【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .......................33 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 167。 單片機(jī) 的發(fā)展史 單片機(jī)誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC 三大階段。 即單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “創(chuàng)新模式 ”獲得成功，奠定了 SCM 與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上， Intel公司 功不可沒。 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU的重 任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看， Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將 MCS51 從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此， 當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘記 Intel和 Philips 的歷史功績(jī)。 ，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了 SoC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計(jì)、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。 因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。 167。1 .2 單片機(jī)搶答器的背景 二十世紀(jì)跨越了三個(gè) “電 ”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過，這種電腦，通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PC 機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)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(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的 “肚子 ”中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 2 里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)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(shí)時(shí)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(jí)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(jiǎn)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(shí)競(jìng)賽中，特別是做搶答題時(shí)，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(gè)系統(tǒng)來完成這個(gè)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(gè)選手）先搶答到題的。利用單片機(jī)編程來設(shè)計(jì)搶答器，可以使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時(shí)間相差幾微秒，也能輕松的分辨出哪一組（或哪個(gè)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(jì)，以及它的實(shí)際用途。 167。 單片機(jī)搶答器的意義 本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為整個(gè)控制核心?？刂葡到y(tǒng)的四個(gè)模塊為：顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、語(yǔ)音模塊、搶答開關(guān)模塊。該系統(tǒng)通過開關(guān)電路四個(gè)按鍵輸入搶答信號(hào)；利用一個(gè)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(shí)現(xiàn)整個(gè)搶答過程。在知識(shí)比賽中， 特別是做搶答題目的時(shí)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(jì)一個(gè)系統(tǒng)來完成這個(gè)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(jì)搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時(shí)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(jì)及工作原理，以及它的實(shí)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(gè)模塊分別為：存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、語(yǔ)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(gè)按鍵輸入搶答信號(hào)； 利用一個(gè)數(shù)碼管來完成顯示功 能。工作時(shí)，用按鍵通過開關(guān)電路輸入各路的搶答信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)的處理， 輸出控制信號(hào)，單片機(jī)控制的智能搶答器設(shè)計(jì)。 167。 單片機(jī)搶答器的應(yīng)用 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多公開競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)合要求有公正的競(jìng)爭(zhēng)裁決，諸如證券、股票交易及各種智力競(jìng)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(jiǎn)單，特別是當(dāng)搶答路數(shù)很多時(shí)，實(shí)現(xiàn)起來就更為困難。因此我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)又增加一系列的實(shí)用功能并簡(jiǎn)化其電路結(jié)構(gòu)。搶答器又 稱為第一信號(hào)鑒別器，其主要應(yīng)用于各種知識(shí)競(jìng)賽、文藝活動(dòng)等場(chǎng)合。傳統(tǒng)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 3 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(shí)，只能處理違規(guī)搶答信號(hào)而對(duì)沒有違規(guī)的有效搶答信號(hào)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(gè)違規(guī)搶答時(shí)，普通搶答器或采用優(yōu)先編碼電路選擇其中一個(gè)，或利用搶答電路電子元件的 “競(jìng)爭(zhēng) ”選擇其中一個(gè)。對(duì)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(hào)的 “競(jìng)爭(zhēng) ”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(gè)違規(guī)搶答時(shí) ，普通搶答器只能 “抓住 ”其中一個(gè)而出現(xiàn) “漏洞 ”。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 4 第二章 總體 設(shè)計(jì)方案 167。 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)智力競(jìng)賽搶答器 可同時(shí)供 8 名選手或 8 個(gè)代表隊(duì)參加比賽編號(hào)為 8 各用一個(gè)按鈕。 顯示部分用 LED 組成的模擬數(shù)碼管來顯示數(shù)字。 給節(jié)目主持人設(shè)置 5 個(gè)控制開關(guān)用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始及各種時(shí)間的調(diào)節(jié)控制。 搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能、顯示功能和聲光 提示功能。 主持人可以通過兩個(gè)時(shí)間 調(diào)節(jié)鍵來調(diào)節(jié)搶答限制時(shí)間和答題時(shí)間限制。需在主持人按下?lián)尨痖_始后方可開始且各個(gè)環(huán)節(jié)有相應(yīng)的時(shí)間限制。 （系統(tǒng)原始搶答時(shí)間為 20 秒，答題時(shí)間為 30 秒） 167。 總體設(shè)計(jì)框圖 顯 示 器 信息反饋 選 手 按 鍵 主 持 人 按 鍵 主 控 制 器 信息反饋 信 息 輸 入 選手 按下?lián)尨疰I 主持人 按下開始、復(fù)位鍵 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 5 圖 21 總體設(shè)計(jì)框圖 如圖 21 所示的總體設(shè)計(jì)框 圖，搶答器 由主控制器和外部電路 組成 。外部電路包括選手按鍵主持人按鍵顯示電路等。主控制器負(fù)責(zé)電路的所有信息的控制控制電路的信息輸入、信息邏輯計(jì)算、輸出信息給顯示器。按鍵 給主持人、選手 提供按鍵需求。顯示器顯示開始工作、開始 搶答、顯示搶 答選手的號(hào)碼、顯示違規(guī)選手、顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間等。 167。 方案設(shè)計(jì)與論證 1） 方案一 ： 基于邏輯數(shù)字電 路搶答器 的設(shè)計(jì) 定 時(shí)搶答器 的總體框圖如下圖 12 所示它由主體電路和擴(kuò)展兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能 ， 即開始搶答后 ， 當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵時(shí) ， 能顯示選手的編號(hào) ,同時(shí)能封鎖輸入電路 ， 禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答的功能。 圖 22 基于邏輯數(shù)字電路搶答器 的結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)各部分采用中小規(guī)模集成數(shù)字電路 ， 用機(jī)械開關(guān)按鈕作為控制開關(guān) ， 完成搶答輸入信號(hào)的觸發(fā)。該方案的特點(diǎn)是中小 規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟 ， 性能可靠 ，能方便的完成選手搶答的基本功能 ， 但是由于系統(tǒng)功能要求較高 ， 所以電路連接集成電路相對(duì)較多 ,而且過于復(fù)雜 ， 并且制作過程比較繁瑣 ， 使 用 不方便。 2） 方案二 ： 基于 AT89S52 單片機(jī)控制 的搶答器 的設(shè)計(jì) 搶答器 的控制核心是 AT89S52 單片機(jī) ， 用查詢式鍵盤進(jìn)行搶答 ， 結(jié)構(gòu)圖如圖 23所示。通過搶答按鍵模塊 ， 連接按鍵進(jìn)行搶答。實(shí)現(xiàn)功能的框圖如下所示 ， 按下開始按鈕 ， 此時(shí)進(jìn)入搶答狀態(tài) ， 選手的輸入采用掃描式的輸入 ， 之后由相關(guān)的信息由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 6 單片機(jī)處理 ， 送到顯示部分顯示。此時(shí)如果有人第一個(gè)按下相應(yīng) 的按鍵 ， 經(jīng)過單片機(jī)的處理 ， 選擇顯示相應(yīng)的號(hào)碼 ， 并鎖存 ， 不再響應(yīng)其它按鍵輸入。主持人系統(tǒng)有開始按鍵 ， 限時(shí)開始按鍵 ， 搶答時(shí)間調(diào)節(jié)按鍵 ， 限時(shí)時(shí)間調(diào)節(jié)按鍵。選手系統(tǒng)有搶答按鈕 ，計(jì)時(shí)顯示，聲光 提示等。 圖 23 基于 AT89S52 單片機(jī)控制的搶答器 的結(jié)構(gòu)圖 由以上可知 。 方案一結(jié)構(gòu)太復(fù)雜 。 成本過高 。 這種電路接線多只適用于小型的控制電路。單片機(jī)又稱單片微控制器 ， 它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ， 而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算 機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)以其價(jià)格低廉 ， 硬件電路簡(jiǎn)單 ，設(shè)計(jì)靈活而成為國(guó)內(nèi)中小型設(shè)計(jì)的主流 ， 在 ATMEL 公司的最常用的 AT89S52 投入廣泛使用之后 ， 一些帶有 AD/DA轉(zhuǎn)換 ， 看門狗功能的增強(qiáng)型芯片悄然而至。飛利浦公司推出的在線可編程芯片在近幾年的仿真教學(xué)中占據(jù)了大的份額 ，而 AT 系列的傳統(tǒng)單片機(jī)依然是工程中的?？汀Ａ硗庖恍﹪?guó)內(nèi)公司也在功能的增強(qiáng)上做文章 ， 紛紛做出了自己的芯片 ， 并在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。而方案二編程簡(jiǎn) 單 ， 易于制作所以選用方案二。 167。 各個(gè)模塊方案設(shè)計(jì) 核心控制器 AT89S52 控制器 復(fù) 位 電 路 主持 人按鍵 電源電路 聲光顯示 數(shù)碼顯示 選手按鍵 晶 振 電 路 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 7 1） 方案一 ： 基于單片機(jī) AT89S52 為主控制器的設(shè)計(jì) 由單片機(jī) AT89S52 進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8K字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路 ， 還可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。編程容易實(shí)現(xiàn)外圍電路較為簡(jiǎn)單。大規(guī)模可編程邏輯器件一般是使用狀態(tài)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)即所解決的問題都是 規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求基于成本及控制功能的考慮最終選擇了 AT89S52這個(gè)比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2） 方案二 ： 基于 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件 )、 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列） 的設(shè)計(jì) 由 CPLD、 FPGA 來作主控制器。其特點(diǎn)是具有用戶可編程的特性其可靈活的配置 IO 端口方便的進(jìn)行硬件功能設(shè)置。具有靜 態(tài)可重復(fù)編程或在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性使硬件的功能象軟件一樣通過編程來修改不僅使設(shè)計(jì)修改和產(chǎn)品升級(jí)變得十分方便而且極大地提高了電子系統(tǒng)的靈活性和通用能力。 按鍵 模塊 1） 方案一 ： 基于獨(dú)立鍵盤的設(shè)計(jì) 鍵盤接口中使用 8 根 IO線 ， 鍵盤中就有 8個(gè)按鍵提供給 8 個(gè)選手各自擁有一個(gè)用來?yè)尨?， 這種類型的鍵盤 ， 在按鍵比較少和 IO口資源不緊張時(shí)使用。在工作中鍵盤的各個(gè)按鍵互不干擾。這就可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)鍵盤中的按鍵靈活的編碼達(dá)到更好的搶答效果如圖 24 所示。 圖 24 獨(dú)立鍵盤按鍵圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 8 2） 方案二 ： 基于矩陣式鍵盤的設(shè)計(jì) 矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測(cè)線分成兩組 ， 一組為行線 ， 另外為一組列線 ， 按鍵放在行線和列線的交叉點(diǎn)上 ， 編程實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜 ， 但占用 IO口較少。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效 的提高單片機(jī) IO 口的利用率 ， 適用于按鍵輸入多的情況 ， 如圖 25 所示。 圖 25 矩陣式鍵盤圖 顯示模塊 1） 方案一 ： 光二極 管 順序排列構(gòu)成數(shù)碼管 采用普通發(fā)光二極管按一定順序排列構(gòu)成數(shù)碼管雖然構(gòu)成的 LED 燈數(shù)目多但結(jié)構(gòu)還是較簡(jiǎn)單制作也較容易而且單片機(jī)控制也方便成本也不是很高因而出于成本和控制的考慮選用方案一。 2） 方案二 ： 采用點(diǎn)陣組成