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正文內(nèi)容

基于51單片機(jī)的六路搶答器設(shè)計(jì)與制作(編輯修改稿)

2024-11-28 08:26 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 V 編程電壓( Vpp)。 搶答器的優(yōu)點(diǎn)及組成 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 AT89C51 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、語音模塊、搶 答開關(guān)模塊。該搶答器系統(tǒng)通過開關(guān)電路 六 個(gè)按鍵輸入搶答信號;利用存儲(chǔ)程序 來完成軟件的設(shè)計(jì) ;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,經(jīng)單片機(jī)的處理,輸出控制信號,控制數(shù)碼管和語音芯片工作。在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題,并通過語音系統(tǒng)讀出第 N 組請答題,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)搶答過程 。 溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 電子信息工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第三章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì) [5],這兩者相互結(jié)合,不可分離;從時(shí)間上看,硬件設(shè)計(jì)的絕大部分工作量是在最初階段,到后期往往還要做一些修改。只要技術(shù)準(zhǔn)備充分,硬件設(shè)計(jì)的大返工是比較少的,軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)貫徹始終,到中后期基本上都是軟件設(shè)計(jì)任務(wù),隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,各種功能很強(qiáng)的芯片不斷出現(xiàn),使硬件電路的集成度越來越高,硬件設(shè)計(jì)的工作量在整個(gè)項(xiàng)目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設(shè)計(jì)盡可能合理,應(yīng)注意以下幾方面: (1) 盡可能采用功能強(qiáng)的芯片,以簡化電路,功能強(qiáng)的芯片可以代替若干普通芯片,隨著生產(chǎn)工藝的提高,新型芯片的的價(jià)格不斷下降,并不一定比若干普通芯片價(jià)格的總和高。 (2) 留有設(shè)計(jì)余地。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí),要考慮到將來修改擴(kuò)展的方便。因?yàn)楹苌儆幸?錘定音的電路設(shè)計(jì),如果現(xiàn)在不留余地,將來可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工。 (3) 程序空間,選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機(jī),本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)。 (4) RAM 空間, AT89C51 內(nèi)部 RAM 不多,當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時(shí),往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM,則建議多留一些空間。如選用 8155 作 I/O 接口,就可以增強(qiáng) 256 字節(jié) ,則應(yīng)配置足夠的 RAM,如 6264,62256 等。隨著軟件設(shè)計(jì)水平的提高,往往只要改變或增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法,就可以 使系統(tǒng)功能提高很多,而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設(shè)計(jì)初期考慮到這一點(diǎn),就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留足夠的 RAM 空間,哪怕多設(shè)計(jì)一個(gè) RAM 的插座,暫不插芯片也好。 (5) I/O 端口:在樣機(jī)研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場試用時(shí),往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題,而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集,就必須增加輸入檢測端;有些物理量需要控制,就必須增加輸出端。如果在硬件電路設(shè)計(jì)就預(yù)留出一些 I/O 端口,雖然當(dāng)時(shí)空著沒用,那么用的時(shí)候就派上用場了。 總體原理圖 溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 電子信息工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 S4 S3S9S5S7 S6 S2Y1R1C2C3C1abfcgdeD P YdpabfcgdeD P YdpabfcgdeD P YdpabfcgdeD P YdpA1B2C3D4E5F6G71 2 3 4D S 1R2 R3 R4 R 1 3 R 1 4 R 1 5 R 1 6S 10S 11P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XTAL119XTAL218RST9/RSEN29ALE30/EA31P1.88P1.77P1.56P1.45P1.34P1.23P1.12P1.01U1+ 5VS 15S 14L S 1加一減一S8S1搶答時(shí)間調(diào)整回答時(shí)間調(diào)整開始結(jié)束1 2 3 4 5 6+ 5V 圖 31系統(tǒng)原理圖 為開始搶答 [9], 為停止, 為六路搶答輸入,數(shù)碼管段選 P0 口,位選 P2 口低 3 位,蜂鳴器輸出為 口。 為時(shí)間加 1 調(diào)整, 為時(shí)間減 1 調(diào)整。 時(shí)鐘頻率電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能工作 .在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路 ,只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元 ,決定單片機(jī)的工作速度。如圖 32所示。 圖 32為外部振蕩源電路 溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 電子信息工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 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 ,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 C1,C2 的作用有兩個(gè) :一是幫助振蕩器起振 。二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。 C1,C2 的典型值為 30PF。 單片機(jī)在工作時(shí) ,由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號頻率的倒數(shù) ,常用 fosc 表示。如時(shí)鐘頻率為 12MHz,即 fosc=12MHz,則時(shí)鐘周期為 1/12181。s。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的第 9腳 RST為硬件復(fù)位端 ,只要將該端持續(xù) 4個(gè)機(jī)器周期的 高電平即可實(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 33 所示。 圖 33復(fù)位電路 值得注意的是 ,在設(shè)計(jì)當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能 ,由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值 ,而前面的功能介紹中提到了倒計(jì)時(shí)時(shí)間的記憶功能 ,該功能的實(shí)現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位 ,所以設(shè)定了軟復(fù)位功能。軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后 ,將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示功能與硬件關(guān)系極大,當(dāng)硬件固定后, 如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息,全靠軟件來解決。 溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 電子信息工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 顯示模塊在系統(tǒng)軟件中的安排 操作者主要設(shè)計(jì)從顯示設(shè)備上獲取微機(jī)系統(tǒng)的信息的,因此,操作者每操作一下,顯示設(shè)備商都應(yīng)該有一定的反應(yīng)。這說明,顯示模塊與操作有關(guān),即監(jiān)控程序是需要調(diào)用顯示模塊。不同的操作需要顯示不同的內(nèi)容,這又說明各執(zhí)行模塊對顯示模塊的驅(qū)動(dòng)方式是不同的。另一方面,在操作者沒有進(jìn)行操作時(shí),顯示內(nèi)容也是變化的,如顯示現(xiàn)場各物理量的變化情況。這時(shí)顯示模塊不是由操作者通過命令鍵來驅(qū)動(dòng),而是由各類自動(dòng)執(zhí)行的功能模塊來驅(qū)動(dòng)。自 動(dòng)執(zhí)行的各類模塊在安排在各種中斷子程序中,這就是說,各種中斷子程序也要調(diào)用顯示模塊。如果監(jiān)控安排在中斷子程序中,兩者的要求就統(tǒng)一了,問題比較好解決,如果監(jiān)控程序安排在主程序中,在監(jiān)控程序調(diào)用顯示模塊的過程中發(fā)生了中斷,中斷子程序也調(diào)用顯示模塊,這時(shí)就容易出問題。一種比較妥善的辦法是只讓一處調(diào)用顯示模塊,其他各處均不得直接調(diào)用顯示模塊,但有權(quán)申請顯示。這就要設(shè)置一個(gè)顯示申請標(biāo)志,當(dāng)某模塊需要顯示時(shí),將申請標(biāo)志置位,同時(shí)設(shè)定有關(guān)顯示內(nèi)容(或指針)。由于一處調(diào)用顯示模塊,故不會(huì)發(fā)生沖突。為了使顯示模塊能及時(shí)反應(yīng)系 統(tǒng)需要,應(yīng)將顯示模塊安排在一個(gè)重復(fù)執(zhí)行的循環(huán)(如監(jiān)控循環(huán)或時(shí)鐘中斷子程序)中。當(dāng)監(jiān)控程序(鍵盤解釋程序)安排在時(shí)鐘中斷子程序中時(shí),處理比較方 便,只要在監(jiān)控程序的匯合處調(diào)用顯示模塊就可以了。例如用 DISP 作顯示申請標(biāo)志,就可以這樣安排顯示模塊的調(diào)用,即 DISP BIT ;顯示申請標(biāo)志 SKEYEND: JNB DISP,RETI0 ;有顯示申請否? LCALL DISPLAY ;調(diào)用顯 示模塊,更新顯示內(nèi)容 CLR DISP ;清除申請 RETI ;中斷返回 KEYEND 為鍵盤解釋程序的最后匯集點(diǎn),這時(shí)如果發(fā)現(xiàn)有顯示申請,就進(jìn)行集中操作,更新顯示內(nèi)容,否則就跳過這一步。 這里將顯示功能集中到一起,作為一個(gè)功能模塊,就要求它的功能全面,能根據(jù)系統(tǒng)軟件提供的信息自動(dòng)完成顯示內(nèi)容的查找,變換和輸出驅(qū)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)使得各功能模塊都不必考慮顯示問題,只要給出一個(gè)簡單的 信息(如顯示格式編碼)甚至不用再提供額外信息,直接利用當(dāng)前狀態(tài)變量和軟件標(biāo)志就可以完成所需的顯示要求。 如果編寫這樣一個(gè)集中顯示模塊有困難,也可以將顯示模塊編小一些,只完成顯示溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 電子信息工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 緩沖區(qū)的內(nèi)容輸出到顯示器件上的工作。這時(shí)各功能模塊在提出顯示申請時(shí),還需要將顯示內(nèi)容按需要的格式送入顯示緩沖區(qū)中。這樣分而治之比較容易編程,但要小心出現(xiàn)顯示混亂。例如后臺(tái)程序需要調(diào)用顯示,將有關(guān)信息送入到現(xiàn)實(shí)緩沖區(qū)進(jìn)行顯示;中斷返回后,后臺(tái)程序繼續(xù)送完后半部分顯示內(nèi)容,但前半部分內(nèi)容已經(jīng)變了,這樣就出現(xiàn)了顯示錯(cuò)誤。解決的辦法是,在申請 顯示前,先檢查是否已經(jīng)有顯示申請,如果有,就不再申請,等待下次機(jī)會(huì);如果沒有,則先申請標(biāo)志位,再將顯示內(nèi)容送入顯示緩沖區(qū)。這時(shí)就不必?fù)?dān)心其他前臺(tái)模塊來打擾了,就可以得到一次完整的顯示機(jī)會(huì)。 在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示 , 通常在顯示 [6]上我們采用的方法一般包括兩種 : 一種是靜態(tài)顯示,一種是動(dòng)態(tài)顯示 。 其中靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍,程序編寫簡單,但占用端口資源多;動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好,程序編寫復(fù)雜,但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況采用的是動(dòng)態(tài)顯示方法。并通過查表法 ,將其在數(shù)碼管上顯示出來,其中 P0 口為字型碼輸入端, P2 口低 3位為字選段輸入端 。 在這里我們通過查表將字型碼送給 7 段數(shù)碼管顯示的數(shù)字,如圖34 所示 。 MOV A,R5 MOVC A,@A+DPTR ;查字型碼 MOV P2,01H ;送位選碼 MOV P0,A ;送字型碼 ACALL DELAY ;調(diào)延時(shí),去閃爍 圖 34共陰極數(shù)碼管 在七段數(shù)碼管顯示中 可分為共陽極和共陰極兩種類型極 。 以共陰為例,要想 a 段亮,溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 電子信息工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 向 a 段送 1 就是,返之送 0,共陽剛好相反。 鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì) 鍵盤是人與微機(jī)系統(tǒng)打交道的主要設(shè)備。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計(jì)方法也可以在文獻(xiàn)和書籍中找到,配合各種不同的硬件電路,這些書籍中一般也提供了相應(yīng)的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的立場上來看,僅僅完成鍵盤掃描,讀取當(dāng)前時(shí)刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的,還有不少問題需要妥善解決,否則,人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤 。如圖35所示。 圖 35獨(dú)立鍵盤 它們各有自己的特點(diǎn) , 其中獨(dú)立鍵盤硬件電路簡單 , 而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜 ,一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中 ; 矩陣鍵盤與獨(dú)立
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