【文章內(nèi)容簡介】 2外部震蕩源電路Fig. 32 external oscillators circuitC1和C2通常取30pF左右，可以穩(wěn)定頻率并對(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用[[] 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2006 :34.]。震蕩脈沖頻率范圍為fosc=0~24MHz，我們所用的震蕩頻率為12MHz。鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用中必不可少的硬件之一，由于其設(shè)計(jì)方法多種多樣，所以在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)等信息綜合考慮，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、簡單易用、性能優(yōu)良的人機(jī)鍵盤界面[[] 陳銘. 單片機(jī)矩陣式鍵盤的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2012, 25(1):99100.]。鍵盤是進(jìn)行人機(jī)交互的主要設(shè)備。在單片機(jī)應(yīng)用中主要是獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤。其中獨(dú)立鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，程序設(shè)計(jì)也較為簡單，一般用于對(duì)硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤在硬件結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，程序算法上也比獨(dú)立鍵盤復(fù)雜得多，但是矩陣鍵盤更加能夠節(jié)省端口資源，適合在按鍵較多的電路中使用。在本設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省端口資源，采用矩陣鍵盤。按鍵電路如圖33所示。圖33 按鍵電路Fig. 33 key circuit在這個(gè)4*3的矩陣鍵盤中，上兩行8個(gè)按鍵是8為選手的搶答按鍵，最下面一行是主持人控制的加減分按鍵和開始、復(fù)位按鍵。這個(gè)矩陣鍵盤接在單片機(jī)的P3端口上，，在必要的時(shí)候可以再加一行按鍵，*4的矩陣鍵盤。在按鍵的過程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)造成按下按鍵判定不準(zhǔn)確，要消除這種影響就需要在掃描程序中采用消抖動(dòng)處理[[] 徐志軍, 王金明. EDA技術(shù)與PLD設(shè)計(jì)[M]. 北京:人民郵電出版社, 2005 :49.]。通常采用的方法是，延時(shí)重復(fù)掃描的辦法，在檢測到按鍵按下之后延時(shí)一段時(shí)間再次檢測按鍵電平是否保持原狀態(tài)，進(jìn)行多次掃描后如果鍵盤的電平保持不變則判定按鍵被按下，否則判定為無效。 使CPU回到初始狀態(tài)，從0000H地址開始執(zhí)行程序的過程腳系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)的復(fù)位可分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位[[] 程相波, 衛(wèi)安軍. 基于MCS51單片機(jī)的八路搶答器設(shè)計(jì)方法研究[J]. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 6(2).]。硬件復(fù)位必須通過CPU外部的硬件電路給CPU的RESET端加上足夠時(shí)間的高電位才能實(shí)現(xiàn)。上電復(fù)位，人工按鍵復(fù)位和看門狗復(fù)位均為硬件復(fù)位。硬件復(fù)位后，各個(gè)寄存器狀態(tài)唄初始化，對(duì)片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。軟件復(fù)位就是用一系列指令來模擬硬件復(fù)位功能。軟件復(fù)位中對(duì)中斷標(biāo)志的清除工作常被遺忘，但清除中斷標(biāo)志非常重要。在本設(shè)計(jì)中的主持人控制的復(fù)位按鍵只是使程序結(jié)束當(dāng)前的搶答過程進(jìn)入到下一輪的搶答環(huán)節(jié)，并不是真正意義上的對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位后，所有選手的分?jǐn)?shù)也將會(huì)清零。復(fù)位電路如圖24所示。圖34 復(fù)位電路Fig. 34 reset circuit復(fù)位電路主要由電解電容C電阻R按鍵S1組成。由于單片機(jī)是高電平復(fù)位，所以當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)候，單片機(jī)的9腳RESET管腳處于高電平，此時(shí)單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)上電后，由于電容的緩慢放電，單片機(jī)的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時(shí)間后，單片機(jī)的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行。需要強(qiáng)調(diào)的是，在本設(shè)計(jì)中的主持人復(fù)位，并沒有使系統(tǒng)回到0000H開始執(zhí)行，只是回到搶答的開始階段開始執(zhí)行程序，不屬于以上所述的復(fù)位的范疇。如果需要整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)進(jìn)行工作，則可以按下Reset鍵進(jìn)行硬件復(fù)位。蜂鳴器是眾多電子產(chǎn)品中常用的發(fā)聲器件，本設(shè)計(jì)中也使用蜂鳴器作為發(fā)聲裝置，本設(shè)計(jì)中的發(fā)聲電路如圖25所示。圖35發(fā)聲電路Fig. 35 sounding circuit。單片機(jī)內(nèi)部通過編程控制I/O口的高低電平就能控制蜂鳴器的響鈴時(shí)常和頻率。 綜合PCB板的設(shè)計(jì)印制電路板（PCB）是各種電子產(chǎn)品中電路元器件的載體，PCB提供了電路元件和器件之間的電氣連接，PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)產(chǎn)品性能有很大影響[[] 夏青. 電子線路設(shè)計(jì)：PCB設(shè)計(jì)的一般原則[J]. 大家, 2011(12):236.]。因此，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)。必須遵守PCB設(shè)計(jì)的一般性原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。為了設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)低廉的PCB，應(yīng)遵循一些原則。 布局的原則要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí)，印制線就條長，同時(shí)阻抗增加，抗噪聲能力也會(huì)下降，成本也增加；過小，則散熱不好，而且鄰近線條易受干擾。確定特殊元件的位置。在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：a) 縮短高頻元器件間的連線，以減少它們的分布參數(shù)和相互的電磁干擾。容易受干擾的元器件不能太近，輸入和輸出元件要盡量遠(yuǎn)離。b) 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有比較高的電位差，應(yīng)該增加它們之間的距離，以避免放電引發(fā)意外短路。c) 較重的元器件應(yīng)該用支架固定，再焊接。那些笨重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，應(yīng)裝在機(jī)箱底板上，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。d) 應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)電路的功能模塊，對(duì)全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：a) 按照電路的流程安排電路中各個(gè)功能單元的位置，使布局放便信號(hào)流通，并使信號(hào)盡量保持一致的方向。b) 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上。盡量減少各元器件之間的引線和縮短連接。c) 一般應(yīng)當(dāng)使元器件平行排列。這樣，既美觀有容易裝焊，易于批量生產(chǎn)。 布線 I/O口的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線,以避免發(fā)生反饋藕合。 導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基扳間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流大小決定。 在條件允許的情況下盡量使用寬線。尤其是電源線和地線。導(dǎo)線間的最小距離主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。工藝允許的條件下，使間距盡量小。印制導(dǎo)線拐彎處一般采用圓弧形，直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。還應(yīng)盡量不使用大面積銅箔。長時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀。這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。 焊盤尺寸、焊盤的內(nèi)孔尺寸必須從元件引線直徑和公差尺寸以及鍍錫層厚度、孔徑公差、孔金屬化電鍍層厚度等方面考慮。，為了增加焊盤的抗剝離強(qiáng)度，可采用方形焊盤。設(shè)計(jì)焊盤時(shí)的注意下列事項(xiàng)：焊盤孔邊緣到電路板邊緣要大于1mm，這樣可以防止加工時(shí)導(dǎo)致焊盤缺損。焊盤補(bǔ)淚滴，當(dāng)與焊盤連接的銅膜線較細(xì)時(shí)，要將焊盤與銅膜線之間的連接設(shè)計(jì)成淚滴狀，這樣可以使焊盤不易被剝離，而銅膜線與焊盤之間的連線不易斷開。相鄰的焊盤盡量不要有銳角。根據(jù)上述要求，我們設(shè)計(jì)PCB。我們將各個(gè)模塊組合起來之后得到綜合電路原理圖（如圖31）。我們將綜合原理圖輸入Proteus中，就可以利用Proteus的PCB設(shè)計(jì)工具AERS自動(dòng)生成PCB圖。由Proteus生成PCB圖的主要有以下步驟：(1) 繪制原理圖。這是電路板設(shè)計(jì)的先期工作，主要是完成原理圖的繪制，包括生成網(wǎng)絡(luò)表。當(dāng)然，也可直接進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)，不繪制原理圖。原來用于仿真的原理圖需將信號(hào)源及測量儀表的接口連上適當(dāng)?shù)倪B接器。(2) 規(guī)劃電路板。在繪制印制電路板之前，要對(duì)電路板有一個(gè)大體的規(guī)劃，比如電路板采用多大的物理尺寸，采用幾層電路板，各元件采用何種封裝形式及其安裝位置等。這是確定電路板設(shè)計(jì)的框架，都可以從菜單欄system里進(jìn)行設(shè)置。(3) 設(shè)置參數(shù)。設(shè)置參數(shù)主要是設(shè)置元件的布置參數(shù)、層參數(shù)、布線參數(shù)等。(4) 裝入網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝。網(wǎng)表是原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)與印制電路板設(shè)置系統(tǒng)的接口，只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入之后，才可能完成對(duì)電路板的自動(dòng)布線。元件的封裝是元件的外形，對(duì)每個(gè)元件必須有相應(yīng)的外形封裝，才能保證電路板設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。本設(shè)計(jì)中的按鍵，12864液晶沒有封裝，需自行封裝。(5) 元件布局。元件布局可以采用自動(dòng)布局和手工布局。一般自動(dòng)布局后進(jìn)行調(diào)整。(6) 布線。一般先進(jìn)行自動(dòng)布線，然后手工布線進(jìn)行調(diào)整。(7) 文件保存及輸出。完成電路板的布線后，保存完成的電路線路圖文件。按照需求可以打印成紙質(zhì)文檔。最終本設(shè)計(jì)生成的PCB圖如圖36所示。圖36 PCB設(shè)計(jì)圖Fig. 36 PCB design第4章 軟件設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)是有軟硬件結(jié)合而成的，硬件電路的設(shè)計(jì)解決了系統(tǒng)的物理層面實(shí)現(xiàn)，而要賦予這些硬件“靈魂”，就需要軟件來實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)主控芯片來講的，由軟件設(shè)計(jì)來告訴主控芯片如何去控制外圍電路完成某些特定的功能。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)我們需要實(shí)現(xiàn)的功能來看，軟件設(shè)計(jì)主要可以分為一下機(jī)個(gè)部分：l 顯示模塊：在整個(gè)搶答過程中顯示信息的功能貫穿始終，是最主要的模塊。控制顯示屏顯示正確的信息是顯示模塊軟件的主要職責(zé)。l 輸入模塊：本設(shè)計(jì)的輸入模塊是由43的矩陣鍵盤構(gòu)成的，正確檢測出從鍵盤上輸入的信息非常重要。輸入模塊軟件就是要完成這一任務(wù)。l 計(jì)時(shí)模塊：在搶答器的工作過程中多出設(shè)計(jì)的倒計(jì)時(shí)功能，計(jì)時(shí)模塊軟件主要完成準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的功能。并在需要的時(shí)候提供當(dāng)前的時(shí)間供其他模塊調(diào)用。l 初始化模塊：整個(gè)系統(tǒng)要穩(wěn)定的運(yùn)行，就需要自始至終都在我們的控制之下。系統(tǒng)最初啟動(dòng)是所處的狀態(tài)無法確定，就需要初始化程序?qū)τ布到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，使之符合系統(tǒng)運(yùn)行的要求。本設(shè)計(jì)中初始化主要包括對(duì)單片機(jī)的初始化和對(duì)LCD12864液晶的初始化。l 主函數(shù)模塊：程序都是從主函數(shù)開始運(yùn)行的，主函數(shù)要控制這個(gè)程序運(yùn)行的流程，將各個(gè)模塊有機(jī)的結(jié)合起來，使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。軟件系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。圖41軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 41 module structure of software system圖41中列出了軟件系統(tǒng)的主要模塊的機(jī)構(gòu)組成。除了以上主要模塊外還包含一些其他函數(shù)和模塊，例如引腳定義、延時(shí)函數(shù)、加減分模塊等。本設(shè)計(jì)中根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求和搶答器系統(tǒng)的工作流程，可以得到系統(tǒng)的程序總流程圖，如圖42所示。圖42 程序總流程圖Fig. 42 program flow chart圖42給出了程序的總體流程圖，之后，我們將對(duì)一些主要的程序進(jìn)行詳細(xì)的分析。本設(shè)計(jì)中采用的按鍵是矩陣式鍵盤。比較好的識(shí)別按鍵的方法是進(jìn)行按鍵掃描。對(duì)矩陣鍵盤進(jìn)行按鍵掃描的基本原理是對(duì)矩陣鍵盤的一條列線置為低電平，然后掃描行線，根據(jù)各行線的狀態(tài)就能判斷該列線上所有按鍵的狀態(tài)。依次分別對(duì)所有列線置低，再掃面行線，就完成了一次對(duì)所有按鍵的掃描。[[] 余江, 李雪梅. 按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 內(nèi)江科技, 2011, 32(5):116.]考慮到可能出現(xiàn)的毛刺現(xiàn)象在掃描按鍵的過程中要做消抖動(dòng)處理，消抖動(dòng)的原理在前面介紹過，這里不再敘述。根據(jù)上述原理，我們繪制出按鍵掃描程序的流程圖如圖43所示。圖43按鍵掃描流程圖Fig. 43 buttons scan flow chart從圖43中我們可以看出程序是先將一根行線置高，然后掃描列線。一次對(duì)所有行線置高之后就完成一次掃描，延時(shí)一段時(shí)間是為了消除按鍵抖動(dòng)的影響。最后返回對(duì)應(yīng)的按鍵鍵值。源程序見附錄。定時(shí)器分為軟件定時(shí)器和硬件定時(shí)器，軟件定時(shí)器是靠指令延時(shí)完成定時(shí)任務(wù)的。因此，軟件定時(shí)器的基本思想是使某條指令循環(huán)若干次達(dá)到定時(shí)效果，軟件定時(shí)主要用于定時(shí)進(jìn)度不高的情況下。[[] 李強(qiáng). 單片機(jī)定時(shí)、計(jì)數(shù)器編程技術(shù)（上）[J]. 電子世界, 2004(9):3132.]軟件定時(shí)器的原理簡單，但有時(shí)不能滿足需求，這是就需要硬件定時(shí)/技術(shù)器。硬件定時(shí)器的基本原理：硬件定時(shí)/技術(shù)器獨(dú)立于CPU工作，可以由軟件控制它的啟動(dòng)和停止。當(dāng)預(yù)定的定時(shí)時(shí)間后向CPU發(fā)送一次中斷請求，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。定時(shí)/計(jì)數(shù)器有內(nèi)部定時(shí)和外部計(jì)數(shù)功能，但實(shí)質(zhì)上是計(jì)數(shù)，數(shù)器對(duì)外部時(shí)間的計(jì)數(shù)就是計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)累加它就是系統(tǒng)定時(shí)器[[] 李強(qiáng). 單片機(jī)定時(shí)、計(jì)數(shù)器編程技術(shù)（下）[J]. 電子世界, 2004(10):2932.]。選擇定時(shí)還是計(jì)數(shù)是可編程的。對(duì)計(jì)數(shù)的寄存器設(shè)定初值后，定時(shí)器與CPU并行工作，計(jì)數(shù)器累加溢出時(shí)發(fā)出中斷請求，系統(tǒng)響應(yīng)中斷。為了確保計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)中我們采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器并且以中斷的方式計(jì)數(shù)。定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)流程圖如圖44所示。圖44 定時(shí)器中斷流程圖Fig. 44 flow charts of the timer interrupt從圖44中可以看出，在本設(shè)計(jì)中每次計(jì)數(shù)器累加溢出后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，對(duì)Cent加一，返回繼續(xù)運(yùn)行主程序，累計(jì)到cent等于20時(shí)為1秒，這時(shí)對(duì)time的值減一，返回繼續(xù)運(yùn)行主程序。直到time為零時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。顯示模塊程序主要用于控制LCD12864顯示各種需要的信息。我們所使用的是由ST7920控制器控制的帶字庫液晶，該液晶能夠顯示12864像素的圖像和4行8列的漢字以及4行16列的半寬字符[[] 胡洪坡, 梁書劍, 張愛民, 等. 基于ST7920的12864液晶的使用方法研究[J]. 山西電子技術(shù), 2011(6):8284.[22] Ma Xinyuan. Research of Microcontroller Development[J]. System Control amp。Automation, 2004, (6): 6971.[23] Schultz T W. C and the 8051[M]. WOOD ISLAND PRINTS, 2008.]。關(guān)于它的顯示原理可以參考相關(guān)文獻(xiàn)和使用手冊。在這里僅對(duì)它的指令系統(tǒng)做一介紹。LCD12864與單片機(jī)之間的通信有并行和串行兩種方式。串行方式需要的端口較少，但是寫入指令和數(shù)據(jù)需要的時(shí)間比較長，并行方式占用端口多，寫入速度較快。本設(shè)計(jì)中我們才用并行方式進(jìn)行通信。對(duì)LCD12864的操作實(shí)際上是對(duì)ST7920驅(qū)動(dòng)芯片的操作，單片機(jī)將指令發(fā)送給ST79