【毕业学位论文】(Word原稿)八路抢答器的仿真设计-计算机科学与技术

牡丹江师范学院学士学位论文 八路抢答器的仿真设计 姓 名： 尚怀徽 指导教师： 曹望成 系 别： 计算机科学与技术系 年 级： 2006 级 专 业： 计算机科学与技术 八路抢答器的仿真设计 I 目 录 摘 要 . 文摘要 . 系统设计 . 1 答器的硬件设计要求 . 1 件控制系统及所需元件 . 1 验原理 . 2 机交互程序设计 . 5 答器系统软件的流程图 . 5 答数码显示软件设计 . 6 统源程序设计 . 7 2 各模块方案选择和论证 . 8 答器显示模块 . 8 制模块 . 9 源方案的选择 . 10 答器电盘的选择 . 11 3 抢答器的电路设计 . 13 答电路模块 . 13 答按键模块的设 计 . 14 4 单片机 . 15 片机的应用技术 . 15 片机干扰防护 . 16 用隔离技术 . 16 确的接地措施 . 16 5 总结 . 17 致 谢 . 18 参考文献 . 19 附录 . 20 八路抢答器的仿真设计 要 ： 电子智能抢答积分器在 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 。如果 在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微妙，也可以分辨出哪组优先答题。本设计使用 片机来设计只能抢答器，组数可以在八 组以内任意使用。并用具有倒计时和时间设置及报警功能。利用 示等功能。分别从硬件和软件两方面阐述了该控制系统 的设计方法，并经过调试和运行使 该系统达到预期目标，具有反应快、功能齐全、实用性强的特点。 关键词 ： 抢答 ； 设计 ； 优先 八路抢答器的仿真设计 in in to or s it is to a to If by on is to to of to if a of be of a of of of to a 路抢答器的仿真设计 1 1 系统设计 系统设计主要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，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，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。 在系统设计中设 计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用 51 系列单片机，因此使用 语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围 大、可移植性好等特点。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。 答器的硬件设计要求 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 8表示。设置一个系统清除和抢答控制按扭，该按扭由主持人控制。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 时扬声器发出报警声响提示 1。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。 件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。其中单八路抢答器的仿真设计 2 片机 系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作 系统的核心器件是 其外围接上复位电路、上拉电阻、数码管、按钮及扬声器。元件为：晶振 容 阻 裁判控制 ,分别是抢答停止和开始键。 8 组抢答的输入口 , 为数码管的段选口 ,位选口用的是 输出 ,外部中断 0、 1 和 抢答记时调整口 ,实现的对个队进行计时，并且加减调整 ,外部中断 0， 1 实现了答题时间调整 别实现了时间的加一和减一 蜂鸣器的控制口 2。 验原理 智力竞赛抢答器 用单片机来设计制作完成 ， 由于其功能的实现主要通过软件编程来完成 ， 采用单片机 它是低功耗、高性能的 8 位单片机。片内带有 4 储器 ， 且允许在系统内改写或用编程器编程。该 智力竞赛抢答器的准确度很高，其误差主要由晶振自身的误差所造成。 片机由微处理器，存储器， I/O 口以及特殊功 能寄存器 部分构成。其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间，片内程序存储器的容量为 4内数据存储器为 128 个字节。 89片机有 4 个 8 位的并行I/O 口： ， ， 和 。各个接口均由接口锁存器，输出驱动器，和输入缓冲器组成。 是唯一的单功能口，仅能用作通用的数据输入 /输出口。 是双功能口除了具有数据输入 /输出功能外，每条接口还具有不同的第二功能，如 是串行输出口线。在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时， 作为分时 复用的低 8 位地址 /数据总线 ， 可作为高 8 位的地址总线。 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。 管脚如图 1 八路抢答器的仿真设计 3 图 1管脚图 外部振荡电路单片机必须在 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 1 图 1外部振荡电路 外部中断和内部中断并存，单片机有硬件复位端 ,只要输入持续 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及存储器的值都恢复到了初始值 。 应为本设计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。只能用软复位。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。 复位电路采用图 1示： 八路抢答器的仿真设计 4 图 1复位电路采用 外部还接有蜂鸣器（由于缺少驱动器，发生器不响，所以，用绿灯换了）用来发出报警音，其图形如图 1 图 11） 外部还接有蜂鸣器 图 12） 外部还接有蜂鸣器 采用七段码 7示，它 是共阴极的由高电平点亮。图形如图 1路抢答器的仿真设计 5 图 1七段码 7示 采用八个 钮作为抢答的选择按键如图 1示： 图 1八个 钮作为抢答的选择按键 机交互程序设计 系统的人机交互程序设计，主要是解决按键的扫描与信息的显示，让操作者能够灵活地控制系统工作。键盘用来输入指令，发光数码管用来显示单片机的状态，这是一个比较简单的人机交互形式。 答器系统软件的流程图 抢答组数可以在八组以内任意使用，其流程如图 1 八路抢答器的仿真设计 6 图 1抢答组数使用流程 答数码显示软件设计 采用静态显示，显示器由 9 个共阳极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线 移位信号 。 9 个串 /并移位寄存器芯片 74尾相连，了九位共阳极七段数码管，共阳极数码管的 8 个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻，这里的限流电阻选为 100。数码显示程序流程如图 1 八路抢答器的仿真设计 7 图 1数码显示程序流程 统源程序设计 智力竞赛抢答器要求有计时记忆功能 ， 一次时间设置完 ， 复位后不需重新进行时间设定，通过键盘扫描输出按键信息 ， 再通过单片机将它转换成能在七段数码管上显示字型码 。 当抢答完毕时 ， 会在数码管上显示抢答者数字号码提示以表示抢答成功 。 同时显示其分数 ， 分数的加减可由裁判手动进行 。 采用独立式键盘 ， 可实现 8 路抢答 。 在显示时使用的是七段数码管显示在本设 计中根据实际情况采用的是动态显示方法 。 并通过查表法将其在数码管上显示出来 ， 其中 为字型码输入端 ， 低 6 位为字选段输入端 。 通过查表将字型码送给 7 段数码管显示的数字。软件去抖动 ， 如果 “开始键 ”按下就向下执行 ,否者跳到开始。采用倒计时程序，使其具有倒计时功能。回答倒八路抢答器的仿真设计 8 计时 30 秒。抢答时间 5 秒。采用发声警报（由于发生器不响，所以，用绿灯换了），起到报警作用。 1、如果想调节抢答时间或答题时间 ， 按 “抢答时间调节 ”键或 “答题时间调节 ”键进入调节状态 ， 此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值 ， 如想加一秒按一下 “加1s”键 ， 如果想减一秒按一下 “，时间 会显示改变后的时间，调整范围为0s99s， 0s 时再减 1s 会跳到 99， 99s 时再加 1s 会变到 0s。 2、主持人按 “抢答开始 ”键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设 30s 抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设 60s 抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于 5s 会每秒响一下提示音 。 3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按 “停止 ”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按 “抢答开 始 ”进入下次抢答计时。 4、如果主持人未按 “抢答开始 ”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答， 不断闪烁 犯规号数并响个不停，直到按下 “停止 ”键为止。 5、 开始抢答， 停止， 八路抢答输入数码管段选 ，位选 低 3 位，蜂鸣器输出为 。 答时间调整结， 答时间调整，时间加 1 调整， 时间减 1 调整。 2 各模块方案选择和论证 答器显示模块 在步进电机控制过程中，系统需要对运行的时间和转向、相数做必要的显示。我们考虑 有以下两种显示方案。 方案一： 使用液晶屏显示时间。液晶显示屏（ 有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能八路抢答器的仿真设计 9 有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。 方案二： 在使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（ 低 ）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。数码显示是采用 码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。 静态显示，电路图中所示。显示器由 9 个共阳极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线 移位信号 9 个串 /并移位寄存器芯片 74片的并行输出作为 码管的段码 74引脚图如图 2示： 图 274引脚 图 74 8 位串入并出移位寄存器， 1、 2 为串行输入端， 并行输出端， 移位时钟脉冲上升沿移入一位； 清零端，低电平时并行输出为零 4。根据以上的论述，采用方案二。 制模块 控制器主要用于各模块控制对 显示、抢答等。 控制器的选择有以下两钟方案。 方案一： 采用 场可编程门列阵）作为系统的控制器 5。 以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用 件仿真、调试，易于进行功能扩展。 高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高， 高速处理的优 势得不到充八路抢答器的仿真设计 10 分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二： 采用 司的 为系统控制器的 案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。引脚图如图 2示： 图 2引脚图 基于以上分析拟订方案二。 源方案的选择 系统需要多个电源， 用 5V 稳压电源，驱动芯片需要 5压驱动，步进电机等需要 12V 稳压电源。 方案一： 采用升压型稳压电路。用两片 片分别将 3V 的电池电压进行直流崭波调压，得到 5V 和 12V 的稳压输出。只需使用两节电池，既节省了电八路抢答器的仿真设计 11 池，又减小系统体积重量但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。 方案二： 采用三端稳压集成 7805 与 7812 分别得到 5V 和 12V 的稳定电压。利用该方法方便简单，工作稳定可靠。 综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。 答器电盘的选择 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。 方案一： 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 8 根 I/，该键盘就有 8 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 11： 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， 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/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。 方案二 ：行列式键盘 八路抢答器的仿真设计 12 图 2行列式 键 盘 行列式键盘是用 N 条 I/O 线作为行线， M 条 I/O 线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是 M*N 个。这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中 I/O 的利用率，列线接 列适用于按键输入多的情况。 键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式，即只有在 闲是时才去扫描键盘，响应操作人员的键盘输入，但 执行应用程序的过程中，不能响应键盘输入，对键盘的扫描 可以采用定时方式，即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘扫描一次，这样控制方式，不管键盘上有无键闭合， 是定时的关心键盘状态。 在大多数情况下， 键盘可能进行空扫描。为了提高 效率而又能及时响应键盘输入，可以采用中断方式，既 时不必扫描键盘，只要当键盘上有键盘闭合时就产生中断请求，向 请中断后，立即对键盘上有键盘进性扫描，识别闭合键，并做相应的处理。 根据以上的论述，采用方案一，在本系统中采用了独立式键盘，其按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰 ,如图 2示 ： 0123456789 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7行列式键盘 八路抢答器的仿真设计 13 图 2独立式键盘 3 抢答器的电路设计 答电路模块 抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用查询式键盘进行抢答。通过抢答按键模块，连接按键进行抢答。其工作原理为：主持人按清零键后，选手可按键抢答，单片机锁存信号，屏蔽外界信号，串显示编号。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。抢答器原理如图 3 八路抢答器的仿真设计 14 图 3抢答器 原理 答按键模块的设计 抢答按键模块的设计是通过利用光电耦合器，光电偶合器的输入 /输出之间没有接触，能有效地防止输入端的电磁干扰以电藕合的方式进入应用系统 6，而且光电偶合器的输入阻抗很小，干扰源的内阻很大，所以能输入到光电偶合器的干扰电压很小。把单片机信号和按钮的信号隔开，采用 +12V 电源给单片机开关量的控制。其原理图如图 3 八路抢答器的仿真设计 15 图 3入隔离电路 4 单片机 片机的应用技术 单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元 （ 简称 微机的核心部件。 上存放程序和数据的存储器、输入 /输出（ 简称 I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统 7。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。 八路抢答器的仿真设计 16 片机干扰防护 单片机应用系统在实际工作过程中，难免会受到各种外部或内部的干扰， 使系统发生异常情况。比如，因干扰使程序指针发生错误时，可能会将非操作码执行，造成程序执行的混乱（跑飞）或进入死循环，甚至可能会损坏元器件。 干扰窜入应用系统的主要渠道有三条：通过电磁波辐射窜入系统的空间干扰；通过输入 /输出通道窜入的通道干扰；电源的干扰。 用隔离技术 对于供电系统的干扰，可以采用交流稳压器、不间断电源（ 隔离变压器、底通虑波器等，以防止电源电压的波动和干扰噪声；在直流电源的抗干扰措施中，对应用系统中的不同等级的直流电源采取集成稳压块单独供电，以避免模块间的互相影响，使直流开 关电源、 换器以加强隔离提高电源稳定性等 8。 在单片机应用系统的输入 /输出通道中，普遍采用通道隔离技术来防止通道干扰。其中应用较多的是光电耦合器 9。光电耦合器的输入 /输出之间没有接触，能有效地防止输入端的电磁干扰以电耦合的方式进入应用系统，而且光电耦合器的输入阻抗很小，干扰源的内阻很大，所以能输入到光电偶合器的干扰电压很小。 确的接地措施 在低频电路中，因寄生电抗的影响不大，常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。 在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地，即使一个芯片上有两种地 也要分别接地，然后再在一点处把两种分别连接起来。 在研制印刷电路板时，对地线的分布、形状、长度和宽度等也有一定的要求，比如地线要呈辐射状，避免环行，地线要宽，连接旁路电容的地线不要太长等。 单片机应用系统中的数字地、模拟地（低电平电路地）、大功率电气设备等强电设备的地（噪声地）、机壳或其他金属构件的屏蔽地应分开布置并在一点上和电源地相连。每个单元宜采用一个接地点，地线应尽量加粗以减少地线的阻抗 10。 八路抢答器的仿真设计 17 在采用屏蔽双绞线传递信号时，应将地与工作地连在一起。要注意只能在一个点接地，以免形成回路，在屏蔽体上产生 较大的噪声。 5 总结 通过这次毕业设计。我们小组设计智能抢答器，采用了单片机技术、数字电子、模拟电子、制作电路板等相关技术。把在学校 四年所学知识连成一串。理论联系实践，体现出 动手能力。通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可 以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我 学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。把握重点、攻克难关，学到用到 、活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处，硬件设计已经完成，在软件设计中有些功能还尚未开发出来。但在以后的工作中，我们会严格要求自己，追求完美。 八路抢答器的仿真设计 18 致 谢 当我以学子的身份踏入校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下 “谢辞 ”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的学校生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。读书生涯不知不觉中就要结束了，在这 段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。在这的最后一页里，首先感谢党、感谢学校给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我们的指导教师，你们从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。在此， 我 要感谢 曹望成老师 在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这 大学最后的 生活。 八路抢答器的仿真设计 19 参考文献 1 康华光 ， 邹寿彬 电子技术基础数字部分（第四版） M 北京 ： 高等教育出版社 ， 2005 2 谢自美 电子线路设计实验测试 (第二版 ) M 上海 ： 电子工业出版社 ， 2001