【文章內(nèi)容簡介】 片機 I/O 口的連線數(shù)，簡化結(jié)構(gòu)，是一般單片機常用的鍵盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)矩陣鍵盤的識鍵和譯鍵方法的不同，矩陣鍵盤又分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤是用軟件的方法識鍵和譯鍵。根據(jù)按鍵掃描方法的不同，可以分為掃描行法、掃描列法和反轉(zhuǎn)法 3 種。編碼鍵盤是用硬件來實現(xiàn)按鍵的掃描和識別，一般使用專用接口芯片，在硬件上要求較高。 行列式鍵盤有節(jié)省 I/O 口的優(yōu)點?？紤]到本設計所需的按鍵較多，為 了節(jié)省端口資源，降低硬件要求本設計采用非編碼行列式鍵盤。 （ 4）發(fā)聲模塊選擇方案 有源蜂鳴器和普通揚聲器相比，最重要一個特點是只要按照極性要求加合適的直流電壓，就可以發(fā)出固有頻率的聲音，因此使用起來比揚聲器簡單 [8]。由此可知，有源蜂鳴器的控制和 LED 的控制對單片機而言是沒有區(qū)別的。無源蜂鳴器則要交流驅(qū)動，改變驅(qū)動頻率可以奏簡單音樂。 本設計中的發(fā)聲裝置只需要發(fā)出固定頻率的提示音即可，無需改變發(fā)聲的頻率。為求簡化軟件設計，本設計中選用有源蜂鳴器作為發(fā)聲裝置。 可行性分析：發(fā)聲模塊在本設計中用于報警，只要能夠 發(fā)出一定頻率的提示音即可。使用蜂鳴器即可滿足設計需求。 軟件方案選擇 C 語言和匯編語言是單片機應用系統(tǒng)開發(fā)常用的編程工具。 C 語言是一種高級編程語言。早在 1985 年便出現(xiàn)了 51 單片機專用的 C 語言，簡稱C5l。 C51 除了遵循一般 C 語言的語法規(guī)則外，還有自身的特點。它增加了變量數(shù)據(jù)類型 (如 bit、 sb)、中斷服務函數(shù) (如 interrupt n)，對 80C5l 單片機的特殊功能寄存器的定義是 C51 特有的，是對標準 C 語言的擴展。 C 語言作為一種高級語言，接近人的自然語言，編寫的程序與人們通常的思路相近，而且不 依賴于計算機的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，是面向過程而且獨立于機器的通用語言，容易學習、通用性好、便于移植。 匯編語言是為了方便使用而設計的一種符號語言。它用易于理解和記憶的英文名稱或縮寫形式 (助記符 )來表示二進制指令。指令助記符、語句標號、數(shù)據(jù)變量、偽指令以及它們的使用規(guī)則構(gòu)成了整個匯編語言的內(nèi)容。匯編語言的程序占用內(nèi)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。它是計算機所能西南大學 電子信息工程學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 12 西南大學 電子信息工程學院 2021 屆本科畢業(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(nèi)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(jié)構(gòu)化編程，易于維護；由于可以實現(xiàn)模塊化編程技術(shù)，大量例程直接調(diào)用，節(jié)省開發(fā)時間，提高效率 [9]。 基于以上所講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。考慮到本設計整體結(jié)構(gòu)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、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)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(shù)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(xiàn)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(jié)合使用能很方便的完成單片機的調(diào)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(wǎng)上能獲得最多的技術(shù)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。 西南大學 電子信息工程學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 14 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(jié)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(zhuǎn)的核心，在硬件的基礎上軟件控制著系統(tǒng)的運作，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。隨著技術(shù)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(jīng)經(jīng)過生產(chǎn)廠商的測試，比較可靠，可以放心的使用，將更多經(jīng)歷投入到軟件的設計過程中去。 （ 3）程序空間。應該選擇內(nèi)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(nèi)部的 RAM 空間不多。如果片內(nèi)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(diào)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(jīng)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。 西南大學 電子信息工程學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 15 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C 5 2C13 3 pC23 3 pX1CR Y S T A LC31 0 uR E S E TR91KQ12 N37 0 2B U Z 1B UZ Z E RK1 K2 K3 K4K5 K6 K7 K8+ S T A R T R E S E T 1GND1VCC2V03RS4R/W5E6PSB15RET16NC117NC218LED19LED+20D07D18D29D310D411D512D613D714L1L CD 1 2 8 6 4 A234567891R P 1RE S P A C K 8R V 11 0 KR11 0 K 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(shù)據(jù)，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(nèi)部有一個高增益反響放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為西南大學 電子信息工程學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 16 XTAL2，兩斷跨接石英晶體及兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn)點的自己振蕩器。時鐘電路如圖22 所示。 C13 0 pC23 0 pX1CR Y S T A L 圖 32 外部震蕩源電路 Fig. 32 external oscillators circuit C1 和 C2 通常取 30pF 左右，可以穩(wěn)定頻率并對震蕩頻率有微調(diào)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(jù)整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設計等信息綜合考慮，設計出穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C 5 2K1 K2 K3 K4K5 K6 K7 K8+ S T A R T R E S E T 1 圖 33 按鍵電路 Fig. 33 key circuit 西南大學 電子信息工程學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 17 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