【正文】 式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速 處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。 方案二：采用 AT89C51 作為系統(tǒng)控制器的 CPU 方案。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng) 、 軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 基于以上分析，本次設(shè)計(jì)我采用方案二。 顯示模塊的選擇 顯示模塊主要是顯示時(shí)間和編號(hào)?？紤]有以下兩種顯示方案。 方案一：使用液晶屏顯示時(shí)間。液晶 顯示屏（ LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫(huà)面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但由于只需要顯示時(shí)間和轉(zhuǎn)向、相數(shù)這樣的數(shù)字，信息量比較少，且液晶 屏 是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。在使用時(shí)，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶顯示芯片，不易維護(hù)。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維 護(hù) 的優(yōu)點(diǎn) ，同時(shí)其精度高，稱量快，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。數(shù)碼顯示是采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 根據(jù)以上的論述，我采用方案二。 鍵盤的選擇 鍵盤是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。鍵盤按結(jié)構(gòu)形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產(chǎn)生鍵碼，而后者則用硬件方法來(lái)產(chǎn)生鍵碼。在單片機(jī)中使用的都是非編碼鍵盤，因?yàn)榉蔷幋a鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，非編碼鍵盤的類型很多，常用的有獨(dú)立式鍵盤，行列式鍵盤等。 方案一：獨(dú)立式鍵盤 獨(dú)立式 鍵盤接口中使用 幾 根 I/O 線，就 有幾個(gè)按鍵，這種類型的鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤中各按鍵的工作互不干擾。因此可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)鍵盤中的按鍵靈活編碼。獨(dú)立式鍵盤的缺點(diǎn)是需要占用比較多的 I/O口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或 I/O口線比較富余時(shí)，可以采用這樣類型的鍵盤 。 方案二：行列式鍵盤 行列式鍵盤是用 N 條 I/O 線作為行線， M 條 I/O 線作為列線組成的鍵盤， 按鍵 在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上 。 這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效 地 提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率 。 6 CPU 對(duì)鍵盤的掃描可以采用取程序控制的隨機(jī)方式，即只有在 CPU 空閑是時(shí)才去掃描鍵盤，響應(yīng)操作人員的鍵盤輸入 ,即利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器每隔一定時(shí)間對(duì)鍵盤掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤上有無(wú)鍵閉合， CPU 總是定時(shí)的關(guān)心鍵盤狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，CPU 對(duì)鍵盤可能進(jìn)行空掃描。為了提高 CPU 的效率而又能及時(shí)響應(yīng)鍵盤輸入，可以采用中斷方式， 即 CPU 平時(shí)不必掃描鍵盤，只要當(dāng)鍵盤上有鍵盤閉合時(shí)就產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，向 CPU申請(qǐng)中斷后，立即對(duì)鍵盤上有鍵盤進(jìn)性掃描，識(shí)別閉合鍵，并做相應(yīng)的處理。 根據(jù)以上的論述，我采用方案一。 芯片最終選擇方案 根據(jù)上幾節(jié)的論證，通過(guò)綜合考慮，我們的芯片選擇如表 21。 表 21 器件選擇方案詳單 器件名稱 規(guī)格型號(hào) 數(shù)量 微處理器 AT89C51 1 電阻 220 歐姆 8 8K 1 1K 1 瓷片電容 30pF 2 電解電容 10uF 1 晶振 12MHZ 1 按鈕 CD4013 15 器件名稱 規(guī)格型號(hào) 數(shù)量 七段數(shù)碼管 7SEGMPXCC 4 蜂鳴器 1 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)單概述 AT89C51 單片機(jī)屬于 51 系列單片機(jī)，本次設(shè)計(jì)所用的核心元件即為 AT89C51，本節(jié)主要介紹了 AT89C51 的管腳功能。 51 系列單片機(jī)的功能特性 MSC51 單片機(jī)是美國(guó)英特爾公司于 1980 年起推出的第二代產(chǎn)品。與 8084 相比， 8051的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)均有很大改進(jìn)，可支持更大存儲(chǔ)空間擴(kuò)充了更多的 I/O 功能，速度提 7 高了 25 倍。 1. 主要特性： (1) 適于控制應(yīng)用的 8 位 CPU。 (2) 擴(kuò)展的邏輯處理能力。 (3) 4KB 片內(nèi)程序存儲(chǔ)空間。其片外可尋址的范圍為 64KB，主要用于存放已編程的程序，也可存放一些原始數(shù)據(jù)和表格。 (4) 128B 的片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM。其片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為 64KB 用于存放可讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果和最終結(jié)果。 (5) 32 根雙向可單獨(dú)尋址的輸入輸出線。 (6) 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器。它可以設(shè)置為計(jì)數(shù)方式，對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置為定時(shí)方式進(jìn)行定時(shí)。 (7) 全雙工異步發(fā)送 /接收器。 (8) 具有 5 個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)，它可以接收外部中斷請(qǐng)求、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)和串行口中斷申請(qǐng)。 2. 程序指令 AT89C51 單片機(jī)的時(shí)序單位有四個(gè)，分別是節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。 節(jié)拍與狀態(tài)： 我們把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍 (P)，振蕩脈沖經(jīng)過(guò)兩個(gè)分頻后即得到整個(gè)單片機(jī)工作系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，把時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為狀態(tài) (S)，這樣一個(gè)狀態(tài)就有兩個(gè)節(jié)拍，前半個(gè)周期相應(yīng)的節(jié)拍我們定義為 P1，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍定義為 P2。 機(jī)器周期： AT89C51 有固定的機(jī)器周期，規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期有 6 個(gè)狀態(tài)，分別表示為 S1S6，而一個(gè)狀態(tài)包含兩個(gè)節(jié)拍，那么一個(gè)機(jī)器周期就有 12 個(gè)節(jié)拍，即一個(gè)機(jī)器周期包含 12 個(gè)振蕩脈沖，即機(jī)器周期就是振蕩脈沖的 12 分頻，如果使用 12MHZ 的時(shí)鐘頻率，一個(gè)機(jī)器周期就是1us。 AT89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)說(shuō)明 AT89C51 單片機(jī)的管腳圖如圖 21 所示： 8 圖 21 AT89C51 單片機(jī)管腳圖 ? P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路雙向 I/O 口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)用作 8 位低地址線和數(shù)據(jù)總線。 ? P1 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，向 P1 口寫(xiě)入 “1”時(shí)， P1口被內(nèi)部電路上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸出口時(shí)，被外部拉低的 P1口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻的存在而輸出電流。 ? P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部電路上拉為高電平，可作輸入口。當(dāng)作為輸出口時(shí)，被外部拉低的 P2 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻的存在而輸出電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口可作為地址總線的高八位地址線。 ◆ P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1”后，它們被內(nèi)部電路上拉為高電平，并用作輸入口。當(dāng)作為輸出口時(shí)，被外部拉低的 P3 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻的存在而輸出電流。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外 部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） ? RST：復(fù)位 信號(hào) 輸入 端 。當(dāng)振蕩器 工作 時(shí)， RET 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ? ALE/PROG： ALE 是地址鎖存允許信號(hào)。它的作用是把 CPU 從 P0 口分時(shí)輸出的低 8 9 位地址鎖存在鎖存器中。 在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6，可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)。 如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。此 時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果 CPU在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 ? /PSEN： 讀片外 程序存儲(chǔ)器選通信號(hào) 輸出端 。 當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)， /PSEN將產(chǎn)生負(fù)脈沖作為外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào) 。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 和內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)， /PSEN 無(wú)效 。 ? /EA/VPP： 讀片內(nèi)與片外程序存儲(chǔ)器的選擇端。當(dāng) /EA 為高電平時(shí)，低 4KB 的地址為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器單元，高于 4KB 以上的地址為片外程序存儲(chǔ)器單元；當(dāng) /EA 為低電平時(shí)，則只能讀片外程序存儲(chǔ)器。 ? XTAL1： 片內(nèi)振蕩電路 反向 放大器的輸入 端，采用外部時(shí)鐘時(shí)該引腳接地。 XTAL2： 片內(nèi)振蕩電路反向放大器的輸出端，采用外部時(shí)鐘時(shí)該引腳為振蕩信號(hào)的輸入端。 硬件的構(gòu)成及功能 本節(jié)主要介紹了搶答器的硬件部分的設(shè)計(jì)，硬件部分的