【正文】 .............................................. 29 第 6 章 總結(jié) .................................................................................................................................34 參考文獻 ......................................................................................................................................36 致謝 ............................................................................................................................................37 本科畢業(yè)論文 2 附錄 1： 主程序源代碼 .......................................................................................................38 附錄 2： 字模數(shù)據(jù)和類型定義頭文件 ...................................................................................48 本科畢業(yè)論文 3 摘要 ： 近年來隨著科技的飛速發(fā)展 ,單片機的應用正在不斷深入 ,同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月異更新。文章對搶答器的背景與現(xiàn)狀、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及其仿真都做了詳細的介紹，使我們不僅元器件的原理及設(shè)計有了深入的了解，也對單片機的設(shè)計研發(fā)過程有了更加深刻的體會 本設(shè)計主要采用單片機控制，采用手動搶答的方式，有人搶答后，系統(tǒng)自動封鎖其他人的搶答按鈕，使其不能再搶答，從而實現(xiàn)搶答功能。若有人在主持人按下開始按鈕之前按下?lián)尨鸢粹o，系統(tǒng)不會顯示選手的號碼，只有在開始按鈕被按下之后，選手才可以有效的搶答，使搶答達到公平、公開的效果。搶答器一般是由很多電路組成的，線路復雜，可靠性不高，功能也比較簡單 ，特別是當搶答路數(shù)很多時，實現(xiàn)起來就更為困難。搶答器又稱為第一信號鑒別器，其主要應用于各種知識競賽、文藝活動等場合。隨著電腦的普及率在大幅提高，在新的信息化時代中，各類競賽活動也發(fā)生了 一些大的變化，不再是現(xiàn)場主持人念題，選手回答，這種固定的、單調(diào)且死板的方式?；顒拥牟邉澱邆冊诓粩嗟乃伎己驮诨顒迎h(huán)節(jié)上進行設(shè)計?；顒又谐霈F(xiàn)了更多的設(shè)計和新玩法，使知識競賽走向了新的方向。通過知識競賽軟件可以做到各 個環(huán)節(jié)中的題目顯示，選手可以通過手中的搶答器搶答，搶答結(jié)果會顯示在大屏幕上和分數(shù)會顯示在 LED 記分屏中。 除了電腦搶答器外還有數(shù)字電路式、單片機式的搶答器。隨著單片機的應用不斷深入，以單片機為核心的搶答器不斷出現(xiàn)。 研 究目標與內(nèi)容 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答按鈕。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設(shè)置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為 30s，回答問題時間為 60s。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，數(shù)碼顯示屏顯示選手號 和 搶答時間倒計時，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。主持人可按鍵結(jié)束，新一輪搶答開始。 系統(tǒng)的主要功能模塊框圖如圖 21 所示。計時顯示以及其他的各種顯 示功能都由 LCD1602 液晶實現(xiàn)。開始、復位、加時、減時按鈕都由主持人控制。一輪搶答結(jié)束之后由主持人按下復位鍵復位。在倒計時最后 5 秒時，每一秒蜂鳴器都會響鈴提示。在預備時間結(jié)束前搶答視為犯規(guī)。搶答成功的選手顯示他當前得分。 搶答成功后鎖定按鍵，使其他選手的按鍵無效。 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)的工作流程圖如圖 22 所示。主持人按下開始鍵，進入 5 秒預備搶答的倒計時階段，每一秒會響鈴提示。預備時間結(jié)束后進入 15 秒倒計時的搶答階段，有選手率先搶答時倒計時停止，屏幕顯示搶答成功的選手編號，并鎖定鍵盤，使其他選手的搶答無效。如一直無人搶答，在最后 5 秒倒計時的每一秒會響鈴提示，直到倒計時結(jié)束還無人搶答，則屏幕顯示無人搶答，主持人復位進入下一輪搶答。嵌入式微處理器一般可分為四類，嵌入式微處理器（ MPU）、嵌入式微控制器（ MCU）、嵌入式DSP（ DSP）、嵌入式片上系統(tǒng)（ SoC） [3]。除此之外，可編程邏輯器件（ FPGA/CPLD）也可以用來作為主控芯片。該芯片相較于 DSP、 FPGA、 ARM 等芯片簡單易用、價格便宜，而且完全能夠滿足本設(shè)計的要求。 本設(shè)計中使用的主控制器是宏晶科技生產(chǎn)的 STC89C51RC。該型號單片機有 LQFP4 PDIP、 PLCC、 PQFP 四種封裝，在本次設(shè)計中我們采用 PDIP40 這種封裝，其外部結(jié)構(gòu)圖如圖 23 所示 [4]。 ? ISP/IAP，無需專用編程器 /仿真器可通過串口（ ）直接下載用戶程序。 ? 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷。而且本設(shè)計中除了液晶模塊為了保證顯示無延遲用了并行方式傳輸數(shù)據(jù)外，其它模塊采用了盡量節(jié)省 I/O 口的設(shè)計思路，能保證單片機的 I/O 口足夠。綜上所述， STC89C52 單片機能夠滿足設(shè)計需求。 本設(shè)計中可用的顯示設(shè)備有數(shù)碼管、液晶。液晶顯示（ LCD）由于具有可編程驅(qū)動、接口控制方便、體積小、功耗低、具有良好的可視化人機界面等優(yōu)點，在各種電子設(shè)備中得到廣泛使用 [5]。它的外部結(jié)構(gòu)圖如圖 24 所示。 其基本特性： ? 低電源電壓（ VDD： ++）。 ? 內(nèi)置漢字庫，提供 8192 個 1616 點陣漢字。 ? 2MHz 始終頻率。 ? 視角方向： 6 點。 LCD12864 的引腳功能表 21 所示。 8 為并行連接時序圖如圖 25 和圖 26 所示。由 ST7920 驅(qū)動的 12864 液晶，能夠顯示漢字、圖形、數(shù)字、字母以及其他 ASCII 字符，完全能夠滿足本設(shè)計的需求。 鍵盤通常有兩種結(jié)構(gòu)形式：線性鍵盤和矩陣鍵盤。有幾個按鍵就要有幾根連線與單片機的 I/O 口相連，因此 ，線性鍵盤一般只適用于按鍵較少的場合。顯然，用本科畢業(yè)論文 11 矩陣鍵盤可以有效減少單片機 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)。非編碼鍵盤是用軟件的方法識鍵和譯鍵。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?？紤]到本設(shè)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(shè)計采用非編碼行列式鍵盤。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。 本設(shè)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。 可行性分析：發(fā)聲模塊在本設(shè)計中用于報警，只要能夠發(fā)出一定頻率的提示音即可。 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。早在 1985 年便出現(xiàn)了 51 單片機專用的 C 語言，簡稱C5l。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。 匯編語言是為了方便使用而設(shè)計的一種符號語言。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。它是計算機所能本科畢業(yè)論文 12 本科畢業(yè)論文 13 提供的最快、最有效的語言。 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]?？紤]到本設(shè)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。 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)。如果你使用C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。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)。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。 本設(shè)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(shè)計工具。硬件設(shè)計是這個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，沒有硬件一切都無從談起。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(shè)計的復雜程度。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。 （ 2）留有一定設(shè)計余地?？紤]到以后修改擴展的方便。本次設(shè)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(shè)計過程中去。應該選 擇內(nèi)部程序空間足夠大的單片機。本設(shè)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(shè)計所需的空間大小。如果片內(nèi)空間不夠就需要增加片外 RAM，設(shè)計時需要預留 I/O 接口。 （ 5） I/O 端口：在設(shè)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。 本次設(shè)計的總體硬件電路原理圖如圖 31 所示。由于采用并行傳輸數(shù)據(jù)，液晶模塊的 DB0DB7 接單片機 P0 口。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。 時鐘頻率電路的設(shè)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。反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為本科畢業(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。 C13 0 pC23 0 pX1C R 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]。 鍵盤掃描電路的設(shè)計 鍵盤是單片機應用中必不可少的硬件之一，由于其設(shè)計方法多種多樣，所以在應用系統(tǒng)設(shè)計時，應根據(jù)整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計等信息綜合考慮，設(shè)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]。在單片機應用中主要是獨立鍵盤和矩陣鍵盤。在本設(shè)計中，為了節(jié)省端口資源，采用矩陣鍵盤。 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 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。 在按鍵的過程中會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會造成按下按鍵判定不準確，要消除這種影響就需要在掃描程序中采用消抖動處理 [13]。 復位電路的設(shè)計 使 CPU 回到初始狀態(tài)，從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程腳系統(tǒng)復位，系統(tǒng)的復位可分為硬件復位和軟件復 位 [14]。上電復位，人工按鍵復位和看門狗復位均為硬件復位。軟件復位就是用一系列指令來模擬硬件復位功能。在本設(shè)計中的主持人控制的復位按鍵只是使程序結(jié)束當前的搶答過程進入到下一