【文章內(nèi)容簡介】 RAM，如 6264， 62256等。隨著軟件設計水平的提高，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。只要在硬件電路設計初期考慮到這 一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留足夠的 RAM 空間，哪怕多設計一個 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。如果在硬件電路設計就預留出一些 I/O端口，雖然當時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。 硬件 原理圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 圖 31 系統(tǒng)原理圖 圖 31 中 U1 為單片機 AT89C51， U2 為芯片 74HC30， U3 為芯片 74LS04。 K1~K8 分別為 8 路搶答按鍵，分別接到單片機的 ~ 中。開始按鍵與結束按鍵分別接到單片機的 11 腳，由于單片機的 11 腳既有串行接口 RXD、 TXD 功能，又有 、 的 IO 端口功能，此處按鍵用到單片機 11 腳的 IO 端口功能。搶答時間調(diào)整按鍵和回答時間調(diào)整按鍵分別接到單片機的 1 14 管腳，加一按鍵和減一按鍵分別接到單片機的1 16 管腳。 4 位七段 數(shù)碼管段選 P0 口 。 4 位七段數(shù)碼管的 位選 接 P2 口低 3 位，蜂鳴器輸出為 口 。 時鐘頻率電路的設計 單片機必 須在時鐘的 驅(qū)動下才能工作 。 在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路 ， 只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元 ， 決定單片機的工作速度。 時鐘電路如圖 32 所示。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 9 圖 32 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 左右的正弦波時鐘信號 ， 其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定 。 電路中兩個電容 C1， C2 的作用有兩個 ： 一是幫助振蕩器起振 ； 二是對振蕩器的頻率進行微調(diào) 。C1， C2 的典型值為 20PF。 單片機在工作時 ， 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鐘信號的周期稱為時鐘周期 。其 大小是時鐘信號頻率的倒數(shù) ， 常用 fosc 表示 。圖中 時鐘頻率為 12MHz， 即 fosc=12MHz， 則時鐘周期為 1/12181。s。 復位電路的設計 單片機的第 9 腳 RST 為硬件復位端 ， 只要將該端持續(xù) 4 個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位 ， 復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 33 所示 ： 圖 33 復位電路 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 10 圖 33 中由按鍵 RESET1 以及電解電容 C電阻 R2 構成按鍵及上電復位電路。由于單片機是高電平復位，所以當按鍵 RESET1 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狀態(tài)。當上電后，由于電容的緩慢充電，單片機的 9 腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)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。 值得注意的是 ， 在設計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能 ， 由上面的硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值 ， 而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能 ， 該功能的實現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位 ， 所以設定了軟復位功能 。 軟復位實際上就是當程序執(zhí)行完畢 之后 ， 將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址 。 顯示 電路的設計 顯示功能與硬件關系極大，當硬件固定后，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，全靠軟件來解決。 在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示 ， 通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種 ：一種是靜態(tài)顯示 ， 一種是動態(tài)顯示 。 其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍 ， 程序編寫簡單 ， 但占用端口資源多 ； 動態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好 ， 程序編寫復雜 ， 但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少 。 在本設計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法 。 通過查表法 ， 將其在數(shù)碼管上顯示出來 ， 其中 P0 口為字型碼輸入端 ， P2 口低 3 位為字選段輸入端 。 在這里我們通過查表將字型碼送給 7 段數(shù)碼管顯示的數(shù)字 ， 4 位七段數(shù)碼管顯示電路如圖 34 所示。 圖 34 共陰極數(shù)碼管 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 34 中數(shù)碼管采用的是 4 位七段共陰數(shù)碼管，其中 A~H 段分別接到單片機的 P0 口，由單片機輸出的 P0 口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼 COM COM COM4 分別接到單片機的 、 、 ，由單片機來決定當前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個 1K 的電阻，連接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉電阻，保證 P0 口沒 有數(shù)據(jù)輸出時候處于高電平狀態(tài)。 鍵盤掃描 電路的設計 鍵盤是人與 單片機 打交道的主要設備。關于鍵盤硬件電路的設計方法也可以在文獻和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當前時刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤 。 它們各有自己的特點 ， 其中獨立鍵盤硬件電路簡單 ， 而且在程序設計上也不復雜 ， 一般用在對 硬件電路要求不高的簡單電路中 ； 矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別 ， 首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多 ， 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)勢得多 ， 因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生 的 “ 毛刺” 現(xiàn)象 。這里采用最常用的方法 ， 即延時重復掃描法 ， 延時法的原理為 ： 因為 “ 毛刺 ” 脈沖一般持續(xù)時間短 ， 約為幾 ms， 而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間 ,所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間 (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 ， 否則無效。 在本文設 計中采用了獨立鍵盤的方式，本設計中有 8 個搶答按鍵輸入，一個開始按鍵、一個結束按鍵，此外還有搶答時間調(diào)整鍵、回答時間調(diào)整鍵，加一按鍵、 減一按鍵 各一個。如圖 35 所示。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 圖 35 搶答按鍵及調(diào)整按鍵 在圖 35 中 8 個搶答按鍵分別接入單片機的 ~ 端口，單片機通過讀取 ~的值來判斷當前輸入的是 8 個搶答按鍵中的哪一個。搶答時間調(diào)整和回答時間調(diào)整接到單片機的 和 接口，加一及減一按鍵接到單片機的 和 接口。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 13 圖 36 開始、結束按鍵 在圖 36 中，開始及結 束按鍵接到單片機的 11 腳，這里用到了單片機 11 腳復合功能中的 IO 端口功能，單片機通過讀取 11 腳的 、 的 IO 端口值來判斷當前是否處于搶答開始狀態(tài)或搶答結束狀態(tài)。 按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這 時 觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會引起按鍵命令 的錯誤執(zhí)行或重復執(zhí)行?，F(xiàn)在一般均用軟件延時的方法來避開抖動階段， 這一延時過程一般大于 5ms，例如 取 1020ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀 鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。 K1～ K8八個按鍵的輸入電平靠 74HC30輸入與非門和 74LS04反向器組成的電路改變輸入電平。圖 37 中電路就是由一個 74HC30 輸入與非門和 74LS04 反向器組成的去抖電路。 圖 37 去抖電路 發(fā)聲 電路的設計 我 們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單 片 機某個口線的 “ 高 ” 電平或低電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音 ，若再利用延時程序控制 “ 高 ”“ 低 ” 電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調(diào)，使喇叭發(fā)出不同的聲音。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 14 本文設計如圖 38 所示。圖中單片機的 14 腳輸出具有復合功能，此處用到了單片機17 腳的 IO 端口功能，單片機通過內(nèi)部定時器的操作實現(xiàn)交替變換的波形輸出驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。 圖 38 發(fā)聲電路 系統(tǒng)復位 電路的設計 使 CPU 進入初始狀態(tài)，從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復位。從實現(xiàn)系統(tǒng)復位的方法來看，系統(tǒng)復位可分為硬件復位和軟件復位。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(xiàn)。上電復位，人工按鈕復位和硬件看門狗復位均為硬件復位。硬件復位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。但是，硬件復位還能自動清除中斷激活標志，使中斷系統(tǒng)能夠正常工作，這樣一個事實卻容易為不少編碼人員所忽視。軟件復位就是用一系列指令來模擬硬件復位功能，最后通過轉(zhuǎn)移指令使程序從 0000H 地址開始執(zhí) 行。對各專用寄存器的復位操作是容易的，也沒有必要完全模擬，可根據(jù)實際需要去主程序初始化過程中完成。而對中斷激活標志的清除工作常被遺忘，因為它沒有明確的位地址可供編程。有的編程人員用 020200（ LJMP 0000H）作為軟件陷阱，認為直接轉(zhuǎn)向 0000H 地址就完成了軟件復位，就是這類錯誤的典型代表。軟件復位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進行的工作，這時程序出錯完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標志已置位，它將阻止同級中斷響應。由于軟件看 門 是高級中斷，它將 阻止 說要中斷響應，由此可見清除中斷激活標志的重要性 。 在所有的指令中，只有 RETI 指令能夠清除中斷激活標志。出錯處理程序 ERR 主要完成這一功能，其他的善后工作交由復位后的系統(tǒng)去完成。 程序 一般 先關中斷，以便后續(xù)處理能順利進行， 然 后用兩個 RETI 指令代替兩個 LJMP指令，從而清除了兩級中斷激活標志。有 相應 軟件 陷阱 捕捉來的程序可能沒有全部激活兩個標志，這也無妨。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 15 有復位時系統(tǒng)的歷史狀況，可將復位分為“冷啟動”和“熱啟動”。 “冷啟動”時，系統(tǒng)的狀態(tài)全部無效，進行徹底的初始化操作；而“熱啟動”時，對系統(tǒng)的當前狀態(tài)進行修復和有選擇的初始化。系統(tǒng)初次上電投入運行時， 必須是“冷啟動”，以后由抗干擾措施引起的復位操作一般均為“熱啟動”初次上電投入運行時，必須是“冷啟動”，以后由抗干擾措施引起的復位操作一般均為“熱啟動”。為了使系統(tǒng)能正確決定采用何種啟動方式，常用上電標志來區(qū)分，如圖 39 所示。 圖 39 系統(tǒng)復位策略圖 復位 關中斷，設定堆棧 上電標志 冷啟 自檢 全 面 初始化 熱啟動恢復被破壞的信息部分初始化 建立上電標志 開始運轉(zhuǎn) 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 16 4 軟件設計 設計思想 由方案分析知，本設計涉及到的功能子程序 包括：查詢程序、非法搶答處理程序、 INT0（調(diào)搶答時間）、 INT1（調(diào)回答時間）、倒計時程序、正常搶答處理程序 、犯規(guī)搶答程序、顯示程序、發(fā)聲程序、 T0 溢出中斷