【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ROM，故內(nèi)部程序不能改寫，不用于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。87C51 具有片內(nèi) EPROM，是真正的單片微機(jī)，但由于價(jià)格較貴，且程序改寫時(shí)要用紫外線擦除，時(shí)間較長(zhǎng)，所以用得較少。80C31 在市場(chǎng)上的價(jià)格很低，但片內(nèi)沒(méi)有 ROM，必須在片外擴(kuò)展一片 EPROM，非常不便。AT89C51 片內(nèi)具有可電擦除的 FPEROM，可以快速、多次地編程，且價(jià)格不高，所以用得非常廣泛，目前開(kāi)發(fā)用的 MCS—51 產(chǎn)品絕大多數(shù)用 89C51[4]。表 23 單片機(jī)主要性能的比較型號(hào) ROM形式片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM尋址范圍定時(shí)計(jì)數(shù)I/O口串行I/O 口外部中斷80C31 接ROM4K 128 2*64 K2*16 4 UART 280C51 ROM 4K 128 2*64 K2*16 4 UART 287C51 EPROM4K 128 2*64 K2*16 4 UART 289C51 FPEROM4K 128 2*64 K2*16 4 UART 2 AT89C51 單片機(jī)AT89C51 是一種低功耗、高性能的含有 4KB 閃速可編程電擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位CMOS 微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與 80C51 指令系統(tǒng)和引腳完成兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。（1）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：Vcc可由 到 6V；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。（2）FPEROM 的編程：AT89C51 的 I/O 口 P0、PP2 和 P3 除具有與 80C51相同的一些性能和用途外，在 FPEROM 編程時(shí)，P0 口接收代碼字節(jié)，并在程序檢驗(yàn)時(shí)輸出代碼字節(jié)，但在程序校驗(yàn)時(shí)需要外部上拉負(fù)載電阻，在 FPEROM 編程和程序校驗(yàn)期間，P1 口接收低位地址字節(jié)，P2 口接收高位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)，P3 口也接收一些 FPEROM 編程和校驗(yàn)用的信號(hào)，此時(shí) ALE/PROG 引腳是編程脈沖輸入（PROG）端，在 FPEROM 編程期間，如果選擇 12V 編程電壓、那么 EA/Vpp 引腳也允許接受 12V 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(guò)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(lái)完成這個(gè)任務(wù)。如果在搶答中，靠視覺(jué)是很難判斷出哪組先答題。利用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)搶答器，使以上問(wèn)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(yǔ)音模塊、搶答開(kāi)關(guān)模塊。該搶答器系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)關(guān)電路六個(gè)按鍵輸入搶答信號(hào)；利用存儲(chǔ)程序來(lái)完成軟件的設(shè)計(jì)；利用一個(gè)數(shù)碼管來(lái)完成顯示功能。工作時(shí)，用按鍵通過(guò)開(kāi)關(guān)電路輸入各路的搶答信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)的處理，輸出控制信號(hào)，控制數(shù)碼管和語(yǔ)音芯片工作。在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題，并通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)讀出第 N 組請(qǐng)答題，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)搶答過(guò)程。第三章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)與原理圖本設(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(lái)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(jiǎn)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(lái)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(lái)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(jué)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(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(lái)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(lái)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(wèn)題，而這些問(wèn)題不是靠單純的軟件措施來(lái)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(méi)用，那么用的時(shí)候就派上用場(chǎng)了。圖 31 系統(tǒng)原理圖 為開(kāi)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),只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號(hào)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。圖 32 為外部振蕩源電路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(hào),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(duì)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(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號(hào)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)位電路與顯示電路的設(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4 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(duì)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(guò)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(lái)解決。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(shuō)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(shuō)明各執(zhí)行模塊對(duì)顯示模塊的驅(qū)動(dòng)方式是不同的。另一方面，在操作者沒(méi)有進(jìn)行操作時(shí)，顯示內(nèi)容也是變化的，如顯示現(xiàn)場(chǎng)各物理量的變化情況。這時(shí)顯示模塊不是由操作者通過(guò)命令鍵來(lái)驅(qū)動(dòng)，而是由各類自動(dòng)執(zhí)行的功能模塊來(lái)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(shuō)，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(wèn)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(guò)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(wèn)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(qǐng)顯示。這就要設(shè)置一個(gè)顯示申請(qǐng)標(biāo)志，當(dāng)某模塊需要顯示時(shí)，將申請(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)標(biāo)志SKEYEND: JNB DISP,RETI0 ；有顯示申請(qǐng)否？ LCALL DISPLAY ；調(diào)用顯示模塊，更新顯示內(nèi)容 CLR DISP ；清除申請(qǐng)RETI0: .. 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(qǐng)，就進(jìn)行集中操作，更新顯示內(nèi)容，否則就跳過(guò)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(wèn)題，只要給出一個(gè)簡(jiǎn)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(qǐng)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(qǐng)顯示前，先檢查是否已經(jīng)有顯示申請(qǐng)，如果有，就不再申請(qǐng)，等待下次機(jī)會(huì)；如果沒(méi)有，則先申請(qǐng)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(lái)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(jiǎn)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(méi)靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對(duì)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(guò)查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，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(guò)查表將字型碼送給 7 段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，數(shù)碼管顯示原理如下： 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(yáng)極和共陰極兩種類型極。以共陰為例，要想 a 段亮，向 a 段送 1 就是，返之送 0，共陽(yáng)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(chǎng)上來(lái)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(wèn)題需要妥善解決，否則，人們?cè)诓僮麈I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。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(jiǎn)單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對(duì)硬件電路要求不高的簡(jiǎn)單電路中；矩陣鍵盤與獨(dú)立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨(dú)立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢(shì)得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過(guò)程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時(shí)重復(fù)掃描法，延時(shí)法的原理為：因?yàn)椤懊獭泵}沖一般持續(xù)時(shí)間短，約為幾 ms，而我們按鍵的時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間,所以當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有按鍵動(dòng)靜后再延時(shí)一段時(shí)間(這里我們?nèi)?10ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無(wú)效。鍵盤抖動(dòng)的軟件處理：按鍵的觸點(diǎn)在閉合和斷開(kāi)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這是觸點(diǎn)的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會(huì)引起按鍵命令的錯(cuò)誤執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行?，F(xiàn)在一般均用軟件延時(shí)的方法來(lái)避開(kāi)抖動(dòng)階段，這一延時(shí)過(guò)程一般大于 5ms，例如取 1020ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺(tái)程序）或鍵盤中斷（外