基于FPGA的电子抢答器的设计毕业论文.doc

基于基于 FPGAFPGA 的电子抢答器的设计毕业论文的电子抢答器的设计毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 课题研究的相关背景 1 1 2 选题的目的和意义 1 1 3 课题研究的内容 1 1 4 国内外研究现状 2 1 5 抢答器目前存在的主要问题 3 第二章 抢答器的系统概述 4 2 1 系统的主要功能与分析 4 2 2 抢答器的工作流程 5 2 3 器件选型方案及详细清单 7 2 4 AT89C51 特殊功能寄存器 7 2 5 AT89C51 的功能及简介 8 2 5 1 89 系列单片机的概况 8 2 5 2 AT89C51 单片机的内部结构图 10 2 5 3 各类型单片机的比较分析 11 2 5 4 AT89C51 单片机 12 2 6 抢答器的优点及组成 13 第三章 系统总体方案的设计 14 3 1 硬件电路的设计与原理图 14 3 2 时钟频率电路的设计 15 3 3 复位电路与显示电路的设计 16 3 4 键盘扫描电路的设计 19 3 5 发声 20 3 6 系统复位 20 第四章 软件设计 24 4 1 主程序系统结构图 24 4 2 软件任务分析 24 4 3 程序流程图 25 4 4 主要程序分析 26 第五章 PROTEUS 仿真系列组图 35 系统仿真图 35 第六章 总结 38 附 录 39 参考文献 49 致 谢 50 1 第一章 绪论 1 1 课题研究的相关背景 抢答器是一种应用非常广泛的设备 在各种竞赛 抢答场合中 它能迅速 客观地分辨出最先获得发言权的选手 早期的抢答器只由几个三极管 可控硅 发光管等组成 能通过发光管的指示辩认出选手号码 现在大多数抢答器均使 用单片机 如MCS 51型 和数字集成电路 并增加了许多新功能 如选手号码显 示 抢按前或抢按后的计时 选手得分显示等功能 本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统 利用单片机的定 时器 计数器定时和记数的原理 将软 硬件有机地结合起来 使得系统能够 正确地进行计时 同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码 用开关做键 盘输出 扬声器发生提示 系统达到要求 在抢答中 只有开始后抢答才有效 如果在开始抢答前抢答为无效 抢答限定时间和回答问题的时间可是在1 99s 设定 可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答 正确按键后有音乐提示 抢 答时间和回答问题时间倒记时显示 时间完后系统自动复位 按键锁定 在有 效状态下 按键无效非法 1 2 选题的目的和意义 通过这次课程设计 掌握 51 单片机的原理 了解简单多功能抢答器组成原 理 初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法 提高动手能力和排除故障的能 力 同时通过本课题设计与装配 调试 提高自己的动手能力 巩固已学的理 论知识 建立单片机理论和实践的结合 了解多功能抢答器各单元电路之间的 关系及相互影响 从而能正确设计 计算定时计数的各个单元电路 初步掌握 多功能抢答器的调整及测试方法 提高动手能力和排除故障的能力 1 3 课题研究的内容 本系统采用模块化设计智能抢答器 在抢答比赛中广泛应用 各组分别有 一个抢答按钮 主持人有开始和结束 复位键 在后台主持人可以修改 抢答 时间和选手回答问题的时间设置 原始状态下抢答时间为 15s 回答问题时间 为 10s 通过加键和减键修改上述时间 改完后结束键确定 新时间开始有效 2 主持人按键开始后 选手开始抢答为有效 数码显示屏显示抢答时间倒计时和 选手号 在最后五秒扬声器发生提示 如果主持人没有按下开始键而选手就抢 答视为犯规 数码显示屏显示犯规者的代号 扬声器持续发生 主持人可按键 结束 新一轮抢答开始 通过研究并在设计验证后发现 采用单片机技术设计的抢答器与目前常用 的抢答器相比 首先 电路连接简单 因为大多数功能单元都通过程序设计在 单片机内部 第二 工作性能可靠 抗千扰能力优于目前抢答器 所以本研究 是一个实用的工程设计 具有创新性 本论文章节的结构和内容如下 第一章 绪论 简要介绍了抢答器的发展现状 说明了本课题研究的内容 第二章 抢答器系统概述 说明了抢答器的工作过程和主要功能 并定下 了本课题要达到的设计目标 第三章 抢答器的硬件电路的设计 详细描述了本课题各个组成电路单元 的设计 第四章 抢答器的软件设计 并编程序 第五章 Proteus仿真 仿真出结果 结论 总结课题设计 指出设计中的一些问题 提出改善的意见 并展望 抢答器的未来设计 后其号码只有数码或指示灯显示 没有语音提示 本课题就是为了解决以 上 3 个问题 设计了六路抢答器 1 4 国内外研究现状 抢答器作为一种电子产品 早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合 但 目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作 可靠性低 实现起来很困难 有的则用一些专用的集成块 而专用集成块的购买又很困难 为适应高校等多 代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器 这种抢答器具有电路简单 元件普通 易于购买等优点 很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题 在国内外已经开始了普遍的应用 1 5 抢答器目前存在的主要问题 随着改革开放事业的不断深入 促使人们学科学 学技术 学知识的手段 3 多种多样 抢答器作为一种工具 已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合 但 抢答器的使用频率校低 且有的要么制作复杂 要么可靠性低 减少兴致 作 为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受 但每年使用的次数极少 往往因长期存放使 电子器件的 抢答器损坏 再购置的麻烦和及时性就会影 响活动的开展 但目前多数抢答器存在 3 个不足之处 第一 现场线路连接复杂 因为每 个选手位于抢答现场的不同位置 每个选手与控制台之间要有长长的连接线 选手越多 连接线就越多 越乱 这些连接线不仅影响了现场的美观 而且降 低了抢答器的可靠性 增加了安装的难度 甚至影响了现场人员的走动 第二 电路复杂 因为单片机只完成号码处理 计时 数据运算等功能 其它功能如 选手号码的识别 译码 计分显示等仍只能通过数字集成电路完成 采用单片 机扫描技术识别选手抢按号码时 电路的延迟时间较大 第三 选手抢按成功 4 第二章 抢答器的系统概述 2 1 系统的主要功能与分析 本系统是借用单片机采用模块化设计的智能抢答器 主控与参赛者设为终 端分系统 参赛者分系统设有 抢答按纽 计时显示 提示功能等 根据需要 可另设或多设相关功能 主控分系统有 开始与结束控制按钮 时限设定 各种相关显示调控功能等 根据需要也可另设或多设相关功能 参赛者系统 除享有抢答按纽的权利功能外 1 还有人性化的提示功能和 时间提示功能 也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等 主控 系统的控制按钮做开始与结束控制 根据活动参赛者的层次 对提前抡答者的 行为设定为非法或阻隔 若设有非法抢答控制功能时 在主控处带有公示性显 示的非法抡答者的台位号 对抢答限时及回答问题限时设为倒计时式 并有公 示性显示 图 2 1 系统主要功能模块 本系统采用模块化设计智能抢答器 在抢答比赛中广泛应用 各组分别有 一个抢答按钮 主持人有开始和结束复位键 在后台主持人可以修改 抢答时 间和选手回答问题的时间设置 原始状态下抢答时间为 15s 回答问题时间为 10s 通过加键和减键修改上述时间 改完后结束键确定 新时间开始有效 主 控 制 器 LED 显示 声生器 键盘显示 时钟频率 复位电路 5 主持人按键开始后 选手开始抢答为有效 数码显示屏显示抢答时间倒计时和 选手号 在最后五秒扬声器发生提示 如果主持人没有按下开始键而选手就抢 答视为犯规 数码显示屏显示犯规者的代号 扬声器持续发生 主持人可按键 结束 新一轮抢答开始 系统的主要功能模块方框图如 2 1 所示 抢答主板 抢答主板是整个抢答器的核心 其关键是单片机 AT89C51 内 部电路设计用汇编语言编写 它完成了时间参数的设定 抢按号码的译码 保 存 显示 输出 抢按及答题倒计时功能等 显示及指示 本设计中 有一个共阴的数码管组 四个数码管 其中两个 显示时间 一个空位 一个显示抢答号码 主持人依次按下复位键 RESET 开始键后开始抢答 可以抢按 超时数码管显示 FFF 当抢按超过规定时间 或答题超过规定时间后数码管显 FFF 若有选手在规定时间内抢按成功 则 可以答题 数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码 若在按开始键前抢答 表示违规 数码管显示 FF 并显示选手号码 1 在抢答中 只有开始后抢答才有效 如果在开始抢答前抢答为无效 2 抢答限定时间和回答问题的时间可是在 1 99s 设定 3 可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答 正确按键后有音乐提示 4 抢答时间和回答问题时间倒记时显示 时间完后系统自动复位 5 按键锁定 在有效状态下 按键无效非法 2 2 抢答器的工作流程 抢答器的基本工作原理 在抢答竞赛或呼叫时 2 有多个信号同时或不同 时送入主电路中 抢答器内部的寄存器工作 并识别 记录第一个号码 同时 内部的定时器开始工作 记录有关时间并产生超时信号 在整个抢答器工作过 程中 显示电路 语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号 抢答器的工作流程分为 系统复位 正常流程 违例流程等几部分 如图2 2 所示 下面分别予以介绍 6 图2 2 抢答器工作流程 1 如果想调节抢答时间或答题时间 按 加一 键或 减一 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 减 1s 键 时间 LED 上会显示改变后的时间 调整范围为 加载程序 运 行 行 开始 开始数码管显 示 FFF 开始抢 按时间倒计时 开始前有选手抢按 显示违例选手号 码并伴有语音报 警 倒计时结 束 超时 有选手 抢按 显示 FFF显示选手号码 倒计 时时间 语音报警 答 题 答题时间倒计时 正常流程违规流程 若超过答题 时间 则数 码管显示 FFF 答题完毕 根据选手表现 规 则由主持人减分 7 0 99s 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 15s 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 10s 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 LED 上不断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停 直到按下 停止 键为止 总而言之 本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了 抢答器 该抢答器增加了新功能 提高了系统的可靠性 简化了电路结构 节 约了成本 是一个实用的工程设计 2 3 器件选型方案及详细清单 微控制器选用 ATMAL 公司生产的 AT89C51 该芯片货源充足 并且价格也 比较便宜 如表 2 1 所示 2 4 AT89C51 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器也称专用寄存器 是具有特殊功能的所有寄存器的集合 简称 SFR Special Function Register 特殊功能寄存器共含有 22 个不同 寄存器 它们的地址分配在 80H FFH 中 即在 RAM 地址中 这些寄存器的名 称和地址见表 2 2 表 2 1 器件选型方案的详细清单 8 器件名称 规格型号 数量 微处理器 AT89C51 1 电阻 3WTT10K 8 电容 30PF 3 晶振 12MHZ 1 按钮 11 反相器 3 7段数码管 7SEG MPX4CC 4 扬声器 1 虽然特殊功能寄存器地址在 80H FFH 之中 但在 80H FFH 的地址单元中 不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用 未被占用的单元 其内容是不确定 的 如果对这些单元进行操作 得到的是一些随机数 而写入则无效 所以 用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元 它们是公司留待将来开 发新产品时使用的 2 5 AT89C51 的功能及简介 2 5 1 89 系列单片机的概况 AT89C51 单片机是 ATMAL 公司 89 系列单片机的一种 8 位 Flash 单片机 它 最大特点是片内含有 Flash 存储器 用途十分广泛 特别是在生产便携式商品 手提式仪器等方面 有着十分广泛的应用 3 1 89 系列单片机的特点 89 系列单片机是以 8031 为内核的产品 它与 51 系列单片机是兼容的 89 系列单片机具有以下特点 a 内部含有 Flash 存储器 使用户在开发过程中十分容易修改程序缩短 系统的开发周期 可以重复多次编程 可根据需要对内部程序进行更新或升级 b 89 系列单片机的引脚和 AT80C51 引脚座兼容 用 89 系列单片机可以代 替同档次的 AT80C51 单片机 不需要对外围电路进行改动 9 表 2 2 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符 号地 址注 释 ACCE0H 累加器 BF0H 乘法寄存器 PSWD0H 程序状态字 SP81H 堆栈指针 DPL82H 数据存储器指针低 8 位 DPH83H 数据存储器指针高 8 位 IEA8H 中断允许控制器 IPD8H 中断优先控制器 P080H 端口 0 P190H 端口 1 P2A0H 端口 2 P3B0H 端口 3 PCON87H 电源控制及波特率选择 SCON98H 串行口控制器 SBUF99H 串行数据缓冲器 TCON88H 定时器控制 TMOD89H 定时器方式选择 TL08AH 定时器 0 低 8 位 TL18BH 定时器 1 低 8 位 TH08CH 定时器 0 低 8 位 TH18DH 定时器 1 高 8 位 注 带 号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器 c 89 系列单片机采用静态时钟方式 可以节省电能 降低便携式设备的 功耗 2 89 系列单片机的结构简介 89 系列单片机的内部结构与 AT80C51 相近 主要有以下部件 1 8031CPU 2 振荡电路 3 总线控制部件 4 中断控制部件 5 片内 Flash 存储器 6 片内 RAM 7 并行 I O 接口 8 定时器 9 串行 I O 接口 89 系列的各种型号单片机 内部差别很大 例如 AT89C1051 片内 Flash 存储器只有 1KB 而 AT89C52 AT89LV52 和 AT89S8252 的片内 Flash 存储器有 8KB AT89S8252 的结构最复杂 它的内部含有标准的串行口 还有一个串行的 外围接口 SPI Watchdog 定时器 双数据指针等部件 以及电源下降的中断恢 10 复功能 89 系列的单片机一共有五种型号 分别为 AT89C51 AT89LV51 AT89C52 AT89LV52 和 AT89S8252 其中 AT89LV51 和 AT89LV52 分别是 AT89C51 和 AT89C52 的低压产品 最低电压可以低 2 7V AT89C1051 和 AT89C2051 则是抵挡的低压产品 只有 20 根引脚 89 系列单片机的型号编码中字母的意义是 AT 表示该器件是 ATMEL 公司 的产品 C 表示该器件是 CMOS 产品 LV 表示该器件是低电压产品 S 表示该器 件含可以下载的 Flash 存储器 AT89C51 是 89 系列单片机的标准型 它是与 MSC 51 系列单片机兼容的 在内部含有 4KB 或 8KB 可重复编程的 Flash 存储器 可进行 1000 次擦写操作 全静态工作为 0 24MHZ 有 3 级程序锁存器 内部含有 128 256 字节的 RAM 有 32 条可编程 I O 口线 2 3 个 16 位定时 计数器 6 8 个中断源 通用的串 行接口 低电压空闲及电源下降方式 AT89C51 是基本型 具有 4KB 的 Flash 存储器 128 字节的片内 RAM 32 条 可编程 I O 口 两个个 16 位定时 计数器 6 个中断源 3 位存储器加密 一 个可编程串行接口 AT89C52 在 AT89C52 的基础上 增加了一个定时 计数器 2 个中断源 128 字节的片内 RAM 4KB 的 Flash 存储器 2 5 2 AT89C51 单片机的内部结构图 AT89C51 单片机内部由 CPU 4KB 的 FPEROM 128B 的 RAM 两个 16 位的 定时 计数器 T0 和 T1 4 个 8 位的 I O 端 P0 P1 P2 P3 等组成 单片微机 内部最核心的部分是 CPU CPU 主要功能是产生各种控制信号 控制存储器 输入 输出端口的数据传输 数据的算术运算 逻辑运算以及位操作处理等 CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分 控制器由程序计数器 PC 指令储 存器 指令译码器 实时控制与条件转移逻辑电路等组成 它的功能是对来自 存储器中的指令进行译码 通过实时控制电路 在规定的时刻发出各种操作所 需的内部和外部的控制信号 使各部分协调工作 完成指令所规定的操作 运 算器由算术逻辑器部件 ALU 累加器 ACC 暂存器 程序状态字寄存器 PSW BCD 码运算调整电路等组成 11 外部定 时元件 复位 中断 电源 系统时钟 ROM CPU 定时 计数器 串行 I O 口 并行 I O 口 RAM 图 2 3 AT89C51 单片机的内部结构图 为了提高数据处理和位操作功能 片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专 用寄存器 还增加了位处理逻辑电路的功能 3 其内部结构如图 2 3 所示 2 5 3 各类型单片机的比较分析 如表 2 3 所示 以下各种类型的单片机内除 CPU 外 还包括 ROM RAM 4 8 I O 口和 2 个 16 位定时 计数器 它们都是功能很强的单片微 型计算机 但由于 80C51 片内为掩膜 ROM 故内部程序不能改写 不用于实验 开发 87C51 具有片内 EPROM 是真正的单片微机 但由于价格较贵 且程序 改写时要用紫外线擦除 时间较长 所以用得较少 80C31 在市场上的价格很 低 但片内没有 ROM 必须在片外扩展一片 EPROM 非常不便 AT89C51 片内具 有可电擦除的 FPEROM 可以快速 多次地编程 且价格不高 所以用得非常广 泛 目前开发用的 MCS 51 产品绝大多数用 89C51 4 表 2 3 单片机主要性能的比较 型号 ROM 形式 片 内 ROM 片内 RAM 寻址 范围 定时 计数 I O 口 串行 I O 口 外部 中断 80C31 接 ROM 4K1282 64 K 2 164UART2 12 80C51ROM4K1282 64 K 2 164UART2 87C51EPRO M 4K1282 64 K 2 164UART2 89C51FPER OM 4K1282 64 K 2 164UART2 2 5 4 AT89C51 单片机 AT89C51 是一种低功耗 高性能的含有 4KB 闪速可编程电擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的 8 位 CMOS 微控制器 使用高密度 非易失存储技术制造 并且与 80C51 指令系统和 引脚完成兼容 芯片上的 FPEROM 允许在线或采用通用的非易失存储编程器对 程序存储器重复编程 1 AT89C51 的主要性能包括 AT89C51 与 MCS 51 控制器系列产品兼容 片内有 4K 可在线重复编程闪速电擦除存储器 Flash Memory 存储器可循 环写入 擦除 1000 次 存储器数据保存时间可达 10 年 工作电压范围宽 Vcc 可由 2 7V 到 6V 全静态工作可由 0Hz 到 16MHz 程序存储器具有 3 级锁存保 护 128 8 位内部 RAM 32 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 中断 结构具有 5 个中断源和 2 个中断优先级 可编程全双工串行通信 空闲状态维 持低功耗和掉电状态保存存储内容 2 FPEROM 的编程 AT89C51 的 I O 口 P0 P1 P2 和 P3 除具有与 80C51 相同的一些性能和用途外 在 FPEROM 编程时 P0 口接收代码字节 并在程序 检验时输出代码字节 但在程序校验时需要外部上拉负载电阻 在 FPEROM 编 程和程序校验期间 P1 口接收低位地址字节 P2 口接收高位地址字节和一些 控制信号 P3 口也接收一些 FPEROM 编程和校验用的信号 此时 ALE PROG 引脚 是编程脉冲输入 PROG 端 在 FPEROM 编程期间 如果选择 12V 编程电压 那么 EA Vpp 引脚也允许接受 12V 编程电压 Vpp 13 2 6 抢答器的优点及组成 在知识比赛中 特别是做抢答题目的时候 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 相差几微秒 也可分辨出哪组优先答题 本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理 以及它的实际用途 系统工作原理本系统采用 AT89C51 单片机作为核心 控制系统的四 个模块分别为 存储模块 显示模块 语音模块 抢答开关模块 该抢答器系统通过开关 电路六个按键输入抢答信号 利用存储程序来完成软件的设计 利用一个数码管来完成显 示功能 工作时 用按键通过开关电路输入各路的抢答信号 经单片机的处理 输出控制 信号 控制数码管和语音芯片工作 在数码管上显示哪一组先答题 并通过语音系统读出 第 N 组请答题 从而实现整个抢答过程 14 第三章 系统总体方案的设计 3 1 硬件电路的设计与原理图 本设计分为硬件设计和软件设计 5 这两者相互结合 不可分离 从时间 上看 硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段 到后期往往还要做一些修改 只要技术准备充分 硬件设计的大返工是比较少的 软件设计的任务贯彻始终 到中后期基本上都是软件设计任务 随着集成电路技术的飞速发展 各种功能 很强的芯片不断出现 使硬件电路的集成度越来越高 硬件设计的工作量在整 个项目中的所占的比重逐渐下降 为使硬件电路设计尽可能合理 应注意以下 几方面 1 尽可能采用功能强的芯片 以简化电路 功能强的芯片可以代替若干 普通芯片 随着生产工艺的提高 新型芯片的的价格不断下降 并不一定比若 干普通芯片价格的总和高 2 留有设计余地 在设计硬件电路时 要考虑到将来修改扩展的方便 因为很少有一锤定音的电路设计 如果现在不留余地 将来可能要为一点小小 的修改或扩展而被迫进行全面返工 3 程序空间 选用片内程序空间足够大的单片机 本设计采用 AT89C51 单片机 4 RAM 空间 AT89C51 内部 RAM 不多 当要增强软件数据处理功能时 往往觉得不足 如果系统配置了外部 RAM 则建议多留一些空间 如选用 8155 作 I O 接口 就可以增强 256 字节 RAM 如果有大批数据需要处理 则应配置足 够的 RAM 如 6264 62256 等 随着软件设计水平的提高 往往只要改变或增 加软件中的数据处理算法 就可以使系统功能提高很多 而系统的硬件不必做 任何更换就使系统升级换代 只要在硬件电路设计初期考虑到这一点 就应该 为系统将来升级留足够的 RAM 空间 哪怕多设计一个 RAM 的插座 暂不插芯片 也好 5 I O 端口 在样机研制出来后进行现场试用时 往往会发现一些被忽 视的问题 而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的 如有些新的信号需要 采集 就必须增加输入检测端 有些物理量需要控制 就必须增加输出端 如 15 果在硬件电路设计就预留出一些 I O 端口 虽然当时空着没用 那么用的时候 就派上用场了 图 3 1 系统原理图 P1 0 为开始抢答 9 P1 7 为停止 P1 1 P1 6 为六路抢答输入 数码管段 选 P0 口 位选 P2 口低 3 位 蜂鸣器输出为 P3 6 口 P3 2 为时间加 1 调整 P3 3 为时间减 1 调整 3 2 时钟频率电路的设计 单片机必须在时钟的驱动下才能工作 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 决定单片机的工作速度 16 图 3 2 为外部振荡源电路 一般选用石英晶体振荡器 此电路在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振 在 XTAL2 引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号 其振荡频率主要由石英晶振 的频率确定 电路中两个电容 C1 C2 的作用有两个 一是帮助振荡器起振 二是 对振荡器的频率进行微调 C1 C2 的典型值为 30PF 单片机在工作时 由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑 单元的时钟信号的周期称为时钟周期 其大小是时钟信号频率的倒数 常用 fosc 表示 如时钟频率为 12MHz 即 fosc 12MHz 则时钟周期为 1 12 s 3 3 复位电路与显示电路的设计 单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端 只要将该端持续 4 个机器周期的高电 平即可实现复位 复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态 其电路图如图 4 所示 图 3 3 复位电路 17 值得注意的是 在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能 由上面 的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 而前面的 功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能 该功能的实现的前提条件就是不能 对单片机进行硬件复位 所以设定了软复位功能 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序执行的起始地址 显示功能与硬件关系极大 当硬件固定后 如何在不引起操作者误解的前 提下提供尽可能丰富的信息 全靠软件来解决 显示模块在系统软件中的安排 操作者主要设计从显示设备上获取微机系统的信息的 因此 操作者每操 作一下 显示设备商都应该有一定的反应 这说明 显示模块与操作有关 即 监控程序是需要调用显示模块 不同的操作需要显示不同的内容 这又说明各 执行模块对显示模块的驱动方式是不同的 另一方面 在操作者没有进行操作 时 显示内容也是变化的 如显示现场各物理量的变化情况 这时显示模块不 是由操作者通过命令键来驱动 而是由各类自动执行的功能模块来驱动 自动 执行的各类模块在安排在各种中断子程序中 这就是说 各种中断子程序也要 调用显示模块 如果监控安排在中断子程序中 两者的要求就统一了 问题比 较好解决 如果监控程序安排在主程序中 在监控程序调用显示模块的过程中 发生了中断 中断子程序也调用显示模块 这时就容易出问题 一种比较妥善 的办法是只让一处调用显示模块 其他各处均不得直接调用显示模块 但有权 申请显示 这就要设置一个显示申请标志 当某模块需要显示时 将申请标志 置位 同时设定有关显示内容 或指针 由于一处调用显示模块 故不会发 生冲突 为了使显示模块能及时反应系统需要 应将显示模块安排在一个重复 执行的循环 如监控循环或时钟中断子程序 中 当监控程序 键盘解释程序 安排在时钟中断子程序中时 处理比较方便 只要在监控程序的汇合处调用显 示模块就可以了 例如用 DISP 作显示申请标志 就可以这样安排显示模块的 调用 即 DISP BIT 2DH 4 显示申请标志 SKEYEND JNB DISP RETI0 有显示申请否 LCALL DISPLAY 调用显示模块 更新显示内容 CLR DISP 清除申请 RETI0 RETI 中断返回 18 KEYEND 为键盘解释程序的最后汇集点 这时如果发现有显示申请 就进行 集中操作 更新显示内容 否则就跳过这一步 这里将显示功能集中到一起 作为一个功能模块 就要求它的功能全面 能根据系统软件提供的信息自动完成显示内容的查找 变换和输出驱动 这样 设计使得各功能模块都不必考虑显示问题 只要给出一个简单的信息 如显示 格式编码 甚至不用再提供额外信息 直接利用当前状态变量和软件标志就可 以完成所需的显示要求 如果编写这样一个集中显示模块有困难 也可以将显示模块编小一些 只 完成显示缓冲区的内容输出到显示器件上的工作 这时各功能模块在提出显示 申请时 还需要将显示内容按需要的格式送入显示缓冲区中 这样分而治之比 较容易编程 但要小心出现显示混乱 例如后台程序需要调用显示 将有关信 息送入到现实缓冲区进行显示 中断返回后 后台程序继续送完后半部分显示 内容 但前半部分内容已经变了 这样就出现了显示错误 解决的办法是 在 申请显示前 先检查是否已经有显示申请 如果有 就不再申请 等待下次机 会 如果没有 则先申请标志位 再将显示内容送入显示缓冲区 这时就不必 担心其他前台模块来打扰了 就可以得到一次完整的显示机会 在这里我们使用的是七段数码管显示 通常在显示 6 上我们采用的方法一 般包括两种 一种是静态显示 一种是动态显示 其中静态显示的特点是显示 稳定不闪烁 程序编写简单 但占用端口资源多 动态显示的特点是显示稳定 性没静态好 程序编写复杂 但是相对静态显示而言占用端口资源少 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 P0 口为字型码输入端 P2 口低 3 位为字选段输入端 在这里我们通过查表将字型码送给 7 段数码管显 示的数字 数码管显示原理如下 MOV A R5 MOVC A A DPTR 查字型码 MOV P2 01H 送位选码 MOV P0 A 送字型码 ACALL DELAY 调延时 去闪烁 19 图 3 4 共阴极数码管 在七段数码管显示中可分为共阳极和共阴极两种类型极 以共阴为例 要 想 a 段亮 向 a 段送 1 就是 返之送 0 共阳刚好相反 3 4 键盘扫描电路的设计 键盘是人与微机系统打交道的主要设备 关于键盘硬件电路的设计方法也 可以在文献和书籍中找到 配合各种不同的硬件电路 这些书籍中一般也提供 了相应的键盘扫描程序 站在系统监控软件设计的立场上来看 仅仅完成键盘 扫描 读取当前时刻的键盘状态是不够的 还有不少问题需要妥善解决 否则 人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象 在单片机应用中键盘用得 最多的形式是独立键盘及矩阵键盘 图 3 5 独立键盘 20 它们各有自己的特点 其中独立键盘硬件电路简单 而且在程序设计上也不复杂 一 般用在对硬件电路要求不高的简单电路中 矩阵键盘与独立键盘有很大区别 首先在硬件 电路上它要比独立键盘复杂得多 而且在程序算法上比它要烦琐 但它在节省端口资源上 有优势得多 因此它更适合于多按键电路 其次就是消除在按键过程中产生的 毛刺 现 象 这里采用最常用的方法 即延时重复扫描法 延时法的原理为 因为 毛刺 脉冲一 般持续时间短 约为几 ms 而我们按键的时间一般远远大于这个时间 所以当单片机检测 到有按键动静后再延时一段时间 这里我们取 10ms 后再判断此电平是否保持原状态 如果 是则为有效按键 否则无效 键盘抖动的软件处理 按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动 这是触点的逻辑电平是不稳定 的 如不妥善处理 将会引起按键命令的错误执行或重复执行 现在一般均用 软件延时的方法来避开抖动阶段 这一延时过程一般大于 5ms 例如取 10 20ms 如果监控程序中的读键操作安排在主程序 后台程序 或键盘中断 外 部中断 子程序中 则该延时子程序便可直接插入读键过程中 如果读键过程 安排在定时中断子程序中 就可省去专门的延时子程序 利用两次定时中断的 时间间隔来完成抖动处理 3 5 发声 我们知道 声音的频谱范围约在几十到几千赫兹 7 若能利用程序来控制 单片机某个口线的 高 电平或低电平 则在该口线上就能产生一定频率的矩 形波 接上喇叭就能发出一定频率的声音 若再利用延时程序控制 高 低 电平的持续时间 就能改变输出频率 从而改变音调 使喇叭发出不同的声音 3 6 系统复位 使 CPU 进入初始状态 从 0000H 地址开始执行程序的过程叫系统复位 从 实现系统复位的方法来看 系统复位可分为硬件复位和软件复位 硬件复位必 须通过 CPU 外部的硬件电路给 CPU 的 RESET 端加上足够时间的高电位才能实现 上电复位 人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位 硬件复位后 各专 用寄存器的状态均被初始化 且对片内通用寄存器的内容没有影响 但是 硬 件复位还能自动清除中断激活标志 使中断系统能够正常工作 这样一个事实 21 却容易为不少编码人员所忽视 软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功 能 最后通过转移指令使程序从 0000H 地址开始执行 对各专用寄存器的复位 操作是容易的 也没有必要完全模拟 可根据实际需要去主程序初始化过程中 完成 而对中断激活标志的清除工作常被遗忘 因为它没有明确的位地址可供 编程 有的编程人员用 020000 LJMP 0000H 作为软件陷阱 认为直接转向 0000H 地址就完成了软件复位 就是这类错误的典型代表 软件复位是使用软 件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作 这时程序出错完全有可能发生在中断 子程序中 中断激活标志已置位 它将阻止同级中断响应 由于软件看门是高 级中断 它将阻止说要中断响应 由此可见清除中断激活标志的重要性 在所有的指令中 只有 RETI 指令能够清除中断激活标志 前文各处提案 到的出错处理程序 ERR 主要完成这一功能 其他的善后工作交由复位后的系统 去完成 这部分程序如下 POWER DATA 67H 上电标志存放单元 ERR CLR EA 关中断 MOV DPTR ERR1 准备返回地址 PUSH DPL PUSH DPH RETI 清除高级中断激活标志 ERR1 MOV POWER 0AAH 重建上电标志 CLR A 准备复位地址 PUSH ACC 压入复位地址 0000H PUSH ACC RETI 清除低级中断激活标志 从程序 0000H 开始执行 有复位时系统的历史状况 可将复位分为 冷启动 和 热启动 冷 启动 时 系统的状态全部无效 进行彻底的初始化操作 而 热启动 时 对系统的当前状态进行修复和有选择的初始化 系统初次上电投入运行时 必 须是 冷启动 以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为 热启动 初次 上电投入运行时 必须是 冷启动 以后由抗干扰措施引起的复位操作一般 均为 热启动 为了使系统能正确决定采用何种启动方式 常用上电标志来 区分 如图 3 6 所示 22 复位 关中断 设定堆栈 上电标志 冷启自检 全面初始 化 热启动恢复被破 坏的信息部分初 始化 建立上电标志 开始运转 图 3 6 系统复位策略图 上电标志 是软件标志 如上述程序中 用在 POWER 中存放的特定数据 0AAH 作为 上电标志 这时复位后的主程序如下 MAIN CLR EA 关中断 MOV SP 67H 设定堆栈 MOV PSW 0 设定 0 区工作寄存器 MOV A 0AAH MAIN0 SJMP MAIN 有上电标志 进行热启动 MAIN0 无上电标志 进行冷启动 自检 全面初始化 SJMP MAIN3 MAINH 热启动过程 恢复现场 部分初始化 23 MAIN3 MOV POWER 0AAH 建立上电标志 LOOP 开工循环 LJMP LOOP 24 系统初始化模块 按键模块 非 法 抢 答 模 块 正 确 抢 答 模 块 调 整 抢 答 时 间 调 整 回 答 时 间 模 块 数码显示模块 第四章 软件设计 4 1 主程序系统结构图 图 4 1 软件系统结构图 4 2 软件任务分析 软件任务分析和硬件电路设计结合进行 哪些功能由硬件完成 哪些任务 由软件完成 在硬件电路设计基本定型后 也就基本上决定下来了 软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划 从软件的功能来看可分 为两大类 一类是执行软件 它能完成各种实质性的功能 如测量 计算 显 示 打印 8 输出控制和通信等 另一类是监控软件 它是专门用来协调各执 行模块和操作者的关系 在系统软件中充当组织调度角色的软件 这两类软件 的设计方法各有特色 执行软件的设计偏重算法效率 与硬件关系密切 千变 25 万化 软件任务分析时 应将各执行模块一一列出 并为每一个执行模块进行功 能定义和接口定义 输入输出定义 在各执行模块进行定义时 将要牵扯到 的数据结构和数据类型问题也一并规划好 各执行模块规划好后 就可以监控程序了 首先根据系统功能和键盘设置 选择一种最适合的监控程序结构 相对来讲 执行模块任务明确单纯 比较容 易编程 而监控程序较易出问题 这如同当一名操作工人比较容易 而当一个 厂长就比较难了 软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块 整个系统 软件可分为后台程序 背景程序 和前台程序 后台程序指主程序及其调用的 子程序 这类程序对实时性要求不是太高 延误几十 ms 甚至几百 ms 也没关系 故通常将监控程序 键盘解释程序 显示程序和打印程序等与操作者打交道 的程序放在后台程序中执行 而前台程序安排一些实时性要求较高的内容 如 定时系统和外部中断 如掉电中断 也可以将全部程序均安排在前台 后台 程序为 使系统进入睡眠状态 以利于系统节电和抗干扰 4 3 程序流程图 在本设计中包括了以下八个主要的程序 主程序 非法抢答序 抢答时间 调整程序 回答时间调整程序 倒计时程序 正常抢答处理程序 犯规处理程 序 显示及发声程序 9 主流程图如 4 2 所示 26 显示 FFF 开始键按下 加一键按下 减一键按 下 回 答 时 间 调整 抢 答时 间 去抖动 非法 抢 答处 理 显 示 犯 规 正 常 抢 答 显示抢 答 号并倒 计时 Y Y Y 初始化 图 4 2 程序设计流程图 4 4 主要程序分析 主程序 ORG 0040H MAIN MOV R1 0FH MOV R2 0AH MOV TMOD 11H MOV TH0 0F0H 27 MOV TL0 0FFH MOV TH1 3CH MOV TL1 0B0H 50ms 为一次溢出中断 10 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB EX0 SETB EX1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0 非法抢答处理程序 FALSE1 ACALL BARK MOV R3 01H AJMP ERROR FALSE2 ACALL BARK MOV R3 02H AJMP ERROR FALSE3 ACALL BARK MOV R3 03H AJMP ERROR FALSE4 ACALL BARK MOV R3 04H AJMP ERROR FALSE5 ACALL BARK MOV R3 05H AJMP ERROR FALSE6 ACALL BARK MOV R3 06H AJMP ERROR 28 抢答时间调整程序 INT0 抢答时间 R1 调整程序 INT0SUB MOV A R1 MOV B 0AH DIV AB MOV R5 A MOV R4 B MOV R3 0AH ACALL DISPLAY JNB P3 2 INC0 P3 2 为 1s 键 如按下跳到 INCO JNB P3 3 DEC0 P3 3 为 1s 键 如按下跳到 DECO JNB P1 7 BACK0 P1 7 为确定键 如按下跳到 BACKO AJMP INT0SUB INC0 MOV A R1 CJNE A 63H ADD0 如果不是 99 R2 加 1 如果加到 99 了 R1 就置 0 重新加起 MOV R1 00H ACALL DELAY1 AJMP INT0SUB ADD0 INC R1 ACALL DELAY1 AJMP INT0SUB DEC0 MOV A R1 JZ SETR1 如果 R1 为 0 R1 就置 99 DEC R1 ACALL DELAY1 AJMP INT0SUB SETR1 MOV R1 63H ACALL DELAY1 AJMP INT0SUB BACK0 RETI 29 回答时间调整程序 INT1 回答时间 R2 调整程序 INT1SUB MOV A R2 MOV B 0AH DIV AB MOV R5 A MOV R4 B MOV R3 0AH ACALL DISPLAY JNB P3 2 INC1 JNB P3 3 DEC1 JNB P1 7 BACK1 AJMP INT1SUB INC1 MOV A R2 CJNE A 63H ADD1 MOV R2 00H ACALL DELAY1 AJMP INT1SUB ADD1 INC R2 ACALL DELAY1 AJMP INT1SUB DEC1 MOV A R2 JZ SETR2 DEC R2 ACALL DELAY1 AJMP INT1SUB SETR2 MOV R2 63H ACALL DELAY1 AJMP INT1SUB BACK1 RETI 倒计时程序 30 COUNT MOV R0 0000 MOV TH1 3CH MOV TL1 0B0H RECOUNT MOV A R6 R6 保存了倒计时的时间 之前先将抢答时间或回答时间 给 R6 MOV B 0AH DIV AB 除十分出个位 十位 MOV 30H A 十位存于 30H MOV 31H B 个位存于 31H MOV R5 30H 取十位 MOV R4 31H 取个位 MOV A R6 SUBB A 07H JNC LARGER 大于 5s 跳到 LARGER 小于等于 5s 会提醒 MOV A R0 CJNE A 0AH FULL 1s 中 0 5s 向下运行 CLR RING AJMP CHECK FULL CJNE A 14H CHECK 下面系 1s 的情况 响并显示号数并清 R0 重新 计时 SETB RING MOV A R6 JZ QUIT 计时完毕 MOV R0 00H DEC R6 一秒标志减 1 AJMP CHECK LARGER MOV A R0 CJNE A 14H CHECK 如果 1s 向下运行 否者跳到查 停 显示 DEC R6 计时一秒 R6 自动减 1 MOV R0 00H CHECK JNB P1 7 QUIT 如按下停止键退出 ACALL DISPLAY 31 JB OK ACCOUT 如果是抢答倒计时 如是则查询抢答 否者跳过查 询继续倒数 AJMP RECOUNT ACCOUT JNB P1 1 TRUE1 5 JNB P1 2 TRUE2 JNB P1 3 TRUE3 JNB P1 4 TRUE4 JNB P1 5 TRUE5 JNB P1 6 TRUE6 AJMP RECOUNT QUIT CLR OK 如果按下了 停止键 执行的程序 CLR RING AJMP START 正常抢答处理程序 TRUE1 ACALL BARK 按键发声 MOV A R2 MOV R6 A 抢答时间 R2 送 R6 MOV R3 01H CLR OK 因为答题的计