【文章內容簡介】 024MHZ，有 3 級程序鎖存器，內部含有 128256 字節(jié)的 RAM，有 32 條可編程 I/O 口線， 23 個 16 位定時 /計數器， 68 個中斷源，通用的串行接口，低電壓空閑及電源下降方式。 AT89C51 單片機內部由 CPU、 4KB 的 FPEROM ， 128B 的 RAM， 兩個 16 位的定時 /計數器 T0 和 T1， 4 個 8 位的 I/O 端 P0、 P P P3 等組成。單片微機內部最核心的部分是 CPU。 CPU 主要功能是產生各種控制信號，控制存儲器、輸入 /輸出端口的數據傳輸、數據的算術運算、邏輯運算以及位操作處理等， CPU 按其功能可分為運算器和控制器兩部分。控制器由程序計數器 PC、指令儲存器、指令譯碼器、實時控制與條件轉移邏輯電路等組成。它的功能是 對來自存儲器中的指令進行譯碼，通過實時控制電路，在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的內部和外部的控制信號，使各部分協調工作，完成指令所規(guī)定的操作。運算器由算術邏輯器部件 ALU、累加器 ACC、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW， BCD 碼運算調整電路等組成。 圖 3 AT89C51 單片機的內部結構圖 為了提高數據處理和位操作功能，片內增加了一個通用寄存器 B 和一些專用寄存外部定 時元件 復位 中斷 電源 系統(tǒng) 時鐘 ROM CPU 定時 /計數器 串行 I/O 口 并行 I/O 口 RAM 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 9 器，還增加了位處理邏輯電路的功能。其內部結構如圖 3 所示 。 AT89C51 的主要性能包括： AT89C51 與 MCS— 51 控制器系列產品兼容，片內有 4K可在線重復編程閃速電擦除存儲器（ Flash Memory），存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次；存儲器數據保存時間可達 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；程序存儲器具有 3 級鎖存保護； 128*8 位內部 RAM； 32 條可編程I/O 線；兩個 16 位定時器 /計數器；中斷結構具有 5 個中斷源和 2 個中斷優(yōu)先級；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)保存存儲內容。 搶答器的優(yōu)點及組成 在知識比賽中，特別是做搶答題目 的時候 ， 在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設計一個系統(tǒng)來完成這個任務。如果在搶答中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。利用單片機系統(tǒng)來設計搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本文主要介紹了單片機搶答器設計及工作原理，以及它的實際用途。系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機作為核心。控制系統(tǒng)的四個模塊分別為：存儲模 塊、顯示模塊、 聲音 模塊、搶答開關模塊。該搶答器系統(tǒng)通過 八個 個按鍵輸入搶答信號；利用存儲程序 來完成軟件的設計 ；利用一個 4 位七段共 陰 數碼 管來完成顯示功能。工作時，用按鍵通過開關電路輸入各路的搶答信號，經單片機的處理，輸出控制信號，控制 4 位七段共 陰 數碼管和 喇叭 工作。在數碼管上顯示哪一組先答題，從而實現整個搶答過程。 本章小 結 本章主要講述了搶答器的工作原理和本設計系統(tǒng)的工作流程。在說明工作原理的過程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實現搶答功能；在說明系統(tǒng)的流程時，結合本設計的內容，指出了參數設置的方法和意義。搶答正常流程與違例流程的實現，以及如何進行搶答控制。 同時也說明了搶答器的優(yōu)點和 AT89C51 的功能及簡介。 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 10 3 系統(tǒng)總體方案的設計 硬件電路的設計 本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結合，不可分離；從時間上看，硬件設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。只要技術準備充分，硬件設計的大返工 是比較少的，軟件設計的任務貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設計任務，隨著集成電路技術的飛速發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設計的工作量在整個項目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設計盡可能合理，應注意以下幾方面 [7]： (1) 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) 留有設計余地。在設計硬件電路時，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計，如果 現在不留余地，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，選用片內程序空間足夠大的單片機，本設計采用 AT89C51 單片機。 (4) RAM 空間， AT89C51 內部 RAM 不多，當要增強軟件數據處理功能時，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。 如果有大批數據 需要 處理，則應配置足夠的 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據處理算法，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場試用時，往往會發(fā)現一些被忽視的問題，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。 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 11 總體原理圖 圖 4 系統(tǒng)原理圖 圖中 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 答時間調整按鍵和回答時間調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 數碼管段選 P0 口 。 4 位七段數碼管的 位選 接 P2 口低 3位，蜂鳴器輸出為 口 [8]。 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 12 時鐘頻率電路 的設計 單片機必 須在時鐘的驅動下才能工作 。 在單片機內部有一個時鐘振蕩電路 ， 只需要外接一個振蕩源就能產生一定的時鐘信號送到單片機內部的各個單元 ， 決定單片機的工作速度。 時鐘電路如圖 5 所示。 圖 5 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 。 C1， C2 的典型值為 20PF。 單片機在工作時 ， 由內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內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 ， 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 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 6 所示 ： 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 13 圖 6 復位電路 圖 6 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化，經過一段時間后，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指令讓它跳轉到程序執(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 。 在本設計中根據實際情況采用的是動態(tài)顯示方安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 14 法 。 通過查表法 ， 將其在數碼管上顯示出來 ， 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 段數碼管顯示的數字 ， 數碼管顯示原理如下 ： MOV A,R3 MOVC A,@A+DPTR MOV P2,0feH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,DAT2 MOV A,R5 MOVC A,@A+DPTR MOV P2,0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4 MOVC A,@A+DPTR MOV P2,0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET 4 位七段數碼管顯示電路如圖 7 所示。 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 15 圖 7 共陰極數碼管 圖 7 中 數碼管 采用的是 4 位七段共 陰 數碼管，其中 A~H 段分別接到單片機的 P0口，由單片機輸出的 P0 口數據來決定段碼值，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 口沒有數據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生 的 “ 毛安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 16 刺” 現象 。 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 (這里我們取 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整鍵、回答時間調整鍵，加一按鍵、 減一按鍵各一個。 如 圖 8 所示。 安徽工貿職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 17 圖 8 搶答按鍵及 調整 按鍵 在圖 8中 8個搶答按鍵分別接入單片機的 ~，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。 搶答時間調整和回答時間調整 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 。 圖 9 開始、結束按鍵 在圖 9 中，開始及結束按鍵接到