【文章內(nèi)容簡介】 主持人復位進入下一輪搶答。 西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 6 軟硬件方案選擇 硬件方案選擇 （ 1）主控芯片選擇方案 根據(jù)以上我們提出的需求，搶答器系統(tǒng)的主控芯片可以有多種選擇方案。嵌入式微處理器一般可分為四類，嵌入式微處理器（ MPU）、嵌入式微控制器（ MCU）、嵌入式DSP（ DSP）、嵌入式片上系統(tǒng)（ SoC） [5]。這些處理器都可以用于本設計。除此之外，可編程邏輯器件（ FPGA/CPLD）也可以用來作為主控芯片。 在本設計中，我們用 MCU（又稱單片機）中較為常見的 8051 系列單片機作為主控芯片。該芯片相較于 DSP、 FPGA、 ARM 等芯片簡單易用、價格便宜，而且完全能夠滿足本設計的要求。能夠加快我們設計的進程、節(jié)約設計成本。 本設計中使用的主控制器是宏晶科技生產(chǎn)的 STC89C51RC。該產(chǎn)品標準易用，價格便宜，是新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機。該型號單片機有 LQFP4 PDIP、 PLCC、 PQFP 四種封裝，在本次設計中我們采用 PDIP40 這種封裝，其外部結(jié)構圖如圖 23 所示 [6]。 圖 23 STC89C52RC 外部結(jié)構圖 Fig. 23 STC89C52RC external structure 主要功能特性： ? 8K 的 Flash 程序存儲器可擦寫 100000 次以上 ? 512 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器 ? EEPROM 功能 ? 工作頻率范圍： 040MHz 西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 7 ? 通用 I/O 口（ 32 個），復位后為： P1/P2/P3 是準雙向口（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）P0 是開漏輸出，作為總線擴展用時，不加上拉電阻，做 I/O 口時需要加上拉電阻。 ? ISP/IAP，無需專用編程器 /仿真器可通過串口（ ）直接下載用戶程序。 ? 看門狗 ? 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，其中定時器 0 還可當成 2 個 8 位定時器使用。 ? 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷。 可行性分析：從上述單片機的基本參數(shù)來看， STC89C552RC 單片機擁有 8K 的程序空間，對于本設計而言是完全足夠的。而且本設計中除了液晶模塊為了保證顯示無延遲用了并行方式傳輸數(shù)據(jù)外，其它模塊采用了盡量節(jié)省 I/O 口的設計思路，能保證單片機的 I/O 口足夠。而且有 3 個定時器，本設計只需用到 1 個。綜上所述， STC89C52 單片機能夠滿足設計需求。 （ 2）搶答器顯示模塊選擇方案 在搶答器系統(tǒng)運行的整個過程中都伴隨著信息的顯示，選擇一種合理的信息顯示方式能給我們的設計帶來方便。 本設計中可用的顯示設備有數(shù)碼管、液晶。數(shù)碼管結(jié)構簡單，易于控制，程序算法也相對簡單，缺點是數(shù)碼管占用端口資源多。液晶顯示（ LCD）由于具有可編程驅(qū)動、接口控制方便、體積小、功耗低、具有良好的可視化人機界面等優(yōu)點，在各種電子設備中得到廣泛使用 [7]。 本設計考慮到需要顯示的內(nèi)容較多，用數(shù)碼管作為顯示模塊需要占用很多端口資源，所以本設計采用帶字庫的 12864液晶作為顯示模塊，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面 [8]。它的外部結(jié)構圖如圖 24 所示。 圖 24 12864 外部結(jié)構圖 西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 8 Fig. 24 12864 external structure 該液晶模塊可顯示 84 行 1616 的漢字，也可以顯示 12864 像素的圖形。 其基本特性： ? 低電源電壓（ VDD： ++）。 ? 顯示分辨率： 12864 點。 ? 內(nèi)置漢字庫，提供 8192 個 1616 點陣漢字。 ? 內(nèi)置 128 個 168 點陣字符。 ? 2MHz 始終 頻率。 ? 顯示方式： STN、案頭、正顯。 ? 視角方向： 6 點。 ? 通訊方式：串行、并行可選。 LCD12864 的引腳功能表 21 所示。 表 21 12864 引腳說明 Table 21 12864 pin description 引腳號 引腳名稱 功能說明 1 GND 電源地 2 VCC 電源正端 3 V0 對比度調(diào)整 4 RS（ CS） 并行數(shù)據(jù) /指令選擇型號；串行片選信號 5 R/W（ SID） 并行讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口 6 E（ CLK） 并行使能信號；串行同步時鐘 714 DB0DB7 數(shù)據(jù) 0數(shù)據(jù) 7 15 PSB 并 /串行接口選擇： H并行 L串行 16 NC 空腳 17 /RST 復位 低電平有效 18 VOUT 倍壓輸出腳（ VDD=+） 19 LED_A 背光源正極（ LED+5V） 20 LED_K 背光源負極（ LED0V） 在本設計中我們采用并行的方式在單片機和 12864 ?？熘g通信。 8 為并行連接時序圖如圖 25 和圖 26 所示。 西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 9 圖 25 MPU 寫資料到模塊 Fig. 25 MPU write data to the module 圖 26 MPU 讀出資料 Fig. 26 MPU read data 可行性分析：本設計中需要顯示的信息有倒計時的顯示，選手分數(shù)顯示，搶答成功和犯規(guī)的顯示。由 ST7920 驅(qū)動的 12864 液晶，能夠顯示漢字、圖形、數(shù)字、字母以及其他 ASCII 字符，完全能夠滿足本設計的需求。 （ 3）搶答器鍵盤的選擇方案 在一個單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤是系統(tǒng)中并不可少的輸入設備，是控制系統(tǒng)與操作人員對話的窗口。 鍵盤通常有兩種結(jié)構形式：線 性鍵盤和矩陣鍵盤。在不同的場合下，這兩種鍵盤都得到了廣泛的應用， 線性鍵盤是由若干獨立的按鍵構成，每個按鍵的一端與單片機的一個 I/O 口相連 [9]。有幾個按鍵就要有幾根連線與單片機的 I/O 口相連，因此，線性鍵盤一般只適用于按鍵較少的場合。矩陣式鍵盤的按鍵是按 N 行 M 列排列，每個按鍵在行列的一個交點上，需要的 I/O 口數(shù)目是 N+M，能提供的最大按鍵數(shù)是 NM。顯然，用西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 10 矩陣鍵盤可以有效減少單片機 I/O 口的連線數(shù)，簡化結(jié)構，是一般單片機常用的鍵盤結(jié)構。根據(jù)矩陣鍵盤的識鍵和譯鍵方法的不同，矩陣鍵盤又分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤是用軟件的方法識鍵和譯鍵。根據(jù)按鍵掃描方法的不同，可以分為掃描行法、掃描列法和反轉(zhuǎn)法 3 種。編碼鍵盤是用硬件來實現(xiàn)按鍵的掃描和識別，一般使用專用接口芯片，在硬件上要求較高。 行列式鍵盤有節(jié)省 I/O 口的優(yōu)點?？紤]到本設計所需的按鍵較多，為了節(jié)省端口資源，降低硬件要求本設計采用非編碼行列式鍵盤。 （ 4）發(fā)聲模塊選擇方案 有源蜂鳴器和普通揚聲器相比，最重要一個特點是只要按照極性要求 加合適的直流電壓，就可以發(fā)出固有頻率的聲音，因此使用起來比揚聲器簡單 [10]。由此可知，有源蜂鳴器的控制和 LED 的控制對單片機而言是沒有區(qū)別的。無源蜂鳴器則要交流驅(qū)動，改變驅(qū)動頻率可以奏簡單音樂。 本設計中的發(fā)聲裝置只需要發(fā)出固定頻率的提示音即可，無需改變發(fā)聲的頻率。為求簡化軟件設計，本設計中選用有源蜂鳴器作為發(fā)聲裝置。 可行性分析：發(fā)聲模塊在本設計中用于報警，只要能夠發(fā)出一定頻率的提示音即可。使用蜂鳴器即可滿足設計需求。 軟件方案選擇 C 語言和匯編語言是單片機應用系統(tǒng)開發(fā)常用的編程工具。 C 語言是 一種高級編程語言。早在 1985 年便出現(xiàn)了 51 單片機專用的 C 語言，簡稱C5l。 C51 除了遵循一般 C 語言的語法規(guī)則外，還有自身的特點。它增加了變量數(shù)據(jù)類型 (如 bit、 sb)、中斷服務函數(shù) (如 interrupt n)，對 80C5l 單片機的特殊功能寄存器的定義是 C51 特有的，是對標準 C 語言的擴展。 C 語言作為一種高級語言，接近人的自然語言，編寫的程序與人們通常的思路相近，而且不依賴于計算機的結(jié)構和指令系統(tǒng)，是面向過程而且獨立于機器的通用語言，容易學習、通用性好、便于移植。 匯編語言是為了方便使用而設計的一種符號語言。 它用易于理解和記憶的英文名稱或縮寫形式 (助記符 )來表示二進制指令。指令助記符、語句標號、數(shù)據(jù)變量、偽指令以及它們的使用規(guī)則構成了整個匯編語言的內(nèi)容。匯編語言的程序占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，并且可以直接對硬件進行編程，能夠充分發(fā)揮計算機的硬件功能。它是計算機所能西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 11 提供的最快、最有效的語言。主要應用在實時性要求高、對硬件設備進行控制的場合。 使用 C 語言與使用匯編語言相比：不需要掌握 8051 系列單片機的指令集，只需了解單片機內(nèi)部特殊功能寄存器的用途；編程人員不必考慮寄存器的分配和尋址方式等細節(jié)，都有編程器自動進行管理 ；利于結(jié)構化編程，易于維護；由于可以實現(xiàn)模塊化編程技術，大量例程直接調(diào)用，節(jié)省開發(fā)時間，提高效率 [11]。 基于以上所講述的在單片機領域中的 C 語言和匯編語言編程各自的優(yōu)缺點?？紤]到本設計整體結(jié)構簡單，生成的代碼占用空間小，一般的單片機足以滿足需求，并且對時序的要求不高。所以采用 C 語言編寫程序能更方便快捷的完成我們的設計，并且具有良好的可移植性，方便以后移植系統(tǒng)到其他硬件設備上。 在集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)上我們選擇目前最流行的 Keil C51， KeilC51 是 Keil Software公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案。如果你使用C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選。 Keil C51 生成目標代碼的效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 Proteus 軟件是 Lab Center Electronics 公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括 ISIS，ARES 等模塊，它能仿真大量的單片機芯片，比如 MCS51 系列， PIC 系列等等，以及單片 機外圍電路 [12]。通過 Proteus 軟件的使用我們能很容易獲得一個強大，方便的單片機實驗系統(tǒng)。同時 Proteus 兼有 PCB 板繪制的功能。并且 Proteus 與 Keil 的結(jié)合使用能很方便的完成單片機的調(diào)試工作。作為目前市場上最流行的單片機仿真軟件，它的好處是資源豐富，在網(wǎng)上能獲得最多的技術支持與幫助。 本設計即是采用 Keil 作為集成開發(fā)環(huán)境，以 Proteus 作為仿真原理圖、 PCB 設計工具。 西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 12 第 3 章 硬件設計 總體設計 本設計包含了硬件設計和軟件設計兩部分，兩者緊密結(jié)合，不可分離。硬件設計是這個系統(tǒng)運行的基礎，沒有硬件一切都無從談起。軟件設計是系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的核心，在硬件的基礎上軟件控制著系統(tǒng)的運作，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。隨著技術的發(fā)展，硬件電路的集成度越來越高，各種功能強大的芯片降低了硬件設計的復雜程度。為是硬件電路設計更加合理，應注意以下幾個方面： （ 1）盡量使用集成度更高功能更強的芯片，以簡化電路。功能更強大的芯片能只占用較少的端口資源就完成同樣的甚至是跟多的功能。本設計中除了主控制芯片以外，顯示模塊采用了一塊高度集成的 12864 液晶，在兼顧顯示界面的友好美觀的情況下極大程度的簡化了硬件電路的設計工作，而且節(jié)約了單片機的 I/O 端口。 （ 2）留有一定設計余地。在硬件設計是，往往不是一次成型的。考慮到以后修改擴展的方便。要留有一定的余地，以避免為了一點小小的修改而全面返工。本次設計采用的硬件電路均在一塊開發(fā)板上，硬件電路已經(jīng)經(jīng)過生產(chǎn)廠商的測試，比較可靠，可以放心的使用，將更多經(jīng)歷投入到軟件的設計過程中去。 （ 3）程序空間。應該選擇內(nèi)部程序空間足夠大的單片機。所以你需要估計自己設計程序的復雜程度，選擇相匹配的單片機。本設計所采用 STC89C52RC 單片機擁有 8K的程序空間，基本上能夠滿足電子搶答器的設計所需的空間大小。 （ 4） RAM 空間，單片機內(nèi)部的 RAM 空間不多。如果片內(nèi)空間不夠就需要增加片外 RAM，設計時需要預留 I/O 接口。在本設計中，系統(tǒng)的功能簡單，已有的單片機完全可以滿足需要，無需考慮這個問題。 （ 5） I/O 端口：在設計的初期就要對各個 I/O 口資源合理分配，可以預留若干備用，也許在后期的調(diào)試過程中就會派上用場。在本設計中使用的開發(fā)板上硬件電路已經(jīng)固定， I/O 端口的分配也很合理，無需再重新分配 I/O 端口。 本次設計的總體硬件電路 原理圖如圖 31 所示。 西南大學 電子信息工程學院 2020 屆本科畢業(yè)論文 13 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0