【文章內(nèi)容簡介】 .......................33 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 167。 單片機 的發(fā)展史 單片機誕生于 20 世紀 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC 三大階段。 即單片微型計算機（ 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 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌式系統(tǒng)獨立發(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：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(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，將 MCS51 從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此， 當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記 Intel和 Philips 的歷史功績。 ，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，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。 因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。單片機作為微型計算機的一個重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。 167。1 .2 單片機搶答器的背景 二十世紀跨越了三個 “電 ”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 PC 機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的 “肚子 ”中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 2 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，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。 167。 單片機搶答器的意義 本系統(tǒng)采用單片機作為整個控制核心。控制系統(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)單片機的處理， 輸出控制信號，單片機控制的智能搶答器設(shè)計。 167。 單片機搶答器的應(yīng)用 隨著我國經(jīng)濟和文化事業(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)中國地質(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行處理 ， 因而使該次搶答過程變?yōu)闊o效。 （二）、當有多個違規(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 ”。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 4 第二章 總體 設(shè)計方案 167。 設(shè)計任務(wù)與要求 設(shè)計一個智力競賽搶答器 可同時供 8 名選手或 8 個代表隊參加比賽編號為 8 各用一個按鈕。 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時間 調(diào)節(jié)鍵來調(diào)節(jié)搶答限制時間和答題時間限制。需在主持人按下?lián)尨痖_始后方可開始且各個環(huán)節(jié)有相應(yīng)的時間限制。 （系統(tǒng)原始搶答時間為 20 秒，答題時間為 30 秒） 167。 總體設(shè)計框圖 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 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 5 圖 21 總體設(shè)計框圖 如圖 21 所示的總體設(shè)計框 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 答選手的號碼、顯示違規(guī)選手、顯示倒計時時間等。 167。 方案設(shè)計與論證 1） 方案一 ： 基于邏輯數(shù)字電 路搶答器 的設(shè)計 定 時搶答器 的總體框圖如下圖 12 所示它由主體電路和擴展兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能 ， 即開始搶答后 ， 當選手按動搶答鍵時 ， 能顯示選手的編號 ,同時能封鎖輸入電路 ， 禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。 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 ， 用機械開關(guān)按鈕作為控制開關(guān) ， 完成搶答輸入信號的觸發(fā)。該方案的特點是中小 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 單片機控制 的搶答器 的設(shè)計 搶答器 的控制核心是 AT89S52 單片機 ， 用查詢式鍵盤進行搶答 ， 結(jié)構(gòu)圖如圖 23所示。通過搶答按鍵模塊 ， 連接按鍵進行搶答。實現(xiàn)功能的框圖如下所示 ， 按下開始按鈕 ， 此時進入搶答狀態(tài) ， 選手的輸入采用掃描式的輸入 ， 之后由相關(guān)的信息由中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 6 單片機處理 ， 送到顯示部分顯示。此時如果有人第一個按下相應(yīng) 的按鍵 ， 經(jīng)過單片機的處理 ， 選擇顯示相應(yīng)的號碼 ， 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 ， 限時開始按鍵 ， 搶答時間調(diào)節(jié)按鍵 ， 限時時間調(diào)節(jié)按鍵。選手系統(tǒng)有搶答按鈕 ，計時顯示，聲光 提示等。 圖 23 基于 AT89S52 單片機控制的搶答器 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。單片機又稱單片微控制器 ， 它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ， 而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講一塊芯片就成了一臺計算 機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機以其價格低廉 ， 硬件電路簡單 ，設(shè)計靈活而成為國內(nèi)中小型設(shè)計的主流 ， 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)單片機依然是工程中的?？汀Ａ硗庖恍﹪鴥?nèi)公司也在功能的增強上做文章 ， 紛紛做出了自己的芯片 ， 并在全國范圍內(nèi)進行推廣。而方案二編程簡 單 ， 易于制作所以選用方案二。 167。 各個模塊方案設(shè)計 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 AT89S52 為主控制器的設(shè)計 由單片機 AT89S52 進行控制實現(xiàn)相關(guān)功能。 AT89S52 具有以下標準功能 ： 8K字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路 ， 還可擴展外部存儲器。編程容易實現(xiàn)外圍電路較為簡單。大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機方式來實現(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)沒有其它高標準的要求基于成本及控制功能的考慮最終選擇了 AT89S52這個比較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。 2） 方案二 ： 基于 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件 )、 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列） 的設(shè)計 由 CPLD、 FPGA 來作主控制器。其特點是具有用戶可編程的特性其可靈活的配置 IO 端口方便的進行硬件功能設(shè)置。具有靜 態(tài)可重復(fù)編程或在線動態(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)計修改和產(chǎn)品升級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 ： 基于獨立鍵盤的設(shè)計 鍵盤接口中使用 8 根 IO線 ， 鍵盤中就有 8個按鍵提供給 8 個選手各自擁有一個用來搶答 ， 這種類型的鍵盤 ， 在按鍵比較少和 IO口資源不緊張時使用。在工作中鍵盤的各個按鍵互不干擾。這就可以根據(jù)實際需要對鍵盤中的按鍵靈活的編碼達到更好的搶答效果如圖 24 所示。 圖 24 獨立鍵盤按鍵圖 中國地質(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 矩陣式鍵盤的特點是把檢測線分成兩組 ， 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上 ， 編程實現(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 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)還是較簡單制作也較容易而且單片機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 ： 采用點陣組成