【文章內(nèi)容簡介】 編碼鍵盤，如計算機鍵盤。而通過軟件編程方式來確定某個按鍵的閉合的鍵盤稱為非編碼鍵盤，在單片機組成的各種系統(tǒng)中，用的比較多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為：獨立鍵盤和行列式鍵盤（或稱矩陣鍵盤）。對于每一個按鍵需要與單片機的I/O口相連，從而讀出鍵盤的狀態(tài)。單片機可以通過軟件編程讀出哪個鍵按下，從而做出對應(yīng)的操作。 獨立式鍵盤電路設(shè)計獨立式鍵盤是單片機電路中用的最多的鍵盤輸入，獨立鍵盤是由鍵盤的兩端直接和單片機的I/O口與接地相連。當鍵盤按下時，對應(yīng)端口與地相連，則直接將對應(yīng)的端口變成低電平，然后做出相應(yīng)的操作。每個獨立鍵盤需要單獨使用一根I/O線，所以當一個電路中鍵盤輸入較多時采用獨立鍵盤設(shè)計就會造成I/O口的大量浪費，從而造成I/O口不夠用。所以，只有按鍵數(shù)量不多時，采用獨立鍵盤輸入。電路中的開始搶答按鍵和開始答題按鍵采用的就是獨立式鍵盤輸入。獨立鍵盤的好處就是：每個按鍵單獨使用一根I/O線，鍵盤掃描容易，且獨立鍵盤每個按鍵互不影響。本電路中用到的獨立鍵盤有下面幾處。： 控制電路當按下開始搶答按鍵時候，控制整個電路開始，開始搶答；當按下開始答題按鍵時候，顯示答題時間。 矩陣鍵盤電路設(shè)計 在矩陣鍵盤中，每4個鍵盤構(gòu)成一行，一共四行四列。每一行按鍵的一端連接起來，每一列按鍵的另一端連接起來，總共構(gòu)成8路，所以，一個單片機的P3口就可以構(gòu)成16個鍵盤電路的輸入端口了。 在本次設(shè)計中，有16個選手或代表隊參加比賽，每一個代表隊需要一個搶答按鍵，就需要16個按鈕。在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，如果采用獨立鍵盤連接電路，則需要一個端口連接一個按鍵，所以需要占用16個I/O口，就會造成資源的浪費，成本增高。所以當有16位選手參加搶答比賽時，需要16個鍵盤，采用4 X 4矩陣鍵盤只需要8個I/O口，從而大大減少了I/O口資源的浪費。當鍵盤個數(shù)超過8個，采用矩陣鍵盤是最為合適的。相比獨立鍵盤，矩陣鍵盤的特點是：電路的I/O口需要相對較少，能有效節(jié)省I/O口資源浪費；但是硬件電路相對復(fù)雜，鍵盤掃描比獨立鍵盤掃描繁瑣，需要獨立軟件編程，完成鍵盤掃描，從而確定那個按鍵按下，做出相應(yīng)操作，矩陣鍵盤更適合多按鍵電路。以下是搶答器系統(tǒng)的矩陣鍵盤輸入電路，P3口高四位（）作為列線，P3口低四位（）作為行線，： 矩陣鍵盤電路矩陣鍵盤接好以后，就要對應(yīng)的鍵盤掃描工作，判斷出那個按鍵按下，從而做出對應(yīng)操作。當沒有按鍵按下的時候所有行線和列線是開路的。當鍵盤上的一個按鍵被按下的時候，該按鍵的行線和列線就會被短路。將所有的列線都置為高電平，行線逐個置為低電平。例如當把第一行線置為低電平，第一行有按鍵按下時該按鍵的列線也會變成低電平，從而判斷第一行的某個按鈕被按下，以此類推，單片機根據(jù)電平的變化從而掃描出鍵盤操作。鍵盤的掃描分為循環(huán)掃描工作方式和中斷掃描工作方式。循環(huán)掃描工作方式，是在單片機工作的過程中調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)按鍵輸入。此種掃描方式缺點是，不管鍵盤有無按下，單片機都會掃描鍵盤，然而在工作的過程中不需要按鍵按下，此時系統(tǒng)處于空掃描狀態(tài)。為了提高單片機的工作效率，采用中斷掃描，即只有按鍵按下時，才發(fā)送中斷申請，進行鍵盤掃描。[5]本次設(shè)計采用了循環(huán)掃描的工作方式。按鍵在按下的過程中有可能會產(chǎn)生抖動，此時邏輯電平是不穩(wěn)定，所以在鍵盤掃描過程中，一定要在軟件設(shè)計過程加入去抖部分。在本次設(shè)計中，我們通過在軟件編程過程中，對按鍵掃描進行延時的方法中來去除抖動。在按下按鍵并處理完相應(yīng)操作時，可以在軟件編程中增加鍵盤釋放的程序。[6] 顯示電路設(shè)計顯示電路是最常用的輸出設(shè)備。為觀察單片機的運行狀態(tài)，往往需要顯示器來直觀的表現(xiàn)出來。搶答器電路需要通過顯示電路，來顯示目前的搶答階段、搶答選手的標號，和倒計時顯示。本系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管、LED點陣、以及液晶屏顯示，數(shù)碼管前兩位顯示倒計時，后兩位顯示搶答選手的標號。：在經(jīng)過透明鎖存器的數(shù)據(jù)緩沖電路后，就會將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器中。比較常用的顯示器有1602液晶顯示器、數(shù)碼管顯示等。由于搶答器電路中需要顯示的數(shù)據(jù)比較簡單，如若采用1602液晶顯示就會有些浪費。所以本系統(tǒng)的顯示電路采用四位一體共陰數(shù)碼管顯示。每一位數(shù)碼管顯示是由8個發(fā)光二極管組成的，根據(jù)不同的二極管發(fā)光，從而顯示出不同的數(shù)據(jù)。通常我們在顯示采用的方法有兩種：動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示原理是：每個數(shù)碼管由8個小型的發(fā)光二極管組成，所以不同的二極管發(fā)光便顯示出不同的字符，8個發(fā)光二極管必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持所需顯示的字形，當送入一次字形碼的編碼后，即可一直顯示所需字形，直到送入一個新的字形編碼為止。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是占用CPU較少的時間，數(shù)碼顯示便于控制。缺點是：每一個字形需要一個數(shù)碼管，每個數(shù)碼管需要8位I/O口控制，所需電路復(fù)雜且成本高。[8]動態(tài)顯示原理是：將所有位數(shù)碼管的8位發(fā)光二極管的信號線并聯(lián)在一起，由一個特殊的位選線控制那一位數(shù)碼管顯示。顯示特性沒有靜態(tài)顯示好，利用二極管發(fā)光的和人眼視覺的暫留作用，讓人感覺好像各位數(shù)碼管在同時顯示，稱為動態(tài)顯示。數(shù)碼顯示分為共陰和共陽顯示兩種。： 共陰數(shù)碼管原理圖CS0、CSCSCS3分別為四位一體數(shù)碼管的位選端，當其中一個端口置于低電平時，則這一位數(shù)碼管被選中；然后再設(shè)置段選端，段選端由8位數(shù)據(jù)線控制，當一個端口處于高電平是則對應(yīng)的一段顯示。從而完成數(shù)碼顯示。： 數(shù)碼管電路圖中A、B、C、D四個端口分別為數(shù)碼管顯示的位選，a、b、c、d、e、f、g、p為數(shù)碼管的段選。當程序分別控制P0口和P1口的時候，然后完成顯示功能。 報警電路設(shè)計在搶答器系統(tǒng)里，當搶答時間快要結(jié)束時或者答題時間快要結(jié)束時，需要一個報警電路來提示搶答選手，所以在本次設(shè)計中添加了報警電路部分。當答題時間和搶答時間小于5秒后，則會啟動報警電路。，為報警電路。 報警電路如上圖所示為報警電路，LED燈通路，則LED燈亮。，三極管導(dǎo)通，揚聲器工作，從而完成發(fā)聲電路。當搶答時間和答題時間剩余5秒時，為了及時提示選手，設(shè)置LED燈和揚聲器隔1秒工作一次，從而達到警示選手的作用。報警電路中，揚聲器部分采用PNP三極管驅(qū)動，當基極為低電平時，三極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動揚聲器電路工作。 電源電路設(shè)計在整個搶答系統(tǒng)中，一定會用到電源，單片機所需電源為5V。所以電路中需要穩(wěn)壓電源來滿足單片機電路的電壓限制。在本次設(shè)計中，采用7805達到穩(wěn)壓的效果。7805所需外圍電路簡單，內(nèi)部具有保護電路，用起來方便，并且價格便宜。在電子設(shè)計中得到了廣泛的運用。： 穩(wěn)壓器7805外圍電路將12V直流電源接入左邊，右邊輸出是5V電壓。將單片機電源以及74HC573電源接入5V電源，即可使本系統(tǒng)工作。 下載器電路 當完成上述工作后，一個完整的系統(tǒng)基本完成，此時需要一個下載器電路將軟件程序下載達到STC89C52單片機中才能實現(xiàn)搶答器功能。 、RST端口連接起來，只有這樣才能將軟件程序下載到STC89C52中。 ：將下載器一端與單片機按照上圖連接起來，同時將下載器USB一端插入電腦，通過燒寫軟件將軟件程序?qū)懭氲絊TC89C52中。燒寫成功后，則可驗證本系統(tǒng)的軟件部分與硬件部分是否對應(yīng)，以及測試本系統(tǒng)的是否能實設(shè)計要求中的各個功能模塊。 總體電路設(shè)計本章詳細敘述了搶答器各個模塊的設(shè)計原理以及具體電路。在以STC89C52為核心電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合顯示電路、鍵盤輸入電路、報警電路、復(fù)位電路和外部時鐘電路等外圍電路，就設(shè)計出了基于單片機的搶答器系統(tǒng)。 基于單片機的搶答器電路總圖 實物電路制作 在Proteus上仿真完畢以后，將所需器件羅列出來，然后在實驗室用萬能板將每個器件連接起來。焊接完畢后，將每個功能模塊一一測試出來。： 實物電路展示4 軟件設(shè)計 Keil C51軟件簡介在硬件設(shè)計完畢后，就要通過軟件編程，將設(shè)計的功能逐一實現(xiàn)。寫單片機軟件語言時，我們可以采用匯編語言和C語言來完成，二者殊途同歸。匯編語言是機器語言，而C語言是中級語言。匯編語言的特點是執(zhí)行效率高，對單片機中的寄存器直接操作，但是開發(fā)周期長，移植性不強。C語言具有使用范圍廣，可移植性強，開發(fā)周期短，但是執(zhí)行效率較匯編語言低。在本系統(tǒng)的軟件開發(fā)中，我們采用C語言在Keil軟件上來完成軟件編程。 主程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計分為以下五個部分：主程序設(shè)計，開始鍵掃描子程序，搶答鍵盤掃描子程序，顯示程序，定時器中斷。 主程序系統(tǒng)框圖上圖為主程序系統(tǒng)框圖，程序代碼部分均參照上述邏輯設(shè)計。 程序流程圖