PIN_2,/对应数码管agGPIOD,GPIO_PIN_3,GPIOC,GPIO_PIN_6,GPIOC,GPIO_PIN_4,GPIOC,GPIO_PIN_5,GPIOC,GPIO_PIN_7,GPIOD,GPIO_PIN_1,3,dled_com;const uint8_t DLED_tab11 = 0x3Fu,/00x06u,/10x5Bu,/20x4Fu,0x66u,0x6Du,0x7Du,0x07u,0x7Fu,0x6Fu,0x00u/10为不显示;const IO_TypeDefkey_x_io KEY_ARRAY_X_MAX = GPIOD,GPIO_PIN_4,GPIOD,GPIO_PIN_5,GPIOD,GPIO_PIN_6,;const IO_TypeDefkey_y_io KEY_ARRAY_Y_MAX = GPIOA,GPIO_PIN_3,GPIOA,GPIO_PIN_2,GPIOA,GPIO_PIN_1,;KEY_ARRAY_TypeDefkey_array = KEY_ARRAY_X_MAX,KEY_ARRAY_Y_MAX,key_x_io,key_y_io,0;QDQ_TypeDefqdq = 10, 10, 10, 0, QDQ_READY;uint32_t time_s, time_ref, time_key, time_warn;volatile uint32_t get_time = 0;void key_IT( void )static uint8_t i,j, c, tmp;if(key_array.key_state != KEY_NONE)return;_disable_key_it();/关闭中断，交由主线程决定什么时候再次开启按键阵列的中断，可以实现软件防抖c = ( (GPIO_ReadInputData( key_array.key_x 0 .port ) & KEY_X_IO_PIN_ALL;/将所有PD口的输入值同时保存下来，并按位取反（因为低有效）（只适用于行输入引脚都为同一组的情况for( i = 0; i key_array.x_n; +i)if( c & key_array.key_x i .pin )/如果对应的行输入被拉低for( j = 0; j key_array.y_n; +j)/再逐次改变Y列，输出高，再次读取行，如果行值变高，说明，对应YX的按键为按下按键GPIO_WriteHigh( key_array.key_y j .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( key_array.key_y j .pin );if( (GPIO_ReadInputData( key_array.key_x 0 .port) & (uint8_t)( key_array.key_x i .pin )tmp = (key_array.y_n) * i + j;if( 1 = +(key_array.key_state)key_array.key_num = tmp + 1;key_array.key_all |= (uint16_t)(0x0001u tmp);GPIO_WriteLow( key_array.key_y j .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( key_array.key_y j .pin );if(key_array.key_state = KEY_NONE)/如果检测一圈发现，没有检测到任何按键。检测无效，重新开启中断_enable_key_it();/*void key_check( void )/非中断扫描键盘static uint8_t i,j;/*for( j = 0; j key_array.y_n; +j)/Y列，先全部输出高GPIO_WriteHigh( key_array.key_y j .port, (GPIO_Pin_TypeDef)( key_array.key_y j .pin );*/*for( j = 0; j 0; +i);/短暂延时for( i = 0; i = _num )qdq.display_com = 0;c = DLED_tab qdq.display qdq.display_com ;/取要显示的数值对应的编码for( i = 0; i = 0x01u, +i )/从A到G依次输出if( c & 0x01u )_ledx_on( i );else_ledx_off( i );_comx_l( qdq.display_com );void time_down( void )if( get_time time_s )if( 0 = (qdq.display2) )/为0的时候。要借位if( 0 = (qdq.display1) )/十位为0，qdq.state = QDQ_OUT;qdq.display0 = qdq.lock_n;return;qdq.display2 = 9;-(qdq.display1);else-(qdq.display2);if( qdq.state = QDQ_REPLAY & (qdq.display2 = 0) & (qdq.display1 = 1 ) )/倒计时为10的时候，进入WARN状态qdq.state = QDQ_WARN;time_warn = time_s + 250;time_s += 1000;/不以get_time为准，而以原有值为基准，增加精度void rstkey_check( void )if( KEY_NONE != key_array.key_state & KEY_WAIT != key_array.key_state )if( ( 0x0100u & (key_array.key_all) ) | 10 = key_array.key_num )key_array.key_all = 0;qdq.state = QDQ_READY;qdq.display1 = qdq.cont / 10;qdq.display2 = qdq.cont % 10;qdq.display0 = 10;key_array.key_state = KEY_WAIT;void main(void)uint8_t i; /* Initialize I/Os in Output Mode */CLK_HSIPrescalerConfig(CLK_PRESCALER_HSIDIV1);get_time = 0;disableInterrupts();TIM1_TimeBaseInit(16-1, TIM1_COUNTERMODE_UP, 1000-1, 0x00);/启用定时器，设定为1ms为周期，自动增加get_time全局变量的值TIM1_ITConfig(TIM1_IT_UPDATE, ENABLE);TIM1_ClearFlag(TIM1_FLAG_UPDATE);GPIO_Init( GPIOD, (GPIO_Pin_TypeDef)(GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 ), GPIO_MODE_IN_PU_IT );/配置为上拉中断模式EXTI_DeInit();EXTI_SetTLISensitivity(EXTI_TLISENSITIVITY_RISE_ONLY);/下降沿触发中断EXTI_SetExtIntSensitivity(EXTI_PORT_GPIOD, EXTI_SENSITIVITY_FALL_ONLY);enableInterrupts();TIM1_Cmd(ENABLE);/* 引脚模式定义及初始化 */GPIO_Init( GPIOA, (GPIO_Pin_TypeDef)(GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_1), GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST );GPIO_Init( GPIOD, (GPIO_Pin_TypeDef)(GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_1), GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST );GPIO_Init( GPIOC, (GPIO_Pin_TypeDef)(GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7), GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST );GPIO_Init( GPIOB, (GPIO_Pin_TypeDef)(GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5), GPIO_MODE_OUT_OD_HIZ_FAST );time_ref = 0;time_s = get_time + 1000;FLASH_Unlock(FLASH_MEMTYPE_DATA);/解锁EEPROMif( SET != FLASH_GetFlagStatus(FLASH_FLAG_DUL)return;qdq.cont = FLASH_ReadByte(0x4086);uint32_ttmp = 0;tmp |= FLASH_ReadByte(0x4040);tmp |= FLASH_ReadByte(0x4041) 8;tmp |= FLASH_ReadByte(0x4042) 16;tmp |= FLASH_ReadByte(0x4043) 8) & 0x000000ffu);FLASH_ProgramByte(0x4042, (uint8_t)(tmp 16) & 0x000000ffu);FLASH_ProgramByte(0x4043, (uint8_t)(tmp 24) & 0x000000ffu);qdq.display0 = 10;qdq.display1 = qdq.cont / 10;qdq.display2 = qdq.cont % 10;qdq.state = QDQ_READY;key_array.key_state = KEY_NONE; while (1) if( key_array.key_state = KEY_WAIT & (get_time time_key)/延时开启按键中断if( KEY_X_IO_PIN_ALL & (GPIO_ReadInputData( key_array.key_x 0 .port ) )/检测按键是否仍然按住，是则增加延时继续等待松开time_key += 5;elsekey_array.key_state = KEY_NONE;key_array.key_all = 0;_enable_key_it();if(get_time time_ref)/定时刷新数码管dled_ref();time_ref += 5;/当切换间隔为5ms以内的时候，三个数码管的刷新率为66HZ，符合人眼if( qdq.state != QDQ_READY ) & KEY_WAIT != key_array.key_state & KEY_NONE != key_array.key_state & (key_array.key_all & 0x0100u )key_array.key_all = 0;qdq.state = QDQ_READY;qdq.display1 = qdq.cont / 10;qdq.display2 = qdq.cont % 10;qdq.display0 = 10;key_array.key_state = KEY_WAIT;switch( qdq.state )case QDQ_READY:if( KEY_NONE != key_array.key_state & KEY_WAIT != key_array.key_state )/按键不为空的时候，说明有按键按下if( !( key_array.key_all & 0x0100u ) & (key_array.key_num != 10) )/按下的按键不为 复位键时qdq.display0 = qdq.l