【文章內(nèi)容簡介】 案二： 系統(tǒng)設(shè)計主要基于可編程的 PLC 設(shè)計，系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計。硬件設(shè)計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進行調(diào)試、測試，以達(dá)到設(shè)計要求。軟件設(shè)計部分，首先在總體設(shè)計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼設(shè)計等；最后是對軟 件進行調(diào)試、測試，達(dá)到所需功能要求。 方案三：系統(tǒng)采用 MCS51系列單片機作為控制核心，其片內(nèi)帶有 4KflashROM，128 的 RAM，以及 15根 I/O 口線能滿足設(shè)計要求。該系統(tǒng)可以完成運算控制、信號識別以及顯示功能的實現(xiàn)。利用單片機程序判斷選手按鍵是否有效，但是選手違規(guī)搶答，利用簡答程序顯示，啟動蜂鳴器報警，告訴主持人有人違規(guī)操作，搶答無效。給出相應(yīng)的延時，選手按正常的操作搶答，軟件倒計時，利用 AT89C51 移位寄存 7 段數(shù)碼管，實現(xiàn)倒計時顯示時間，到 5秒相應(yīng)時間提醒選手時間快到了，要及時作答，并啟動蜂鳴器。由于用了單片機，使其技術(shù)比較成熟，應(yīng)用起來方便、簡單并且單片機周圍的輔助電路也比較少，便于控制和實現(xiàn)。整個系統(tǒng)具有極其靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能的擴張和更改性。 單片機特點如下： （ 1） 高集成度，體積小，高可靠性 。 單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的 CPU。單片機程序指令，常數(shù)及表格等固化在 ROM 中不易破壞，許多信號通道均在八路智能搶答器的設(shè)計 第 6 頁 共 60 頁 一個芯片內(nèi)，故可靠性高。 （ 2） 控制功能強 ： 為 了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件 :分支轉(zhuǎn)移能力，I/O 口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 （ 3） 低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 ： 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機內(nèi)的工作電壓僅為 ～ ，而工作電流僅為數(shù)百微安。 （ 4） 易擴展 ： 片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入 /輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。 （ 5） 優(yōu)異的性能價格比 ： 單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已開始使用 RISC 流水線和DSP 等技術(shù)。單片機的尋址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可達(dá)到 1MB 和 16MB，片內(nèi)的 ROM 容量可達(dá) 62MB， RAM 容量則可達(dá) 2MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。 方案比較分析：從第一個方案我們可以看出，這個搶答器是由搶答電路，定時電路，報警電路，時序控制電路四個 關(guān)鍵 電路 部分 組成。擴展電路是由秒鐘脈沖信號產(chǎn)生電路，譯碼電路，顯示電路等，它的功能很齊全，設(shè)計的電路也很穩(wěn)定。但是它的造價卻很高，僅僅是集成電路他就用了八個，這個跟 我們當(dāng)初的設(shè)計理念是相沖突的。我們要的是功能齊全，但是造價比較低的設(shè)計。所以我們放棄這個方案。 而方案二采用 可編程 PLC 設(shè)計 實現(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 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現(xiàn)上都較 其他 方案簡潔，并且由于單片機具有優(yōu)越的高集 成電路性，使其工作速度更快、效率更高。另外單片機采用 12MHz 的晶振，提高了信號的測量精度，并且使該系統(tǒng)可以通過軟件改進來擴張功能。 該模式充分體現(xiàn)了原有系統(tǒng)性能的改進，功能的擴展及其他同類系統(tǒng)的不同之處，它包括硬件邏輯圖與軟件流程圖，比較經(jīng)濟實用，所以我們選用單片機的方案。 第 7 頁 共 60 頁 智能搶答器模塊化設(shè)計 該 搶答器系統(tǒng) 的硬件 設(shè)計是 以 單片機 為中心控制模塊， 采用模塊化設(shè)計的八路搶答器， 具有六 個模塊 ， 分別為： 按鍵輸入模塊、顯示模塊、時鐘與復(fù)位模塊、報警模塊、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 個按鍵， 分為搶答按鍵和控制按鍵 。搶答按鍵共有八個，分別為 S1―S8 ，供搶答選手進行搶答使用， P1 口為八個按鍵搶答信號的輸入口，低電平有效?？刂瓢存I有六個，分別為 S9―S14 ， 其中 S9 和 S10 分別為“搶答時間調(diào)整鍵”和“回答時間調(diào)整鍵”， 其對應(yīng)的 I∕O接口分別為 和 ； S11 和 S12 分別為時間“加 1”和“減 1”按鍵，其對應(yīng)的 I∕O接口分別為 和 ； S13 和 S14 分別為“搶答開始按鍵”和“搶答停止按鍵”，其對應(yīng)的 I∕O 接口分別為 和 ； 顯示模塊本系統(tǒng)采用四個 共陽極 LED 數(shù)碼管顯示，一個數(shù)碼管用來顯示搶答到問題的選手的號碼，兩個用來顯示倒計時時間，一個未使用的數(shù)碼管作為以后的擴展使用。數(shù)碼管采用 74LS244 來驅(qū)動， 74LS244 是 TTL8 輸入 3 態(tài)緩沖器 ∕ 線驅(qū)動器，它的輸出電流可以達(dá)到 24mA。 時鐘與復(fù)位模塊包括時鐘電路和復(fù)位電路， 單片機的最小系統(tǒng)就是由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機構(gòu)成。 單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)，單片機的時鐘信號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)位操作則使單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài) 開始運行。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 系列單片機的復(fù)位引腳 RST(全稱 RESET)出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。八路智能搶答器的設(shè)計 第 8 頁 共 60 頁 如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 報警模塊在本系統(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)出報警，一是“開始搶答”按鍵沒有按下時，選手就按下了“搶答鍵”，報警電路發(fā)出報警，提示有選手發(fā)生搶答；二是每道題的搶答 時間和問題的回答時間在倒計時 5 秒時，報警電路發(fā)出報警，提示選手倒計時的時間即將耗盡。 電源模塊是為了增 強本系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性而設(shè)計的模塊，在我們常用的單片機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)實中的使用電壓為交流220V，為了增加其現(xiàn)實意義，故設(shè)計了電源模塊，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，只有我們通過軟件程序的編寫，并將程序?qū)懭雴纹瑱C，該系統(tǒng)才會正確的工作。 第 9 頁 共 60 頁 3 硬件設(shè)計 本設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這兩者相互結(jié)合，不可分離。 從時間上看，硬件設(shè)計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)計的大返工 是比較少的，軟件設(shè)計的任務(wù)貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設(shè)計任務(wù)，隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設(shè)計的工作量在整個項目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設(shè)計盡可能合理，應(yīng)注意以下幾方面： (1) 工業(yè)上 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強的芯 片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價格的總和高。 (2) 留有設(shè)計余地。在設(shè)計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設(shè)計，如果 現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工 。 (3) 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機， 否則因為程序空間不夠使不得不進行空間擴展 。 (4) RAM 空間 ，大部分 51 系列單片機的 內(nèi)部 RAM 不多，當(dāng)要增強軟件數(shù)據(jù)處理功能時，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 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)計初期考慮到這一點，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留足夠的 RAM空間，哪怕多設(shè)計一個 RAM 的插座，暫不插芯片也好。 (5) I/O 端口 ， 在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(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)計就預(yù)留出一些 I/O 端口，雖然當(dāng)時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。 核心控制模塊 單片機的選型 單片機實際上就是把 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計數(shù)器、 I/O 接口電路等微型機八路智能搶答器的設(shè)計 第 10 頁 共 60 頁 的主要部件集成在一塊芯片上，因此稱之為單片機 Mircocontroller。由于它具有體積小 ，性價比高，耗電少，可靠性高，有易于掌握和使用，所以現(xiàn)在微型機不僅占領(lǐng)了原來實用小型機的各個領(lǐng)域，而且 廣泛應(yīng)用于過程控制等 場合，此外還 可應(yīng)用于過去計算機無法深入的方面，如測量儀器、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 位單片機已有 60 多個系列，近 600 多個種類，市場上可見到的如美國 Fairchild 公司的 F8 系列， Intel 公司的 MCS4 MCS5 MCS196 系列產(chǎn)品，Motorola 公司的 680 6805 系列產(chǎn)品， Zilog 公司的 Z Supper8 系列產(chǎn)品， Rockwell公司的 650 6502 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 公司的單片機在市場上占主流地位，其中 MCS51系列產(chǎn)品又占主導(dǎo)地位。我國應(yīng)用引進的單片機主流產(chǎn)品是 MCS5 MCS96 系列。 MCS51 單片機是美國 INTE 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有 8031（內(nèi)部沒有程序存儲器，實際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）、 8051（芯片采用 HMOS，功耗是630mW，是 89C51 的 5 倍，實際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）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 單片機作為代表進行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。有些文獻甚至也將 8051 泛指 MCS51 系列單片機， 8051 是早期的最典型的代表作， MCS51 內(nèi)核實際上已經(jīng)成為一個 8 位單片機的標(biāo)準(zhǔn)。 其他的公司的 51 單片機產(chǎn)品都是和 MCS51 內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而以。同樣的一段程序，在各個單片機廠家的硬件上運行的結(jié)果都是一樣的，如 ATMEL 的 89C5 89S51， 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 ， 同時是在 原基礎(chǔ)上增強了許多特性 ， 如時鐘 ， 更優(yōu)秀的是由 Flash（程序存儲器的內(nèi)容至少可以改寫 1000 次）存儲器取帶了原來的 ROM（一次性寫入），AT89C51 的性能相對于 8051 已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了。 總體來說單片機的種類很多，在實際設(shè)計和工作中選擇好單片機非常重 要，選擇怎么樣的單片機對產(chǎn)品的整體結(jié)果影響很大，選擇時一般考慮以 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。第一時間有了產(chǎn)品的需求和任務(wù)，才能選擇更合適的單片機。 根據(jù)任務(wù)選機型 ： 若所設(shè)計的產(chǎn)品是在惡劣環(huán)境下使用，則要選擇工業(yè)級或軍級產(chǎn)品，可考慮 STC 第 11 頁 共 60 頁 公司、 Philips 公司和 WinBond 公司的系列單片機；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；若要去控制速度快并有 A∕D轉(zhuǎn)換、存儲器等需求，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 公司的單片機產(chǎn)品。選擇不同的單片機，其片內(nèi)程序存儲容量、數(shù)據(jù)存儲器、 E2PROM 的大小都有差異。 綜合性能的考慮： 對于產(chǎn)品的設(shè)計，在選擇單片機時，要充分利用片內(nèi)存儲空間，萬一不夠，可以通過擴