【毕业学位论文】(Word原稿)世界杯倒计时牌的仿真设计-计算机科学与技术

牡丹江师范学院学士学位论文 世界杯倒计时牌的仿真设计 姓 名： 李 建 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 世界杯倒计时牌的仿真设计 I 目 录 摘 要 . 文摘要 . 设计要求与方案确定 . 1 计意义 . 1 计要求 . 1 案确定 . 1 2 硬件电路 . 2 片机概述 . 2 片机基础 . 2 片机与单片机系统 . 3 片机的产生与发展 . 3 列单片机介绍 . 4 小系统 . 5 时与中断的概念 . 5 芯片概述 . 7 示电路设计与器件选择 . 7 示器的选择 . 8 动芯片 选择 . 8 键电路设计 . 9 鸣器电路设计 . 9 3 倒计时器的设计 . 10 计时器系统设计方案及框图 . 10 序设计 . 11 程序设计 . 11 计时模块设计 . 12 盘扫描数码管显示程序 . 12 世界杯倒计时牌的仿真设计 倒计时器的设计仿真 . 13 置倒计时初值 . 13 始倒计时 . 14 计时结束报警 . 15 5 总 结 . 16 致 谢 . 17 参考文献 . 18 附录 . 18 世界杯倒计时牌的仿真设计 要 ： 近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断的走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时控制和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本系统由单片机系统、矩阵式键盘、蜂鸣器和 码管显示系统组成。装置利用 片机与 74动器驱动 码管显示。通过按键控制设定倒计时时间，再通过中断控制系统开始 倒计时。当倒计时时间到时，有 驱动蜂鸣器发生报警。为了简化电路，降低成本，采用以软件为主的接口方法。该系统实用、功能灵活多样，可以对计时时间进行实时控制，可广泛的应用与于各种场所的控制设备。 关键词 ： 单片机； 码管显示器；倒计时；报警 世界杯倒计时牌的仿真设计 of up In in CM at In of is a to is of to of ED 4ED of to 1.0 To of is be be in of 界杯倒计时牌的仿真设计 1 1 设计要求与方案确定 计意义 本课题开发的意义在于它既节省了硬件成本，又能实现多种功能。既可以做到倒计时秒表，又可以进行定时，还可以通过扩展完成其他功能，而且功能的相互转换也十分简单。对于厂商，有很大的挖掘潜在价值的空间；对于消费者，也有很大吸引力。 计要求 （ 1）以 列单片机为核心器件，组成一个倒计时系统。 （ 2）系统显示器由 7 位数字型数 码管组成，分别显示时间值的分，秒和 。 （ 3）能够通过小键盘阵列设定倒计时时间。 （ 4）倒计时到，由蜂鸣器发出报警。 案确定 为了实现 示器的数字显示，可以采用静态显示法和动态显示法。由静态显示法要数据锁存器等硬件，接口复杂一些。考虑计时器显示只有 7 位，且系统没有其他复杂的处理任务，所以决定用动态扫描法实现 显示。单片机采用 列，如果要使电池供电的话，则可以采用 列的单片机 1。硬件系统的总体构成框架如下图 示。 图 统总体构架框图 开关电路 按键输入电路 蜂鸣器电路 单片机 动电路 世界杯倒计时牌的仿真设计 2 2 硬件电路 片机概述 单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器随机存储器 只读存储器 中断系统、定时器 /计数器以及 IO（ 口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为 单片微型计算机 ,简称单片机。 单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器 在国际上， “微控制器 ”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯与 “单片机 ”这一名称。 单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调 “ 嵌 ” 的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器 在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。 片机基础 根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型 2。 通用型单片机是一种基本芯片，他的内容资源比较丰富，性能全面而且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品，例如电度表和 读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化。 世界杯倒计时牌的仿真设计 3 片机与单片机系统 单片机通常是指芯片本身，它是芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器 /计数器以及输入 /输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石 英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。 通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组成的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。 片机的产生与发展 1 单片机的产生 电子计算 机的发展经历了从电子管，晶体管，集成电路到大（超大）规模集成电路四个阶段，即通常所说的第一代，第二代，第三代和第四代计算机。现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，因此它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。从 1971 年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向着两个不同的方向发展；一个是向高速，大容量，高性能的高档微机方向发展；而另一个则是向稳定可靠、体积小和价格廉价的单片机方向发展。但是两者在原理和技术上是紧密联系的。 2 单片机的发展 继 1971 年微处理器的研制 成功不久，就出现了单片的微型计算机即单片机，但是最早出现的单片机是一位的， 1976 年 司推出了 8 位的 列单片机，它以体积小、控制功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段，其后，在 功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。到 80 年代末，世界各世界杯倒计时牌的仿真设计 4 地已相继研制出大约 50 个系列 300 多个品种的单片机产品，其中包括 司的6801， 6802， 司的 列， 司的 6501， 6502 等，此外，日本的司，日立公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种。尽管目前单片机的品种很多，但是我用过最多的是 司的 片机系列 3。 列是在基础上于 20 世纪 80 年代初发展起来的，虽然它是 8 位单片机，但其功能较很大的增强。此外，它还具有品种全，兼容性强，软硬件资料丰富等特点，因此应用愈加广泛，成为比 重要的单片机品种，直到现在， 不失为单片机的主流系列。 继 8 位单片机之后，又出现 了 16 位单片机， 1983 年 司推出的 列单片机就是其中的典型代表。与 比， 但字长增加一倍，而且在其他性能方面也有很大提高，特别是芯片内增加了一个 4 路或 8 路得 10 位 A/D 转换的功能。纵观单片机近 30 年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低耗能、低价格、外围电路简单化以及内存储器容量增加方向发展。但其位数不一定会增加，尽管现在已经有了 32 位单片机，但是用的并不多。可以预言，今后单片机将是功能更强，集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便等 特点。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。 列单片机介绍 0片介绍 原生产厂商是 司，最早推出 80片的也是 司，并且作为 一部分，按原 片的规则命名，例如 8080879样我们就能很容易地认识 80系列芯片。 但是后来愈来愈多的厂商生产 80系列芯片，列入 邦等公司。这些芯片都是以 80核心并且与 片兼容，但它们又各具特点。然而由于生产厂家多，芯片的类型也很多，是新片的命名无法在遵循统一的规律，造成我们辨认上的困难。例如 司生产的 80列芯片名称分别为： 80）， 83）； 司命名为 列，芯片型号以 “ 打头；而华邦公司则命名位 列等等 4。 世界杯倒计时牌的仿真设计 5 新一代 80兼容芯片，还在新片中增加了一些外部接口功能单元，例如数 /模转换，可编程计数器阵列，监视定时器，高速 I/O 口，计数器的俘获 /比较逻辑等，有些还在总线结构上也做了重大改进，出现了廉价的非总线型单片机芯片。所有这些使新一代的兼容芯片已远非原来意义上的 80。 目前这些 80兼容芯片已开始在我国使用，其中尤以 司的同名芯片 80其派生产品最受欢迎，而 司的闪速存储型单片机芯片 有取代传统 芯片之势。 小系统 最小系统就是单片机在发挥具体测控功能是所必需的组成部分。如下图 示为最小系统方框图： 图 小系统方框图 时与中断的概念 中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。 向 出中断请求称之为中断源。 一个多中断源的单片机，以 80三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。 复位电路 振荡电路 微型单片机 输入 /输出设备 电源 世界杯倒计时牌的仿真设计 6 1 外中断 外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断 “ 0” 和外部中断 “ 1” 。它们的中断请求信号分别为由引脚 入。 外中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关控制位进行定义。 2 定时中断 定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。 3 串行中断 串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。 4 中断控制 这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制的手段，实际上就是一些专用寄存器。在 片机中，用此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。 5 定时器控制寄存器（ 该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计 数溢出。寄存器地址 88H，位地址 88H。 位地址 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 位符号 个寄存器既有定时器 /计数器的控制功能又有中断控制功能 ， 其中与中断有关的控制位共六位： 及 6 中断允许控制寄存器（ 寄存器地址 地址 8H。 位地址 符号 中与中断有关的控制位共六位 ： 7 中断优先级控制寄存器（ 中断优先级控制只定义了高、低两个优先级。各中断源的优先级由优先寄存器（ 行设定。 存器地址 地址为 8H。寄存器的内容及位地址表示如下： 世界杯倒计时牌的仿真设计 7 位地址 E C 位符号 部中断 0 优先级设定位 时中断 0 优先级设定位 部中断 1 优先级设定位 时中断 1 优先级设定位 串行中断优先级设定位 为 0 的位优先级为低：为 1 的为优先级为高。 8 定时器计数器的控制寄存器 与定时器计数器应用有关的控制寄存器有：定时控制寄存器（ 工作方式控制寄存器（ 。 存器即参与中断控制有参与定时控制。其中有关定时的控制位共有四位： 存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器 /计数器的工作方式。单存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。 芯片概述 一个低功耗，高性能 位单片机，片内含 4k 可反复擦写 1000 次的 读程序存储器，器件采用 司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 令系统及 80脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器 储单元，功能强大的微型计算机的 有如下特点： 40个引脚， 4k 内程序存储器 ， 128随机存取数据存储器（ 32 个外双向输入 /输出（ I/O）口， 4 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口，内部集成看门狗计时器内时钟振荡器 5。 示电路设计与器件选择 世界杯倒计时牌的仿真设计 8 示器的驱动是一个非常重要的问题。犹豫单片机的并行口不能直接驱动 须采用专门的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能够正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行，容易损坏。因此，在实际 中必须接入 动电路。 示器的显示控制方法分为静态显示和动态显示两种，因此在选择 动器时，一定要先确定显示方式。 若选择静态显示，则 动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流匹配即可。而且只需考虑段的驱动，因为共阳极接 +5V，而共阴极接地，所以位的驱动不需要考虑。 动态显示则不同，由于一位数据的显示是有段选和位选信号共同配合完成的，因此，需要时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力 6。 示器的选择 用 7如图 示。 图 观图 动芯片选择 段驱动电路有很多种，可以选择 所存 /译码驱动器作为段驱动器。这类芯片型号有 74747474，这类芯片具有锁存、译码、驱动的功能。本设计中选择 74片电路如图 示。 世界杯倒计时牌的仿真设计 9 键电路设计 按键电路采用矩阵式键盘电路。本设计采用 3*4 的矩阵式电路。 列码扫描，如图 示。 图 键电路 鸣器电路设计 设计要求倒计时时间要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。选用电平式蜂鸣器 7。 蜂鸣器电路与单片机的接口：蜂鸣器的输入接 ，另一端接地。当 时，图 4脚图 世界杯倒计时牌的仿真设计 10 蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣声。当 时，蜂鸣器不发声。连接图如图 示。 鸣器电路 3 倒计时器的设计 计时器系统设计方案及框图 设计时可采用模块化程序设计方案。模块划分时应遵循下述原则： （ 1）每个模块应用具有独立的功 能，能产生一个明确的结果。 （ 2）模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量减少。控制参数是指模块进入和推出繁荣条件及方式，数据参数是指模块间的信息交换方式、交换量的多少及交换的频繁程度。 （ 3）模块长度适中。模块语句的长度通常在 20100 条较适合。模块太长时，分析和调试比较困难，失去了模块化程序结构的优越性；模块太短则信息交换太频繁，也不适合 8。 （ 4）根据模块的划分原则，将该程序划分成 4 个模块，如图 示。 世界杯倒计时牌的仿真设计 11 图 计时器设计框 图 序设计 程序设计 主程序设计一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。 （ 1） 程序的起始地址 列单片机复位后，（ =0000H， 而 0003H002别为个中断源的入口地址。所以，编程池应在 0000H 处写一跳转指令。 当 受到中断请求信号并予以响应后， 当前的 容压入栈中进行保护，然后转入响应的中断服务程序处执行。一般在响应的中断服务程序入口处写一条跳转指令，并以跳转指令的目标地址 作为中断服务程序的起始地址进行编程。 （ 2）主程序的初始化内容 所谓初始化，是对用到的单片机内部部件或拓展芯片进行初始工作状态设定。 在本例中，使用了两个中断，即 中： 断：采用 时中断工作方式，完成倒计时。 断：采用 时中断工作方式，完成蜂鸣器报警。 （ 3）主程序流程图如图 示 主程序 当前时间倒计时模块 输入倒计时时间模块 数码管动态扫描模块 蜂鸣器报警模块 世界杯倒计时牌的仿真设计 12 计时模块设计 （ 1）定时器 数初值 数初值为： 65536； 655361 计数初值为： 65536； 65536作方式 0000001H=01H （ 2）流程图如图 示 盘扫描数码管显示程序 设置个中断服务程序入口地址 主程序 相关寄存器 设置数码显示初始状 按键扫描 显示按下的数字 进行倒计时 报警 时间到零否 始倒计时 寄存器清零 设置定时器 0 工作方式 判断按键次数 启 动 定时器 0 关 闭 定时器 0 断 等待中断 发声提示达到最大值 1 次 2 次 3 次 N 图 程序流程图 图 计时程序流程图 世界杯倒计时牌的仿真设计 13 （ 1）程序设计思路：先扫描矩阵式键盘的行码，再扫描列码，并显示在数码管的分数值位。 （ 2）按键去抖动的处理。由于机械触点的弹性作用，在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间长短由按键的机械特性决定，一般为 510按键稳定闭合时间长短则是由操作 人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次，为了确保 键的一次闭合仅作一次处理，键抖动可用硬件和软件两种方法消除。本设计采用软件方法，程序如图 示 9。 图 键去抖框图 4 倒计时器的设计仿真 置倒计时初值 开始 有键闭合？ 调用延时字程序 有键闭合？ 确定 闭合的 N N Y 世界杯倒计时牌的仿真设计 14 图 值设置时的外观图 始倒计时 图 计时过程中的外观图 世界杯倒计时牌的仿真设计 15 计时结束报警 图 值设置时的外观图 世界杯倒计时牌的仿真设计 16 5 总结 该倒计时器是基于定时而设计的实现计时报警的装置。由键盘扫描、动态 示电路、报警三大部分构成。装置利用 片机遇 74动器构成电路，以实现对计时时间的控制。同时装置还用一个由电平控制的报警装置，用以实现倒计时时间到时进行声音提示。 本装置的最大特点是实时性强，可操作性好。因为采用了矩阵式键盘控制，能够随时改变倒计时时间，所以装置能够应对不同的要求而做出相应的调整，以适应不同的环境。 看实物要辩证的看。本装置也存在一些缺点值得注意。如当按键开关出现问题时，系统会出现错误，甚至误报警。 如果能采取红外线控制则可避免这一问题。 一般倒计时器并不是单独使用，可以与一些需要到定时报警的大型装置相互配合使用，实现其自身的价值。定时报警装置越来越受人们关注，从计时几秒到几小时不等，所选用的器件个不同，功能越来越先进。所以，将单片机技术与实际结合起来，具有非常广阔的应用前景。 在做本次毕业设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做单片机设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我 们一切都要有据可依，有理可循，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。 世界杯倒计时牌的仿真设计 17 致 谢 单片机毕业 设计，是对单片机知识的验证，可以帮助我们理解巩固所学知识，激发我们单片机课程的兴趣，更锻炼了我们独立思考、开拓创新的能力。 通过这次 设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极地影响。其次，这次 毕业 设计让我充分认识到合作的重要性，只有合作才能保证整个项目的有条 不絮。在设计过程中，非常感谢同学们的指导，才使设计进展的比较顺利。 另外在毕业 设计的构成中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总能耐心的讲解，给我的设计以极大的帮准，使我获益匪浅。因此非常感谢 曹望成 老师的教导。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。 世界杯倒计时牌的仿真设计 18 参考文献 1余永权 列单片机应用技术 北京：北京航空航天大学出版社， 2002 2沈红卫 单片机应用 系统设计实例与分析 北京：北京航空航天大学出版社 ， 2003 3吴金戎 8051 单片机实践与应用 北京：清华大学出版社， 2002 4胡汉才 单片机原理及系统设计 北京：清华大学出版社， 2002 5何希才 新型集成电路应用实例 M 北京：电子工业出版社， 2002 6马中梅 单片机的汇编语言程序设计 北京：北京航空航天大学出版社， 2004 7公茂法 单片机接口实例集 北京：西安电子科技大学出版社， 2004 8李朝青 单片机原理与接口技术 北京： 北京航天航空大学出版社， 2004 9胡学海 单片机原理及应用系统设计 M北京： 北 京电子工业出版社， 2005 世界杯倒计时牌的仿真设计 1