【文章內(nèi)容簡介】 024MHZ，有 3 級程序鎖存器，內(nèi)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(shù)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(nèi)部由 CPU、 4KB 的 FPEROM ， 128B 的 RAM， 兩個 16 位的定時 /計數(shù)器 T0 和 T1， 4 個 8 位的 I/O 端 P0、 P P P3 等組成。單片微機內(nèi)部最核心的部分是 CPU。 CPU 主要功能是產(chǎn)生各種控制信號，控制存儲器、輸入 /輸出端口的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)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(shù)器 PC、指令儲存器、指令譯碼器、實時控制與條件轉(zhuǎn)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(nèi)部和外部的控制信號，使各部分協(xié)調(diào)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(diào)整電路等組成。 圖 3 AT89C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)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(shù)器 串行 I/O 口 并行 I/O 口 RAM 安徽工貿(mào)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 。 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(shù)據(jù)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(nèi)部 RAM； 32 條可編程I/O 線；兩個 16 位定時器 /計數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)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(nèi)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?？刂葡到y(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(shù)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(jīng)單片機的處理，輸出控制信號，控制 4 位七段共 陰 數(shù)碼管和 喇叭 工作。在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題，從而實現(xiàn)整個搶答過程。 本章小 結(jié) 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(xiàn)搶答功能；在說明系統(tǒng)的流程時，結(jié)合本設計的內(nèi)容，指出了參數(shù)設置的方法和意義。搶答正常流程與違例流程的實現(xiàn)，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(mào)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(jié)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(xiàn)，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(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)部 RAM 不多，當要增強軟件數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) 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(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。 安徽工貿(mào)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(jié)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 [8]。 安徽工貿(mào)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(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 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(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 6 所示 ： 安徽工貿(mào)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(gòu)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)顯示方安徽工貿(mào)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(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 ， 數(shù)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(shù)碼管顯示電路如圖 7 所示。 安徽工貿(mào)職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 15 圖 7 共陰極數(shù)碼管 圖 7 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 “ 毛安徽工貿(mào)職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 16 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(jié)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 8 所示。 安徽工貿(mào)職業(yè)技術學院畢業(yè) 設計（論文） 17 圖 8 搶答按鍵及 調(diào)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(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 。 圖 9 開始、結(jié)束按鍵 在圖 9 中，開始及結(jié)束按鍵接到