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基于單片機的電子智能搶答器畢業(yè)設計論文(編輯修改稿)

2024-07-24 19:35 本頁面
 

【文章內容簡介】 程序占用內存少,執(zhí)行速度快,并且可以直接對硬件進行編程,能夠充分發(fā)揮計算機的硬件功能。它是計算機所能本科畢業(yè)論文13提供的最快、最有效的語言。主要應用在實時性要求高、對硬件設備進行控制的場合。使用 C 語言與使用匯編語言相比:不需要掌握 8051 系列單片機的指令集,只需了解單片機內部特殊功能寄存器的用途;編程人員不必考慮寄存器的分配和尋址方式等細節(jié),都有編程器自動進行管理;利于結構化編程,易于維護;由于可以實現模塊化編程技術,大量例程直接調用,節(jié)省開發(fā)時間,提高效率 [9]?;谝陨纤v述的在單片機領域中的 C 語言和匯編語言編程各自的優(yōu)缺點??紤]到本設計整體結構簡單,生成的代碼占用空間小,一般的單片機足以滿足需求,并且對時序的要求不高。所以采用 C 語言編寫程序能更方便快捷的完成我們的設計,并且具有良好的可移植性,方便以后移植系統(tǒng)到其他硬件設備上。在集成開發(fā)環(huán)境(IDE)上我們選擇目前最流行的 Keil C51,KeilC51 是 Keil Software公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏本科畢業(yè)論文14匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案。如果你使用 C 語言編程,那么 Keil 幾乎就是你的不二之選。Keil C51 生成目標代碼的效率非常之高,多數語句生成的匯編代碼很緊湊,容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢。Proteus 軟件是 Lab Center Electronics 公司的一款電路設計與仿真軟件,它包括ISIS,ARES 等模塊,它能仿真大量的單片機芯片,比如 MCS51 系列,PIC 系列等等,以及單片機外圍電路 [10]。通過 Proteus 軟件的使用我們能很容易獲得一個強大,方便的單片機實驗系統(tǒng)。同時 Proteus 兼有 PCB 板繪制的功能。并且 Proteus 與 Keil 的結合使用能很方便的完成單片機的調試工作。作為目前市場上最流行的單片機仿真軟件,它的好處是資源豐富,在網上能獲得最多的技術支持與幫助。本設計即是采用 Keil 作為集成開發(fā)環(huán)境,以 Proteus 作為仿真原理圖、PCB 設計工具。本科畢業(yè)論文15第 3 章 硬件設計 總體設計本設計包含了硬件設計和軟件設計兩部分,兩者緊密結合,不可分離。硬件設計是這個系統(tǒng)運行的基礎,沒有硬件一切都無從談起。軟件設計是系統(tǒng)正常運轉的核心,在硬件的基礎上軟件控制著系統(tǒng)的運作,實現系統(tǒng)的功能。隨著技術的發(fā)展,硬件電路的集成度越來越高,各種功能強大的芯片降低了硬件設計的復雜程度。為是硬件電路設計更加合理,應注意以下幾個方面:(1)盡量使用集成度更高功能更強的芯片,以簡化電路。功能更強大的芯片能只占用較少的端口資源就完成同樣的甚至是跟多的功能。本設計中除了主控制芯片以外,顯示模塊采用了一塊高度集成的 12864 液晶,在兼顧顯示界面的友好美觀的情況下極大程度的簡化了硬件電路的設計工作,而且節(jié)約了單片機的 I/O 端口。(2)留有一定設計余地。在硬件設計是,往往不是一次成型的??紤]到以后修改擴展的方便。要留有一定的余地,以避免為了一點小小的修改而全面返工。本次設計采用的硬件電路均在一塊開發(fā)板上,硬件電路已經經過生產廠商的測試,比較可靠,可以放心的使用,將更多經歷投入到軟件的設計過程中去。(3)程序空間。應該選擇內部程序空間足夠大的單片機。所以你需要估計自己設計程序的復雜程度,選擇相匹配的單片機。本設計所采用 STC89C52RC 單片機擁有8K 的程序空間,基本上能夠滿足電子搶答器的設計所需的空間大小。(4)RAM 空間,單片機內部的 RAM 空間不多。如果片內空間不夠就需要增加片外 RAM,設計時需要預留 I/O 接口。在本設計中,系統(tǒng)的功能簡單,已有的單片機完全可以滿足需要,無需考慮這個問題。(5)I/O 端口:在設計的初期就要對各個 I/O 口資源合理分配,可以預留若干備用,也許在后期的調試過程中就會派上用場。在本設計中使用的開發(fā)板上硬件電路已經固定,I/O 端口的分配也很合理,無需再重新分配 I/O 端口。本次設計的總體硬件電路原理圖如圖 31 所示。本科畢業(yè)論文16XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0./U1AT89C52C13pC23p X1CRYSTALC310uRESET R91K Q12N3702 BUZ1BUZERK1 K2 K3 K4K5 K6 K7 K8+ STARTRESET1GND1VC2V03RS4R/W5E6 PSB15RET16NC117NC218LED19LED+20D07D18D29D310D41D512D613D714L1LCD12864A234567891RP1RESPACK8RV110KR110K圖 31 硬件電路原理圖Fig. 31 hardware circuit principle diagram圖 21 中主控制器為 STC89C52RC 單片機,顯示模塊為一塊集成的 LCD12864 液晶。由于采用并行傳輸數據,液晶模塊的 DB0DB7 接單片機 P0 口。RS 腳接、R/W 腳接 、E 腳接 、PSE 腳接 、RST 腳接 。所有的按鍵全部在接在 P3 口的鍵盤陣列中,第一行和第二行按鍵為 8 為選手的搶答按鍵,第三行是主持人控制按鍵,左一為加分鍵、左二為減分鍵、左三為開始鍵、左四為復位鍵。BUZ1為蜂鳴器,作為系統(tǒng)中的響鈴提示功能。 時鐘頻率電路的設計單片機與其他微機一樣,它的各種操作都是按著節(jié)拍有序的工作的。89C51 內部有一個高增益反響放大器,用于構成振蕩器。反相放大器的輸入端為 XTAL1,輸出端為本科畢業(yè)論文17XTAL2,兩斷跨接石英晶體及兩個電容就可以構成穩(wěn)點的自己振蕩器。時鐘電路如圖22 所示。 C130pC230pX1CRYSTAL圖 32 外部震蕩源電路Fig. 32 external oscillators circuitC1 和 C2 通常取 30pF 左右,可以穩(wěn)定頻率并對震蕩頻率有微調作用 [11]。震蕩脈沖頻率范圍為 fosc=0~24MHz,我們所用的震蕩頻率為 12MHz。 鍵盤掃描電路的設計鍵盤是單片機應用中必不可少的硬件之一,由于其設計方法多種多樣,所以在應用系統(tǒng)設計時,應根據整個系統(tǒng)的硬件結構、軟件設計等信息綜合考慮,設計出穩(wěn)定可靠、結構緊湊、成本低廉、簡單易用、性能優(yōu)良的人機鍵盤界面 [12]。鍵盤是進行人機交互的主要設備。在單片機應用中主要是獨立鍵盤和矩陣鍵盤。其中獨立鍵盤結構簡單,程序設計也較為簡單,一般用于對硬件電路要求不高的簡單電路中;矩陣鍵盤在硬件結構上較為復雜,程序算法上也比獨立鍵盤復雜得多,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。在本設計中,為了節(jié)省端口資源,采用矩陣鍵盤。按鍵電路如圖 33 所示。XTAL218XTAL119ALE30 EA31 PSEN29RST9 U1AT89C52 K1 K2 K3 K4K5 K6 K7 K8+ START RESET1圖 33 按鍵電路Fig. 33 key circuit本科畢業(yè)論文18在這個 4*3 的矩陣鍵盤中,上兩行 8 個按鍵是 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、復位按鍵。這個矩陣鍵盤接在單片機的 P3 端口上, 到 接行線, 到 接列線,在必要的時候可以再加一行按鍵,行線接 擴展為 4*4 的矩陣鍵盤。在按鍵的過程中會出現抖動現象,這種現象會造成按下按鍵判定不準確,要消除這種影響就需要在掃描程序中采用消抖動處理 [13]。通常采用的方法是,延時重復掃描的辦法,在檢測到按鍵按下之后延時一段時間再次檢測按鍵電平是否保持原狀態(tài),進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。 復位電路的設計使 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)復位,系統(tǒng)的復位可分為硬件復位和軟件復位 [14]。硬件復位必須通過 CPU 外部的硬件電路給 CPU 的RESET 端加上足夠時間的高電位才能實現。上電復位,人工按鍵復位和看門狗復位均為硬件復位。硬件復位后,各個寄存器狀態(tài)唄初始化,對片內通用寄存器的內容沒有影響。軟件復位就是用一系列指令來模擬硬件復位功能。軟件復位中對中斷標志的清除工作常被遺忘,但清除中斷標志非常重要。在本設計中的主持人控制的復位按鍵只是使程序結束當前的搶答過程進入到下一輪的搶答環(huán)節(jié),并不是真正意義上的對整個單片機系統(tǒng)進行復位。對整個系統(tǒng)復位后,所有選手的分數也將會清零。復位電路如圖 24 所示。圖 34 復位電路Fig. 34 reset circuit復位電路主要由電解電容 C電阻 R按鍵 S1 組成。由于單片機是高電平復位,所以當復位鍵按下時候,單片機的 9 腳 RESET 管腳處于高電平,此時單片機處于復位本科畢業(yè)論文19狀態(tài)。當上電后,由于電容的緩慢放電,單片機的 9 腳電壓逐步由高向低轉化,經過一段時間后,單片機的 9 腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài),此時單片機上電復位完畢,系統(tǒng)程序從 0000H 開始執(zhí)行。需要強調的是,在本設計中的主持人復位,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位的范疇。如果需要整個系統(tǒng)重新啟動進行工作,則可以按下 Reset 鍵進行硬件復位。 發(fā)聲電路的設計蜂鳴器是眾多電子產品中常用的發(fā)聲器件,本設計中也使用蜂鳴器作為發(fā)聲裝置,本設計中的發(fā)聲電路如圖 25 所示。圖 35 發(fā)聲電路Fig. 35 sounding circuit本設計中的發(fā)聲裝置一端接在單片機的 腳,當 腳為低電平是蜂鳴器發(fā)聲,當 為高電平時蜂鳴器靜音。單片機內部通過編程控制 I/O 口的高低電平就能控制蜂鳴器的響鈴時常和頻率。 綜合 PCB 板的設計印制電路板(PCB)是各種電子產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 設計的好壞對產品性能有很大影響 [15]。因此,在進行PCB 設計時。必須遵守 PCB 設計的一般性原則,并應符合抗干擾設計的要求。為了設本科畢業(yè)論文20計出優(yōu)質低廉的 PCB,應遵循一些原則。 布局的原則要考慮 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸過大時,印制線就條長,同時阻抗增加,抗噪聲能力也會下降,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離。b) 某些元器件或導線之間可能有比較高的電位差,應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,應裝在機箱底板上,熱敏元件應遠離發(fā)熱元件。d) 應留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根據電路的功能模塊,對全部元器件進行布局時,要符合以下原則:a) 按照電路的流程安排電路中各個功能單元的位置,使布局放便信號流通,并使信號盡量保持一致的方向。b) 以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進行布局。元器件應均勻、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) 一般應當使元器件平行排列。這樣,既美觀有容易裝焊,易于批量生產。 布線 I/O 口的導線應盡量避免相鄰平行,最好加線間地線,以避免發(fā)生反饋藕合。 導線的最小寬度主要由導線與絕緣基扳間的粘附強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。印制導線拐彎處一般采用圓弧形,直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。還應盡量不使用大面積銅箔。長時間受熱時,易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現象。必須用大面積銅箔時,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生的揮發(fā)性氣體。本科畢業(yè)論文21 焊盤 焊盤尺寸、焊盤的內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,一般以金屬引腳直徑加上 作為焊盤的內孔直徑。而焊盤外徑應該為焊盤孔徑加 ,最小應該為焊盤孔徑加 。當焊盤直徑為 時,為了增加焊盤的抗剝離強度,可采用方形焊盤。設計焊盤時的注意下列事項:焊盤孔邊緣到電路板邊緣要大于 1mm,這樣可以防止加工時導致焊盤缺損。焊盤補淚滴,當與焊盤連接的銅膜線較細時,要將焊盤與銅膜線之間的連接設計成淚滴狀,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。根據上述要求,我們設計 PCB。我們將各個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 設計工具 AERS 自動生成 PCB 圖。由 Proteus 生成 PCB 圖的主要有以下步驟:(1) 繪制原理圖。這是電路板設計的先期工作,主要是完成原理圖的繪制,包括生成網絡表。當然,也可直接進入 P
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