【文章內(nèi)容簡介】 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 圖 時 鐘頻率電路 電路中采用 的石英晶體振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，兩個電容均為 33pf，電容的作用是為了幫助振蕩器起振以及對電路頻率的微調(diào)。 復(fù)位電路設(shè)計 在搶答器電路中，難免會出現(xiàn)操作失誤，使得程序跑偏，或者出錯，所以需要復(fù)位電路來使得在出錯時使電路恢復(fù)正常工作。 復(fù)位電路是單片機(jī)的初始化操作，使單片機(jī)從 0 開始執(zhí)行程序。復(fù)位不僅能使單片機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)正常初始化，而且當(dāng)程序運行出錯或操作不當(dāng)使系統(tǒng)死鎖時，按下復(fù)位按鈕重新啟動，使單片機(jī)正常工作。 復(fù)位方式有以下四種：上電自動復(fù)位 、按鍵電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位、和自動復(fù)位。即外部產(chǎn)生復(fù)位信號由單片機(jī)的 9 腳（ RST）輸入，從而使單片機(jī)完成復(fù)位操作。復(fù)位信號是高電平有效，有效時間應(yīng)持續(xù)兩個機(jī)器周期以上。 本系統(tǒng)采用的是按鍵電平復(fù)位方式，如 圖 所示復(fù)位電路： 圖 復(fù)位電路 圖中所示復(fù)位電路由電源、電解電容 C電阻 R2 和按鍵組成。當(dāng)復(fù)位按鈕按下，產(chǎn)生高電平的復(fù)位信號送入 9 腳。電解電容 充電放電 使 得 復(fù)位高電平信號持續(xù) 2 個機(jī)器周期以上。當(dāng)放起按鍵時， 9 腳緩慢達(dá)到低電平則退 出復(fù)位。 程序從頭開始執(zhí)行。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 按鍵輸入電路設(shè)計 在搶答器電路中每位選手會通過手中的搶答按鍵來獲得優(yōu)先答題權(quán)。每位選手的按鍵就構(gòu)成搶答器電路的鍵盤輸入。鍵盤輸入電路是單片機(jī)外圍電路中最常見的一種電路。 鍵盤有兩種形式， 編碼鍵盤和非編碼鍵盤。 當(dāng)有鍵盤被按下時，通過一種專用的硬件編碼器來識別按鍵閉合，并且確定出鍵盤編碼號碼，這種鍵盤稱為編碼鍵盤，如計算機(jī)鍵盤。而通過 軟件編程 方式 來確定某個 按鍵 的 閉合 的 鍵盤 稱為非編碼鍵盤，在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的比較多的是非編碼鍵盤。 非編碼鍵盤又分為：獨立鍵盤和行列式鍵盤（或稱矩陣鍵盤）。 對于每一個按鍵需要與單片機(jī)的 I/O 口相連，從而讀出鍵盤的狀態(tài)。單片機(jī)可以通過軟件編程讀出 哪 個鍵按下，從而做出對應(yīng)的操作。 獨立式鍵盤電路設(shè)計 獨立式鍵盤是單片機(jī)電路中用的最多的鍵盤輸入，獨立鍵盤是由鍵盤的兩端直接和單片機(jī)的 I/O 口與接地相連。當(dāng)鍵盤按下時，對應(yīng)端口與地相連，則直接將對應(yīng)的端口變成低電平，然后做出相應(yīng)的操作。每個獨立鍵盤需要單獨使用一根 I/O 線，所以當(dāng)一個電路中鍵盤輸入較多時采用獨立鍵盤設(shè)計就會造成 I/O 口的大量浪費，從而造成 I/O 口不夠用。所以，只有按鍵數(shù)量不多時，采用獨立鍵盤輸入。電路中的開始搶答按鍵和開始答 題按鍵采用的就是獨立式鍵盤輸入。 獨立鍵盤的好處就是：每個按鍵單獨使用一根 I/O 線，鍵盤掃描容易，且 獨立鍵盤每個按鍵互不影響。本電路中用到的獨立鍵盤有下面幾處。 如 圖 所示電路： 圖 控制電路 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 當(dāng)按下開始搶答按鍵時候， 口被硬件置為低電平，控制整個電路 開始 ，開始搶答；當(dāng)按下開始答題按鍵時候， 被硬件置 為低電平，顯示答題時間。 矩陣鍵盤電路設(shè)計 在矩陣鍵盤中，每 4 個鍵盤構(gòu)成一行，一共四行四列。每一行按鍵的一端連接起來，每一列按鍵的另一端連接起來，總共構(gòu)成 8 路，所以 ，一個單片機(jī)的 P3 口就可以構(gòu)成 16 個鍵盤電路的輸入端口了。 在本次設(shè)計中，有 16 個選手或代表隊參加比賽，每一個代表隊需要一個搶答按鍵，就需要 16 個按鈕。在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，如果采用獨立鍵盤連接電路，則需要一個端口連接一個按鍵，所以需要占用 16 個 I/O 口，就會造成資源的浪費，成本增高。所以當(dāng)有 16 位選手參加搶答比賽時，需要 16 個鍵盤，采用 4 X 4 矩陣鍵盤只需要 8 個I/O 口，從而大大減少了 I/O 口資源的浪費。當(dāng)鍵盤個數(shù)超過 8 個，采用矩陣鍵盤是最為合適的。 相比獨立鍵盤，矩陣鍵盤的特點是：電路的 I/O 口需要相 對較少，能有效節(jié)省 I/O口資源浪費；但是硬件電路相對復(fù)雜，鍵盤掃描比獨立鍵盤掃描繁瑣，需要獨立軟件編程，完成鍵盤掃描，從而確定那個按鍵按下，做出相應(yīng)操作，矩陣鍵盤更適合多按鍵電路。 以下是搶答器系統(tǒng)的矩陣鍵盤輸入電路， P3 口高四位（ ）作為列線，P3 口低四位（ ）作為行線，電路如圖 所示： 圖 矩陣鍵盤電路 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 矩陣鍵盤接好以后，就要對應(yīng)的鍵盤掃描工作，判斷出那個按鍵按下，從而做出對應(yīng)操作。 當(dāng)沒有按鍵按下的時候所有行線和列線是開路的。當(dāng)鍵盤上的一個按鍵被按下的時候，該按鍵的行線和列線就會被短路。將所有的列線都置為高電平，行線逐個置為低電平。例如當(dāng)把第一行線置為低電平，第一行有按鍵按下時該按鍵的列線也會變成低電平，從而判斷第一行的某個按鈕被按下，以此類推，單片機(jī)根據(jù)電平的變化從而掃描出鍵盤操作。 鍵盤的掃描分為循環(huán)掃描工作方式和中斷掃描工作方式。 循環(huán)掃描工作方式，是在單片機(jī)工作的過程中調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)按鍵輸入。此種掃描方式缺點是，不管鍵盤有無按下，單片機(jī)都會掃描鍵盤，然而在工作的過程中不需要按鍵按下，此時系統(tǒng)處于空掃描狀態(tài)。為了提高單片機(jī)的工作效率 ，采用中斷掃描，即只有按鍵按下時，才發(fā)送中斷申請，進(jìn)行鍵盤掃描。 [5] 本次設(shè)計采用了循環(huán)掃描的工作方式。 按鍵在按下的過程中有可能會產(chǎn)生抖動，此時邏輯電平是不穩(wěn)定，所以在鍵盤掃描過程中，一定要在軟件設(shè)計過程加入去抖部分。在本次設(shè)計中，我們通過在軟件編程過程中，對按鍵掃描進(jìn)行延時的方法中來去除抖動。在按下按鍵并處理完相應(yīng)操作時，可以在軟件編程中增加鍵盤釋放的程序。 [6] 顯示電路設(shè)計 顯示電路是最常用的輸出設(shè)備。為觀察單片機(jī)的運行狀態(tài)，往往需要顯示器來直觀的表現(xiàn)出來。搶答器電路需要通過顯示電路，來顯 示搶答選手的標(biāo)號，和倒計時顯示。本系統(tǒng)采用四位一體共陰數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管前兩位顯示倒計時，后兩位顯示搶答選手的標(biāo)號。 下圖 是搶答器系統(tǒng)的顯示電路： 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 圖 顯示電路 上圖所示是搶答器系統(tǒng)的顯示電路，顯示電路用到了一個上拉電阻、兩個透明鎖存器和一個四位一體共陰數(shù)碼管。下面介紹顯示電路的原理。 透明鎖存器 74HC573原理 74HC573 是八進(jìn)制三態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，是高性能硅門 CMOS 器件。 74HC573和 LS/AL573 的管腳一樣。器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出兼容的 ：加上拉電阻，它們能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。 74HC573 具有鎖存功能，當(dāng)鎖存使能為高時，此器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的，即輸出同步。當(dāng)鎖存使能變低時，數(shù)據(jù)就會鎖存，即當(dāng)輸入數(shù)據(jù)消失時，輸出數(shù)據(jù)仍然保持。數(shù)據(jù)鎖存的功能在并行數(shù)據(jù)擴(kuò)展中經(jīng)常用到。 74HC573 是三態(tài)鎖存器，具有低電平、高電平和高阻態(tài)。 在 高阻 態(tài)下 ,可以多個芯片并聯(lián)輸出 ； 但是 ， 這些芯片中只能有一個處于非高阻態(tài)狀態(tài) ， 否則會將芯片燒毀 。高阻態(tài)的概念在 RS422 和 RS232 通訊中還可以用到。透明鎖存器還可以起到數(shù)據(jù)緩沖的功能，能 加強驅(qū)動功能力。 [7] 在顯示系統(tǒng)中用 74HC573 透明鎖存器作為驅(qū)動電路能避免直接接入數(shù)碼管的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。 如圖 所示為 74HC573 管腳圖： 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 圖 透明鎖存器 74HC573 管腳圖 OE 是輸出使能端； LE 數(shù)據(jù)鎖存使能； Dn 為第 n 路輸入數(shù)據(jù)； On 為第 n 路輸出數(shù)據(jù)。 下表 為 74HC573 的功能表： 表 透明鎖存器 74HC573 的功能表 OE LE D Q L H H H L H L L L L X 保持 H X X Z 在經(jīng)過透明鎖存器的數(shù)據(jù)緩沖電路后，就會將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器中。比較常用的顯示器有 1602 液晶顯示器、數(shù)碼管顯示等。由于搶答器電路中需要顯示的數(shù)據(jù)比較簡單，如若采用 1602 液晶顯示就會有些浪費。所以本系統(tǒng)的顯示電路采用四位一體共陰數(shù)碼管顯示。每一位數(shù)碼管顯示是由 8 個發(fā)光二極管組成的，根據(jù)不同的二極管發(fā)光，從而顯示出不同的數(shù)據(jù)。 通常我們在顯示采用的方法有兩種：動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示 原理是： 每個數(shù)碼管 由 8 個小型的發(fā)光二極管組成，所以不同的二極管發(fā)光便顯示出不同的字符， 8 個發(fā)光二極管 必須接一個 8 位數(shù)據(jù)線來 保持 所需 顯示的字形，當(dāng)送入一次字形碼 的編碼 后， 即可一直顯示所需字形 ，直到送入 一個 新 的 字形濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 編 碼為止。 靜態(tài)顯示 的優(yōu)點是占用 CPU 較少的 時間， 數(shù)碼 顯示便于控制。缺點 是：每一個字形需要一個數(shù)碼管，每個數(shù)碼管需要 8 位 I/O 口控制，所需 電路復(fù)雜 且成本高。 [8] 動態(tài)顯示 原理 是 ： 將所有位數(shù)碼管的 8 位 發(fā)光二極管的 信號 線并聯(lián)在一起， 由一個特殊的 位選線控制那一位數(shù)碼管 顯示 。顯示特性沒有靜態(tài)顯示好，利用二極管發(fā)光的和人眼視覺的暫留作用，讓人感覺好像各位數(shù)碼管在同時顯示，稱為動態(tài)顯示。 數(shù)碼顯示分為共陰和共陽顯示兩種。下圖 是 數(shù)碼管顯示的原理圖： 圖 共陰 數(shù)碼管原理圖 CS0、 CS CS CS3 分別為四位一體數(shù)碼管的位選端，當(dāng)其中一個端口置于低電平時，則這一位數(shù)碼管被選中；然后再設(shè)置段選端，段選端由 8 位數(shù)據(jù)線控制，當(dāng)一個端口處于高電平是則對應(yīng)的一段顯示。從而完成數(shù)碼顯示。 如圖 為所用數(shù)碼管： 圖 數(shù)碼管電路 圖中 A、 B、 C、 D 四個端口分別為數(shù)碼管顯示的位選， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 p為數(shù)碼管的段選。 數(shù)碼管的位選由 控制，段選信號由 控制。 當(dāng)程序分別控制濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 P0 口和 P1 口的時候，然后完成顯示功能。 報警電路設(shè)計 在搶答器系統(tǒng)里，當(dāng)搶答時間快要結(jié)束時或者答題時間快要結(jié)束時，需要一個報警電路來提示搶答選手，所以在本次設(shè)計中添加了報警電路部分。當(dāng)答題時間和搶答時間小于 5 秒后，則會啟動報警電路。如圖 所示，為報警電路。 圖 報警電路 如上圖所示為報警電路，當(dāng) 口為低電平時， LED 燈通路，則 LED 燈亮。單片機(jī)的 口負(fù)責(zé)發(fā)聲電路，當(dāng) 為低電平時候，三極管導(dǎo)通，揚聲器工作，從而完成發(fā)聲電路。 當(dāng)搶答時間和答題時間剩余 5 秒時，為了及時提示選手 ，設(shè)置 LED 燈和揚聲器隔 1 秒工作一次，從而達(dá)到警示選手的作用。 報警電路中，揚聲器部分采用 PNP 三極管驅(qū)動，當(dāng)基極為低電平時，三極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動揚聲器電路工作。 電源電路設(shè)計 在整個搶答系統(tǒng)中，一定會用到電源，而一般直流電源均為 的倍數(shù)，單片機(jī)所需電源為 5V。所以電路中需要穩(wěn)壓電源來滿足單片機(jī)電路的電壓限制。在本次設(shè)計中，采用 7805 達(dá)到穩(wěn)壓的效果。 7805 所需外圍電路簡單，內(nèi)部具有保護(hù)電路，用起來方便，并且價格便宜。在電子設(shè)計中得到了廣泛的