【文章內(nèi)容簡介】 ：從第一個(gè)方案我們可以看出，這個(gè)搶答器是由搶答電路，定時(shí)電路，報(bào)警電路，時(shí)序控制電路四個(gè)關(guān)鍵電路部分組成。擴(kuò)展電路是由秒鐘脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路，譯碼電路，顯示電路等，它的功能很齊全，設(shè)計(jì)的電路也很穩(wěn)定。但是它的造價(jià)卻很高，僅僅是集成電路他就用了八個(gè)，這個(gè)跟我們當(dāng)初的設(shè)計(jì)理念是相沖突的。我們要的是功能齊全，但是造價(jià)比較低的設(shè)計(jì)。所以我們放棄這個(gè)方案。而方案二采用可編程PLC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的搶答器，但該系統(tǒng)的投入成本過于高昂，軟件編程過于繁瑣，對(duì)編程的語言掌握程度要求很高，而且其PLC在該領(lǐng)域的應(yīng)用很少，普通人對(duì)PLC的理解及掌握都不是很深入，鑒于通用性和節(jié)省的原則，我們依然不采用該方案。方案三采用單片機(jī)為核心器件，外圍電路采用集成芯片，其可靠性好，結(jié)構(gòu)簡單，不但從性能上優(yōu)于方案一和方案二，而且在使用上及其功能的實(shí)現(xiàn)上都較其他方案簡潔，并且由于單片機(jī)具有優(yōu)越的高集成電路性，使其工作速度更快、效率更高。另外單片機(jī)采用12MHz的晶振，提高了信號(hào)的測(cè)量精度，并且使該系統(tǒng)可以通過軟件改進(jìn)來擴(kuò)張功能。該模式充分體現(xiàn)了原有系統(tǒng)性能的改進(jìn)，功能的擴(kuò)展及其他同類系統(tǒng)的不同之處，它包括硬件邏輯圖與軟件流程圖，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用，所以我們選用單片機(jī)的方案。 智能搶答器模塊化設(shè)計(jì)該搶答器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為中心控制模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)的八路搶答器，具有六個(gè)模塊，分別為：按鍵輸入模塊、顯示模塊、時(shí)鐘與復(fù)位模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、核心控制模塊。系統(tǒng)的主要功能模塊原理框圖如圖21所示。圖21 主要功能模塊原理框圖按鍵輸入模塊共有14個(gè)按鍵，分為搶答按鍵和控制按鍵。搶答按鍵共有八個(gè)，分別為S1―S8，供搶答選手進(jìn)行搶答使用，P1口為八個(gè)按鍵搶答信號(hào)的輸入口，低電平有效?？刂瓢存I有六個(gè)，分別為S9―S14， 其中S9和S10分別為“搶答時(shí)間調(diào)整鍵”和“回答時(shí)間調(diào)整鍵”， 其對(duì)應(yīng)的I∕；S11和S12分別為時(shí)間“加1”和“減1”按鍵，其對(duì)應(yīng)的I∕；S13和S14分別為“搶答開始按鍵”和“搶答停止按鍵”，其對(duì)應(yīng)的I∕；顯示模塊本系統(tǒng)采用四個(gè)共陽極LED數(shù)碼管顯示，一個(gè)數(shù)碼管用來顯示搶答到問題的選手的號(hào)碼，兩個(gè)用來顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，一個(gè)未使用的數(shù)碼管作為以后的擴(kuò)展使用。數(shù)碼管采用74LS244來驅(qū)動(dòng)，74LS244是TTL8輸入3態(tài)緩沖器∕線驅(qū)動(dòng)器，它的輸出電流可以達(dá)到24mA。時(shí)鐘與復(fù)位模塊包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)，單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開始運(yùn)行。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位或開關(guān)復(fù)位。當(dāng)5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。報(bào)警模塊在本系統(tǒng)中為附加模塊，它的主要用途就是起到提示并引起人們的注意。它只有在兩種情況下才發(fā)出報(bào)警，一是“開始搶答”按鍵沒有按下時(shí)，選手就按下了“搶答鍵”，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，提示有選手發(fā)生搶答；二是每道題的搶答時(shí)間和問題的回答時(shí)間在倒計(jì)時(shí)5秒時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，提示選手倒計(jì)時(shí)的時(shí)間即將耗盡。電源模塊是為了增強(qiáng)本系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性而設(shè)計(jì)的模塊，在我們常用的單片機(jī)或其他外圍芯片的電源供給電壓一般為直流+5V、+3V和+12V，現(xiàn)實(shí)中的使用電壓為交流220V，為了增加其現(xiàn)實(shí)意義，故設(shè)計(jì)了電源模塊，它的主要任務(wù)是將交流220V電壓轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)中可以直接使用的直流+5V。核心控制模塊就是人們所謂的CPU，它是整個(gè)系統(tǒng)的總控制部分，本系統(tǒng)的核心控制模塊為51系列的單片機(jī)，只有我們通過軟件程序的編寫，并將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，該系統(tǒng)才會(huì)正確的工作。3 硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，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) 工業(yè)上盡可能采用功能強(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)楹苌儆幸诲N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)，否則因?yàn)槌绦蚩臻g不夠使不得不進(jìn)行空間擴(kuò)展。(4) RAM空間，大部分51系列單片機(jī)的內(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)RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，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(jí)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(jí)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(chǎng)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(hào)需要采集，就必須增加輸入檢測(cè)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(chǎng)了。單片機(jī)實(shí)際上就是把CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O接口電路等微型機(jī)的主要部件集成在一塊芯片上，因此稱之為單片機(jī)Mircocontroller。由于它具有體積小，性價(jià)比高，耗電少，可靠性高，有易于掌握和使用，所以現(xiàn)在微型機(jī)不僅占領(lǐng)了原來實(shí)用小型機(jī)的各個(gè)領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于過程控制等場(chǎng)合，此外還可應(yīng)用于過去計(jì)算機(jī)無法深入的方面，如測(cè)量儀器、教學(xué)裝置、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等。經(jīng)過多年的發(fā)展，8位單片機(jī)已有60多個(gè)系列，近600多個(gè)種類，市場(chǎng)上可見到的如美國Fairchild公司的F8系列，Intel公司的MCS4MCS5MCS196系列產(chǎn)品，Motorola公司的6806805系列產(chǎn)品，Zilog公司的ZSupper8系列產(chǎn)品，Rockwell公司的6506502系列產(chǎn)品，Philips公司的80C51系列產(chǎn)品,Microchip公司的PIC系列和Ateml公司的AT89系列等，Intel公司的單片機(jī)在市場(chǎng)上占主流地位，其中MCS51系列產(chǎn)品又占主導(dǎo)地位。我國應(yīng)用引進(jìn)的單片機(jī)主流產(chǎn)品是MCS5MCS96系列。MCS51單片機(jī)是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有 8031（內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰）和8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在， MCS51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的89S589C51等），各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。有些文獻(xiàn)甚至也將8051泛指MCS51系列單片機(jī)，8051是早期的最典型的代表作，MCS51內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。其他的公司的51單片機(jī)產(chǎn)品都是和MCS51內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而以。同樣的一段程序，在各個(gè)單片機(jī)廠家的硬件上運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的，如ATMEL的89C589S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（華邦）等，我們常說的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51單片機(jī)，同時(shí)是在原基礎(chǔ)上增強(qiáng)了許多特性，如時(shí)鐘，更優(yōu)秀的是由Flash（程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容至少可以改寫1000次）存儲(chǔ)器取帶了原來的ROM（一次性寫入），AT89C51的性能相對(duì)于8051已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了?？傮w來說單片機(jī)的種類很多，在實(shí)際設(shè)計(jì)和工作中選擇好單片機(jī)非常重要，選擇怎么樣的單片機(jī)對(duì)產(chǎn)品的整體結(jié)果影響很大，選擇時(shí)一般考慮以下問題。了解被開發(fā)產(chǎn)品的需求和任務(wù)：搞清楚被開發(fā)產(chǎn)品的使用環(huán)境、供電方式、功能要求、成本要求和開發(fā)周期等需求非常重要。第一時(shí)間有了產(chǎn)品的需求和任務(wù)，才能選擇更合適的單片機(jī)。根據(jù)任務(wù)選機(jī)型：若所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是在惡劣環(huán)境下使用，則要選擇工業(yè)級(jí)或軍級(jí)產(chǎn)品，可考慮STC公司、Philips公司和WinBond公司的系列單片機(jī)；若在常規(guī)環(huán)境下使用，可選擇民品，民品產(chǎn)品多，選擇范圍大；若是干電池供電，需要低功耗應(yīng)用場(chǎng)合，可考慮TI公司的MSP430系列、Microchip公司的PIC系列、STC公司的L系列單片機(jī)；若要去控制速度快并有A∕D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器等需求，可考慮ST公司的uPSD3200系列、Silicon Labs公司的C8051F系列單片機(jī)等產(chǎn)品；若功能單一、成本要低，可考慮STC公司、PIC公司、WinBond公司、ATMEL公司的單片機(jī)產(chǎn)品。選擇不同的單片機(jī)，其片內(nèi)程序存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、E2PROM的大小都有差異。綜合性能的考慮：對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在選擇單片機(jī)時(shí)，要充分利用片內(nèi)存儲(chǔ)空間，萬一不夠，可以通過擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器的方法已達(dá)到要求，或者更換已有的大容量其他機(jī)型，兼容性好。如WinBond公司、ATMEL公司、STC公司的絕大部分產(chǎn)品都很兼容。但如果程序太大，超過了一般的64KB時(shí)，只好選擇ST公司的uPSD3200系列產(chǎn)品了。另外，單片機(jī)的接口能力、接口方式和I∕O口的多少也得考慮。開發(fā)環(huán)境的考慮：在選用單片機(jī)時(shí)，還要注意有沒有配套的開發(fā)系統(tǒng)。由于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)一般比較緊湊小巧，不像其他微機(jī)系統(tǒng)有較多的外設(shè)，因此，在自行設(shè)計(jì)組裝時(shí)，必須具備專門的工具來幫助單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。其他因素的考慮：在選擇單片機(jī)時(shí)，其封裝形式也得考慮。雙列直插、PLCC有對(duì)應(yīng)插座適合產(chǎn)品開發(fā)階段或?qū)W習(xí)時(shí)使用，SOP、QFP、SSP、TSSP等表貼封裝更適合最終產(chǎn)品選用。本課題根據(jù)以上五點(diǎn)單片機(jī)選型規(guī)則來看，AT89C51單片機(jī)是最好的選擇。首先本課題的設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用環(huán)境為常規(guī)環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)來說比較簡單；其次軟件程序不是非常的多，4k存儲(chǔ)空間做夠使用，常見的開發(fā)軟件和工具我們稱為8051開發(fā)系統(tǒng)或環(huán)境，常見的匯編程序ASM5Keil C5MedWin 等均是針對(duì)8051內(nèi)核單片機(jī)的開發(fā)軟件，AT89C51完全兼容，可以使用；再次該系列單片機(jī)的發(fā)展相對(duì)較成熟，會(huì)使用的人很多，容易被人接受；最后，在眾多的51系列單片機(jī)中， ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。顯而易見，這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。AT89C51有PDIP、PLCC和PQFP/TQFP等封裝，AT89C51目前的售價(jià)比8031還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。 AT89C51單片機(jī)的介紹AT89C51單片機(jī)主要有以下部件構(gòu)成：八位微處理器CPU、振蕩電路、總線控制部件、中斷控制部件、片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、片內(nèi)RAM、并行I/O接口、定時(shí)器和串行I/O接口。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部由CPU、4KB的FPEROM ，128B的RAM，兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，4個(gè)8位的I/O端P0、PPP3等組成。單片微機(jī)內(nèi)部最核心的部分是CPU，CPU按其功能可分為運(yùn)算器和控制器兩部分?？刂破饔沙绦蛴?jì)數(shù)器PC、指令儲(chǔ)存器、指令譯碼器、實(shí)時(shí)控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等組成。它的功能是對(duì)來自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，通過實(shí)時(shí)控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部的控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯器部件ALU、累加器ACC、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器PSW，BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路等組成。為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)增加了一個(gè)通用寄存器B和一些專用寄存器，還增加了位處理邏輯電路的功能。AT89C51的主要性能包括：AT89C51與MCS—51控制器系列產(chǎn)品兼容，片內(nèi)有4K可在線重復(fù)編程閃速電擦除存儲(chǔ)器（Flash Memory），存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入/擦除1000次；存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保存時(shí)間可達(dá)10年；工作電壓范圍寬：；全靜態(tài)工作可由0Hz到16MHz；程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)鎖存保護(hù)；128*8位內(nèi)部RAM；32條可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。AT89C51引腳圖如圖31所示。圖31 AT89C51引腳圖P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8個(gè)TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)