【正文】 ..........................37 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前 言 在電子科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，高科技產(chǎn)品越來越多的應(yīng)用在我們的日常生活中，每時每秒我們都能感受到產(chǎn)品的更新?lián)Q代。產(chǎn)品乃至技術(shù)革新的日新月有都讓人對以相信。象日常我們工作所用的電腦、手機(jī)等等，這些高科技產(chǎn)品給我們帶來了極大的方便，但這要?dú)w功于科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展。 數(shù)顯搶答器是我們所要的畢業(yè)設(shè)計課題。數(shù)顯搶答器整個電路包括開關(guān)編碼電路、譯碼顯示電路、鎖存控制電 路、復(fù)位控制電路和聲音提示電路五部分。數(shù)顯搶答器涉及到《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》和《電路分析》中的相關(guān)知識。本文介紹的八路數(shù)顯搶答器 電路設(shè)計新穎 具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作方便、靈敏可靠等優(yōu)點(diǎn) ,經(jīng)使用效果良好 ,具有較高的推廣價值，適用于工廠、學(xué)校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽 ,為競賽的公平公正提供有利的保證。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 第 1 章 緒論 單片機(jī)搶答器的背景 二十世紀(jì)跨越了三個 “ 電 ” 的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機(jī)，簡稱 PC 機(jī)。它 由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡單運(yùn)算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機(jī)械的 “ 肚子 ” 里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞 —— “ 智能型 ” ，如智能型洗 衣機(jī)等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡 在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。 在知識競賽中，特別是做搶答題時，在搶答過程中，為了 更確切的 知道哪一組或哪一位選手先 搶 答 到 題，必須要有一個系統(tǒng)來完成這個任務(wù)。若 在搶答中，只靠人的視覺 （或者是聽覺） 是很難判斷出哪 一 組 （或哪一個選手） 先 搶 答 到 題 的 。利用單片機(jī) 編程 來設(shè)計搶答器， 可以 使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也 能輕松的 分辨出哪 一組（或哪個選手）先搶 答 到 題 的 。本文主要介紹了搶答器的工作原理及設(shè)計，以及它的實際用途。 單片機(jī)搶答器的意義 本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為整個控制核心?？刂葡到y(tǒng)的四個模塊為：顯示模塊、存儲模塊、語音模塊、搶答開關(guān)模塊。該系統(tǒng)通過開關(guān)電路四個按鍵輸入搶答信號；利用一個數(shù)碼管來完成顯示功能 ；用按鍵來讓選手進(jìn)行搶答 ，在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題 的 ，從而實現(xiàn)整個搶答過程。 在知識洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 比賽中， 特別是做搶答題目的時候， 在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設(shè)計一個系統(tǒng)來完成這個任務(wù)。如果在搶答中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。利用 單片機(jī)系統(tǒng)來設(shè)計搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本文主要介紹了單片機(jī)搶答器設(shè)計及工作原理，以及它的實際用途 。系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)采用 89c52 單片機(jī)作為核心?？刂葡到y(tǒng)的四個模塊分別為：存儲模塊、顯示模塊、語音模塊、搶答開關(guān)模塊。該搶答器系統(tǒng)通過開關(guān)電路四個按鍵輸入搶答信號； 利用一個數(shù)碼管來完成顯示功能。工作時，用按鍵通過開關(guān)電路輸入各路的搶答信號，經(jīng)單片機(jī)的處理， 輸出控制信號，單片機(jī)控制的智能搶答器設(shè)計 。 搶答器的應(yīng)用 隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā) 展，在很多公開競爭場合要求有公正的競爭裁決，諸如證券、股票交易及各種智力競賽等 ,因此出現(xiàn)了搶答器。搶答器一般是由很多電路組成的，線路復(fù)雜，可靠性不高，功能也比較簡單，特別是當(dāng)搶答路數(shù)很多時，實現(xiàn)起來就更為困難。因此我們設(shè)計了以單片機(jī)為核心的新型智能的搶答器，在保留了原始搶答器的基本功能的同時又增加一系列的實用功能并簡化其電路結(jié)構(gòu)。搶答器又稱為第一信號鑒別器，其主要應(yīng)用于各種知識競賽、文藝活動等場合。傳統(tǒng)普通搶答器主要存在以下缺陷： （一）、在一次搶答過程中，當(dāng)出現(xiàn)超前違規(guī)搶答時，只能處理違規(guī)搶答信號，而對沒 有違規(guī)的有效搶答信號不能進(jìn)行處理，因而使該次搶答過程變?yōu)闊o效 。 （二）、當(dāng)有多個違規(guī)搶答時，普通搶答器或采用優(yōu)先編碼電路選擇其中一個，或利用搶答電路電子元件的 “ 競爭 ” 選擇其中一個。對于后者由于搶答電路制作完畢后電子元件被固定。各路搶答信號的 “ 競爭 ” 能力也被固定，因而本質(zhì)上也有優(yōu)先權(quán)。普通搶答器存在不公平性。 （三）、當(dāng)有多個違規(guī)搶答時，普通搶答器只能 “ 抓住 ” 其中一個而出現(xiàn) “ 漏 洞”。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn) 系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計。硬件設(shè)計部分 包括合理選擇元器件 、繪制 電路原理圖、繪制線路圖，然后對硬件進(jìn)行調(diào)試、測試，以達(dá)到設(shè)計要求。軟件設(shè)計部分，首先在總體設(shè)計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計，擬定詳細(xì)的工作計劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進(jìn)行 電路模擬仿真 等；最后是對軟件進(jìn)行調(diào)試、測試，達(dá)到所需功能要求。 在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法保證設(shè)計電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。硬件電路的設(shè)計最重要的選擇 在 于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計的系統(tǒng) 既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計還包括輸入輸出接口設(shè)計，畫出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不當(dāng)及時修改，最終達(dá)到設(shè)計目的。軟件設(shè)計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用 51 系列單片機(jī)，因此使用 Keil C 語言進(jìn)行開發(fā)。此編程工具相比匯編語言具有結(jié)構(gòu)化、適用范圍大、可移植性好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計功能要求。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2 章 搶答器硬件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)整體方 案設(shè)計 本設(shè)計以 AT89C51 單片機(jī)為核心設(shè)計的四路搶答器方案是：主持人按 搶答開始 鍵，會有提示音，并立刻進(jìn)入搶答倒計時（預(yù)設(shè) 60s 搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)及所用時間，不進(jìn)行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于 5s 會每秒響一下提示音。 如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以 隨時按 停止 按鍵，系統(tǒng)會自動進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待主持人按 搶答開始 進(jìn)入下次搶答計時。 如果主持人未按 搶答開始 鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答， LED 上不斷閃爍 FF 和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下 停止 鍵為止。 搶答器顯示模塊 顯示模塊主要是顯示搶答的時間，組別號碼等。我考慮有以下兩種顯示方案 。 方案 1：使用液晶屏顯示時間。液晶顯示屏（ LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但由于只需要顯示時間和組別的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，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，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 2：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管（ LED）具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火 、防高（低）溫，對外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時其精度高，稱量快，精確可靠，操作簡單。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。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 21 七段發(fā)光二極管 根據(jù)以上的論述，采用方案二，如圖（ 21） 控制器模塊（單片機(jī)的選擇） ATMEL 公司的 89C52 單片機(jī) ,是增強(qiáng)型 RISC 內(nèi)載 Flash 的單片機(jī) ,芯片上的 Flash 存儲器附在用戶的產(chǎn)品中 ,可隨時編程 ,再編程 ,使用戶的產(chǎn)品設(shè)計容易 ,更新?lián)Q代方便 。 89C52 單片機(jī)采用增強(qiáng)的 RISC 結(jié)構(gòu) ,使其具有高速處理能力 ,在一個時鐘周期內(nèi) 可執(zhí)行復(fù)雜的指令 ,每 MHz 可實現(xiàn) 1MIPS 的處理能力 。 89C52 單片機(jī)工作電壓為 ~,可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化 。 89C52的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備 ,工業(yè)實時控制 ,儀器儀表 ,通訊設(shè)備 ,家用電器 ,宇航設(shè)備等各個領(lǐng)域 . 由于單片機(jī)的種類很多，在選擇單片機(jī)時要依據(jù)實際設(shè)計要求選擇合適的單片機(jī)。例如當(dāng)設(shè)計僅僅需要一個單片機(jī)定時器那么選擇 89C1051 或89C2051 即可，而不選擇 89C52,因為后者的價格較高一些。當(dāng)然若程序和數(shù)據(jù)區(qū)的要求較高那么選擇的單片機(jī)還要滿足程序空間的要求。 下面我們來比較 89C51 和 89C52： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 表 21 51 和 52 的比較 數(shù)據(jù)存儲器 程序存儲器 定時器 中斷 51 系列 128B 4KB 2 5 52 系列 256B 8KB 3 8 圖 22 51 單片機(jī) 在本課題中，我們選用現(xiàn)在較為流行的 51 系列單片機(jī)，即選用 ATMEL公司的 STC89C51，如圖（ 22） 電源方案的選擇 系統(tǒng)需要多個電源， AT89C51 使用 5V 穩(wěn)壓電源，驅(qū)動芯片需要 550V電壓驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)等需要 12V 穩(wěn)壓電源。 方案一：采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片 MC34063 芯片分別將 3V 的電 池電壓進(jìn)行直流嶄波調(diào)壓，得到 5V 和 12V 的穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小系統(tǒng)體積重量但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作。 方案二：采用三端穩(wěn)壓集成 7805 與 7812 分別得到 5V 和 12V 的穩(wěn)定電壓。利用該方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠。如圖（ 23）所示： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 23 三端穩(wěn)壓電路 綜上所述，選擇方案二，采用三端穩(wěn)壓器電路。 鍵盤的選擇 鍵盤是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，是實現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶。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產(chǎn)生鍵碼。在單片機(jī)中使用的都是非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，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 1：獨(dú)立式鍵盤 鍵盤接口中使用多少根 I/O 線，鍵盤中就有幾個按鍵，鍵盤接口使用了 4 根 I/O 口線，該鍵盤就有 4 個按鍵，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)實際需要對鍵盤中的按鍵靈活的編碼。如圖 24}。 圖 24 獨(dú)立式鍵盤 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 最簡單的編碼方式就是根據(jù) I/O 輸入口所直接反映的相應(yīng)按鍵，按下的狀態(tài)進(jìn)行編碼 ，稱按鍵直接狀態(tài)碼，對于這樣編碼的獨(dú)立式鍵盤， CPU可以通過直接讀取 I/O 口的狀態(tài)來獲取按鍵的直接狀態(tài)編碼值，根據(jù)這個值直接進(jìn)行按鍵識別，這樣形式的鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，按鍵識別容易。 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，可以采用這樣類型的鍵盤。 方案 2：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，在行線和列線的每個交叉點(diǎn)上設(shè)置一個按鍵，按鍵的個數(shù)是 M*N 個。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，列線接 ~ 行線接 ~，行列式適用于按鍵輸入多的情況。 CPU 對鍵盤的掃描可以采用程序控制的隨機(jī)方式，即只有在 CPU 空閑時才去掃描鍵盤，響應(yīng)操作人員的鍵盤輸入，但 CPU 在執(zhí)行應(yīng)用程序的過程中，不能響應(yīng)鍵盤輸入，對鍵盤的掃描可以采用定時方式，即利用單片機(jī)內(nèi)部定時器每隔一定時間對鍵盤掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤上有無鍵閉合， CPU 總是定時的關(guān)心鍵盤狀態(tài)。 在大多數(shù)情況下， CPU 對鍵盤可能進(jìn)行空掃描。為了提高 CPU 的效率而又能及時響應(yīng)鍵盤輸入，可以采用中斷方式，既 CPU 平 時不必掃描鍵盤