【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)計(jì)是比不可少的，也是此次設(shè)計(jì)的核心。 搶答器的硬件圖 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，我們先大概將搶答器的硬件分為這幾部分： CPU、聲音電路、顯示電路、定時(shí)電路、開始結(jié)束鍵輸入和搶答按鍵輸入。硬件圖如圖 22 所示。 圖 22 搶答器硬件圖 時(shí)鐘頻率控制電路 單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下 才能工作。 AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部 振 蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 只需要外接一個(gè)振 10 蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，決定單片機(jī)的工作速度。時(shí)鐘頻率控制電路如圖 23 所示。 圖 23 外部振蕩電路 內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器一般選用石英晶體振蕩器。 此電路在加電大約延遲 10ms 后振蕩器起振，在 XTAL2 引腳產(chǎn)生幅度為 3V 左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào)，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個(gè)電容 C C2 選用 30PF 大小，其作用有兩個(gè)：一是幫 助振蕩器起振；二是對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。 單片機(jī)在工作時(shí)，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外部直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)。該設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率選為 12MHz。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 在搶答器中復(fù)位是為定時(shí)做鋪墊的，在搶答之前要復(fù)位，搶答完畢要復(fù)位，按了復(fù)位鍵之后 LED 顯示 F。單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 24 所示。 圖 24 復(fù)位電路 圖中復(fù)位電路由按鍵和電解 電容 C電阻 R9 構(gòu)成的按鍵及上電復(fù)位電路。由于單片機(jī)是高電平復(fù)位，所以當(dāng)按鍵按下時(shí)，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)上電后由于電容緩慢充電，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。 在此設(shè)計(jì)中使用了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種。硬件復(fù)位可將寄存器及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到初始值。而在設(shè)計(jì)中，倒計(jì)時(shí)時(shí)間存在記憶功能，因此還設(shè)計(jì)了軟復(fù)位功能。軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢后，講程序指針通過一條 跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到該段程序的起始地址。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 11 我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機(jī)某個(gè)管腳的高低電平，則在該管腳上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上蜂鳴器就能發(fā)出一定頻率的聲音，若利用延時(shí)程序控制高低電平的持續(xù)時(shí)間，就能改變輸出頻率，從而改變蜂鳴器發(fā)出的音調(diào)。在本設(shè)計(jì)中此電路起到報(bào)警功能。它會(huì)在第一位選手按下?lián)尨鸢粹o時(shí)響一次，以提示有人搶答本題，并且在該選手的 60 秒搶答過程中或 30 秒等待過程中剩余最后 5 秒時(shí)響起，以提示到此題結(jié)束還有 5 秒鐘。 本次設(shè)計(jì)如圖 25所示，圖中用到單片機(jī)的 11 和 16 管腳。 10 管腳具有讀入功能，11 管腳具有輸出功能，而 16 管腳具有外部數(shù)據(jù)寫功能，單片機(jī)通過內(nèi)部定時(shí)器的操作實(shí)現(xiàn)交替變換的波形輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)生。 圖 25 報(bào)警電路 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示功能與硬件的關(guān)系極大，顯示電路有兩種選擇，液晶屏顯示和傳統(tǒng)數(shù)碼管顯示。液晶屏具有輕薄、無輻射危險(xiǎn)、可視面積大、分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是由于顯示信息少、編程工作量大和成本偏高。而數(shù)碼管具有低耗能、低損耗、低壓、壽命長和精確度高、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采 用的是 4 位七段數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示通常顯示分為動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。其中，靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，編程簡單，顯示亮度高，但占用 I/O 口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。而動(dòng)態(tài)顯示的穩(wěn)定性雖沒靜態(tài)顯示的好，編程復(fù)雜，但是相對(duì)靜態(tài)顯示而言占用的端口資源少。 本設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)顯示方法。通過查表法將值在數(shù)碼管上顯示出來。其中單片機(jī)的P0 口為字型碼輸入端， P2 口得低三位為字選段輸入端。 4 位七段數(shù)碼管顯示電路如圖 26。 12 圖 26 七段數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管有共陰極和共 陽極兩種接法。共陰極接法，各發(fā)光二極管的陰極連在一起并接地，當(dāng)某一發(fā)光二極管的陽極輸入高電平時(shí)，則該段發(fā)光；共陽極接法，各發(fā)光二極管的陽極連在一起并接電源，當(dāng)某一發(fā)光二極管的陰極輸入低電平時(shí)，則該段發(fā)光。 本設(shè)計(jì)采用 4 位一體的七段共陰極數(shù)碼管，其中 AG 段分別接到單片機(jī)的 P0 口，由單片機(jī)輸出的 P0 口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼 COM1， COM3， COM4 分別接到單片機(jī)的 ， ，由單片機(jī)來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。在電路圖中還有 8 個(gè) 220 歐姆的電阻分別連接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉電阻，保 證 P0 口沒有數(shù)據(jù)輸出時(shí)處于高電平狀態(tài)。 鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì) 鍵盤掃描電路由兩部分組成：搶答電路和定時(shí)電路。 鍵盤是人機(jī)交互的主要設(shè)備，鍵盤電路分為獨(dú)立式和矩陣式。其中，獨(dú)立式鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對(duì)硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣式鍵盤硬件電路比獨(dú)立式鍵盤電路復(fù)雜，而且程序設(shè)計(jì)繁瑣，但它節(jié)省端口，適合于多按鍵電路。 本設(shè)計(jì)基于簡單硬件電路要求的基礎(chǔ)上，采用的是獨(dú)立鍵盤的方式。 在定時(shí)電路的設(shè)計(jì)中，有 1 個(gè)搶答時(shí)間調(diào)整按鍵、 1 個(gè)回答時(shí)間調(diào)整按鍵、加一按鍵、減一按鍵和 1 個(gè)開始按鍵、 1 個(gè)結(jié)束按鍵。電路圖如圖 27 所示。 圖 27 定時(shí)電路 圖 28 搶答電路 13 圖中和 AT89C51 芯片的 12 管腳連接的為搶答時(shí)間 30s 的調(diào)整按鍵，和 13 管腳連接的為回答時(shí)間 60s 的調(diào)整按鍵，與 14 管腳連接的為加一按鍵，與 15 管腳連接的為減一按鍵。這四個(gè)按鍵用于主持人對(duì)回答時(shí)間和搶答時(shí)間的調(diào)整。 開始按鍵與單片機(jī)的 10 管腳連接，停止按鍵與 11 管腳連接。這里用到了單片機(jī) 11 管腳復(fù)合功能中的 IO端口功能，單片機(jī) 通過讀取 11 腳的 、 的 IO端口值來判斷當(dāng)前是否處于搶答開始狀態(tài)或搶答結(jié)束狀態(tài)。當(dāng)主持人按下開始鍵，搶答電路和定時(shí)電路將進(jìn)入正常搶答狀態(tài)；當(dāng)回答完畢，主持人可以按下結(jié)束鍵停止計(jì)時(shí)。 搶答電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)；二是其他選手操作無效。搶答電路如圖 28 所示，圖中 8個(gè)搶答按鍵分別接入單片機(jī)的 端口，單片機(jī)通過讀取 的值來判斷當(dāng)前輸入的是 8個(gè)搶答按鍵中的哪一個(gè)。如果主持人未按下開始按鍵判斷到有人違 規(guī)操作，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，并且數(shù)碼管會(huì)顯示出犯規(guī)者的編號(hào)。 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 1. 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)思路 為了能達(dá)到公平、公正、合理的設(shè)計(jì)理念，應(yīng)該在主持人發(fā)布搶答命令之前設(shè)定好搶答時(shí)間。當(dāng)時(shí)間設(shè)定好了之后，主持人發(fā)布搶答命令。按下開始按鍵后，程序開始打開，定時(shí)中斷開始倒計(jì)時(shí)，然后調(diào)用鍵盤掃描子程序，當(dāng)掃描到有人按下了搶答鍵，馬上關(guān)閉搶答中斷計(jì)時(shí)器 T1，調(diào)用顯示程序，此時(shí)封鎖搶答鍵盤，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器 T0。 2. 主程序框圖 根據(jù)搶答器設(shè)計(jì)要求，其軟件設(shè)計(jì)部分流程圖如圖 31： 14 圖 31 主程序流程圖 鍵盤掃描程序設(shè)計(jì) 搶答選手的搶答程序設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。鍵盤掃描流程圖如圖 32 所示。 15 圖 32 鍵盤掃描程序流程圖 顯示程序設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的顯示部分在按下開始鍵時(shí)，后兩個(gè)數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)間，以 1s 變換一次， 16 并且調(diào)用延時(shí)程序，此時(shí)定時(shí)器采用中斷方式，可以充分利用 CPU。在有選手按下?lián)尨疰I時(shí)，第一個(gè)數(shù)碼管顯示選手號(hào)，最后兩個(gè)數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)，定時(shí)器同樣采用中斷方式。 除此之外，本設(shè)計(jì)數(shù)碼管具有閃爍功能，當(dāng)有違規(guī)搶答時(shí)，第一個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示選手號(hào)，后兩個(gè)數(shù) 碼管會(huì)閃爍顯示 FF，一個(gè)周期為每秒 1 次。以示搶答無效，此時(shí)定時(shí)器采用定時(shí)中斷的工作方式。 連接時(shí)段選信號(hào)接在 P0口的 ～ I/O口上， P1口是準(zhǔn)雙向 I/O接口在輸出驅(qū)動(dòng)部分，所以在接電阻時(shí)選擇接 220Ω限流電阻。而在位選方面采 用 P2口的 ～ ，用單片機(jī) I/O口作為位選信號(hào)的輸出口 。 第 4 章 系統(tǒng)調(diào)試與軟件仿真 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，二者密不可分。我們?cè)O(shè)計(jì)好的硬件電路和軟件程序必須經(jīng)過聯(lián)合調(diào)試才能驗(yàn)證其正確性。 硬件調(diào)試 硬 件調(diào)試分為單元電路調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試，單元電路調(diào)試在硬件電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)進(jìn)行，這里只對(duì)其印刷版電路進(jìn)行檢驗(yàn)。 線路檢查：根據(jù)硬件邏輯設(shè)計(jì)圖，仔細(xì)檢查電路是否正確，并且核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求，必要時(shí)可用萬用表檢測線路通斷情況。先用萬用表檢查各