【正文】 合課程設計，是理論聯(lián)系實踐的一個重要環(huán)節(jié)，不但鞏固了前面所學的基礎理論知識，更重要的是把各科知識聯(lián)系起來，以達到融會貫通，增強自己解決問題、分析問題的能力培養(yǎng)應用所學專業(yè)理論知識的能力，進行產品的實際設計與制作的能力，縮小理論與實踐的差別，并學習電子產品的整個設計、分析與制作流程。達到鞏固基礎、注重設計、培養(yǎng)技能、追求創(chuàng)新、走向實用的目的。 智力競賽是一種能鍛煉人的頭腦開發(fā)的 IQ的一種大眾化游戲，也起到娛 樂的作用?，F(xiàn)在智力競賽越來越被多數(shù)人喜歡和娛樂，像中央衛(wèi)視的三星智力快車、金蘋果、幸運 50 等等多檔智力競賽節(jié)目都擁有大批的忠實觀眾，而且國內外各地電視臺、工廠、學校等單位也常常舉辦類似的智力競賽活動，然而智力競賽搶答器是必要設備。 單片機作為計算機的一個重要分支，其應用范圍很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術、計算機應用、網(wǎng)絡、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù)采集與信號處理等技術中日益普及的一項新興技術，應用范圍十分廣泛。對于計算機專業(yè)的學生來說，即使暫時沒有從事單片機的應用與開發(fā)，學習單片機也有很重要的 意義。學習它，不僅為將來可能從事該方面的開發(fā)打下基礎，另一方面，由于單片機作為微型計算機的一個種類，麻雀雖小，五臟俱全，可以把它當作微型計算機的一個簡化模型來看待，學習單片機可以加深對微型計算機工作原理的理解，更加清楚計算機的脈絡。同時，提供了一個實際應用手段。 21 世紀，是一個信息技術飛速發(fā)展的時代，智力競賽是一種形式比較活潑的教育方式，是人們休閑娛樂生活的一部分。這些競賽一方面充實了人們的娛樂生活，另一方面也提高了人們努力汲取相關領域的知識的興趣。智力競賽，也就是幾個參賽選手之間在規(guī)定的時間，規(guī)定的地點相 互競爭的比賽。 搶答是各種競賽常用的一種形式。在搶答賽中，往往要有主持人宣布搶答的開始，還要確定是哪個選手搶到了答題權，具體答題的時間有時也要設定。這些如果僅憑主持人的主觀判斷，很容易出現(xiàn)誤判的情況。因此，在競賽中，搶答器就扮演了一個非常重要的角色。 本文介紹的八路數(shù)顯搶答器具有電路簡單、成本較低、操作方便、靈敏可靠等優(yōu)點，經(jīng)使用效果良好 ,具有較高的推廣價值。比賽前，將參賽 選手 從 1至 8編號，主持人按一下 開始 鍵后，搶答開始。此后， 其中一個選手 最先按下?lián)尨疰I， 數(shù)碼管 即顯示該 選手 的 編號 并鎖定，同時發(fā)出清脆的 “嘀 ”聲。以后，按下任何一路搶答鍵均不起反映。只有主持人再次按動啟動鍵后，才能進行下一次搶答該電路由直流穩(wěn)壓電源、搶答器、超時報警與電子計分四部分組成。 每名選手有一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應，搶答器具有第一個搶答信號的鑒別和數(shù)據(jù)鎖存、顯示的功能。搶答開始后，若有選手按搶答按鈕， 聲光提示 ，并在數(shù)碼管上顯示相應編號。同時，電路應具備自鎖功能，禁止其他選手再搶答，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清 0為止。搶答器具有定時搶答的功能。一次搶答的 時間由主持人設定，在主持人 按下開始搶答按鍵 后，定時器立即進行減計時，并在顯示器上顯示，同時揚聲器發(fā)出短暫聲響，聲響時間持續(xù) 。選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效， 減計時 停止工作， 轉向回答減計時 ,顯示器顯示選手編號和 回答減計時 的時間， 此后選手可要求使用“錦囊包”，使用“錦囊包”后，回答減計時重新計時；使選手有充裕的時間更正確的回答。 第二章 各模塊的選擇和論證 顯示模塊主要是顯示搶答的時間，組別號碼等。考慮有以下兩種顯示方案。 方案一：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，抗干擾能力強的特點。但由于只需要顯示時間和轉向、相數(shù)這樣的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點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。 方案二：在使用傳統(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、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，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。 根據(jù)以上的論述，我選擇采用方案二。 顯示功能與硬件關系極大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)顯示的特點是：顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本 設計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法。 圖 21 4位七段數(shù)碼管 上圖中數(shù)碼管采用的是 4位一體七段共陰極數(shù)碼管，其 應用簡單、可靠性高、成本低，作為顯示輸出。連接時段選信號接在 P0口的 ～ I/O口上， P1口是準雙向 I/O接口在輸出驅動部分具有驅動 4個 TTL負載的能力，即輸出電流不大于 400μA，所以在接電阻時選擇接 510Ω限流電阻。而在位選方面采用單片機 P2口的 ～ I/O口作為位選信號的輸出口。 控制器選擇 控制器主要用于對顯示、搶答、 聲光 、 計時 等 模塊進行控制 ?？刂破鞯倪x擇有以下兩鐘方案。 方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。 FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以應用 EDA 軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。 FPGA 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但由于本設計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。 方案二：采用 89s51作為系統(tǒng)控制器的 CPU方案。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。 基于以上分析，我選擇采用方案二 鍵盤選擇 鍵盤是單片機不可缺少的輸入設備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。鍵盤按結構形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產生鍵碼，而后者則用硬件方法來產生鍵碼。在單片機 中使用的都是非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤結構簡單，成本低廉，非編碼鍵盤的類型很多，常用的有獨立式鍵盤，行列式鍵盤等。 獨立式鍵盤 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 8 根 I/O 口線，該鍵盤就有 8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 22。 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按鍵，按下的狀態(tài)進行編碼，稱按鍵直接狀態(tài)碼，對于這樣編碼的獨立式鍵盤， 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)這個值直接進行按鍵識別，這樣形式的鍵盤結構簡單，按鍵識別容易。 獨立式鍵盤的缺點是需要占用比較多的 I/O 口線，當單片機應用系統(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。 圖 22 獨立鍵盤 晶振電路的設計 MSC51 單片機的定時控制功能是用時鐘電路和振蕩器完成的，而根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計中采用 內部時鐘方式。 單片機內部有一個反相放大器， XTAL XTAL2分別為反相放大器的輸入端和輸出端，外接定時反饋元件組成振蕩器（內部時鐘方式），產生時鐘送至單片機內部各元件。時鐘頻P1 1 2 3 4 5 6 7 8 率越高，單片機控制器的控制節(jié)拍就越快，運算速度也就越快。 一般來說單片機內部有一個帶反饋的線性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振蕩器）和電容就可組成振蕩器，如圖 25 所示。加電以后延時一段時間（約 10ms）振蕩器產生時鐘，不受軟件控制，圖中 Y1 為晶振，震蕩產生的時鐘頻率主要由 Y1 確定。電容 C1， C2 的作用有兩個 ：一是幫助振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率起微調作用，典型值為 30pF 。圖中時鐘頻率為 12MHz； 圖 25 晶振電路 復位電路的設計 復位電路如圖 26 所示： 圖 26 復位電路原理圖 該復位電路采用上電自動復位和手動復位兩種復位方式，圖中網(wǎng)絡標號所指 9連接到單片機的復位引腳。要實現(xiàn)復位只需在， 51 系列單片機的 RESET引腳上加上 5ms 的高電平就可以了。上電復位是利用電容的充電來實現(xiàn)的，即上電瞬間 RESET端的電位與 vcc相同，隨著電容上儲能增加，電容電壓也逐漸增大，充電電流減小， RESET端的電位。這樣就會建立一個脈沖電壓，調節(jié)電容與電阻的大小可對脈沖的持續(xù)時間進行調節(jié)。通常若采用 12MHz的晶振時，復位元件參數(shù)為 10μ F的電解電 容和 10kΩ的電阻。按鈕復位電路是通過按下復位按鈕時，電源對 RESET端維持兩個機器周期的高電平實現(xiàn)復位的。 我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲 [7]，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調，使喇叭發(fā)出不同的聲音。 圖 27發(fā)聲電路 89s51 單片機簡單概述 89s51 單片機的結構 AT89s51是具有 MCS51內核、片內帶有 4KB的 flash ROM的單片機，圖 AT89s51基本結構示意圖 圖 AT89s51 基本結構圖 從圖中可以看出，單片機有一條內部總線，各個功能模塊都掛在這條總線上，通過內部總線傳送數(shù)據(jù)信息和控制信息 。 管腳說明 圖 管腳圖 AT89s51 單片機采用 40 腳雙列直插式的 DIP40 封裝，還提供較小尺寸表面封裝形式的PQFP/TQFP44，其引腳排列如 圖 。為使結構更加緊湊，單片機的許多引腳具有雙重功能。 ⒈ 電源 : ⑴ VCC 芯片電源，接 +5V； ⑵ VSS 接地端； ⒉ 時鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 ⒊ 控制線 :控制線共有 4根， ⑴ ALE/PROG:地址鎖存允許 (1/6foc)/片內 EPROM編程脈沖 ALE功能：用來鎖存 P0口送出的低 8位地址 PROG功能：片內有 EPROM的芯片，在 EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 ⑵ PSEN:外 ROM讀選通信號。 ⑶ RST/VPD:復位 /備用電源。 RST（ Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在 Vcc掉電情況下，接備用電源。 ⑷ EA/Vpp:內外 ROM選擇 /片內 EPROM編程電源。 EA功能：內外 ROM選擇端。 Vpp功能：片內有 EPROM的芯片，在 EPROM編程期間，施加編程電源 Vpp。 ⒋ I/O線 89s51共有 4 個 8 位并行 I/O端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。 P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬 控制總線）。 —— RXD：串行口輸入端； —— TXD：串行口輸出端； —— INT0：外部中斷 0請求輸入端； —— INT1：外部中斷 1請求輸入端； —— T0：定時 /計數(shù)器 0外部信號輸入端； —— T1：定時 /計數(shù)器 1外部信號輸入端； —— WR：外 RAM寫選通信號輸出端； —— RD：外 RAM讀選通信號輸出端。 P3口也可作為 AT89c51的一些特殊功能口，如下表所示 表 P3口的第二功能表 端口 引腳（ DIP40封裝） 第二功能 10 RXD（串行輸入口） 11 TXD（串行輸出口） 12 INT0（外部中斷 0輸入） 13 INT1（外部中斷 1輸入） 14 T0（定時 /計數(shù)器 0的外部計數(shù)輸入） 15 T1（定時 /計數(shù)器 1的外部計數(shù)輸入） 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖輸出） 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖輸出） 第三章模塊最終方案的設計 總體設計思路