【正文】 ，開始新一輪的搶答。在倒計(jì)時(shí)過程中，主持人可以隨時(shí)按“停止鍵”結(jié)束本次回答或者搶答。在每次搶答前后，主持人都可以按下復(fù)位鍵讓系統(tǒng)清零，此時(shí)數(shù)碼管上會顯示“ FFF”。本章節(jié)主要介紹了八路搶答器的硬件的選擇及電路的設(shè)計(jì)。對此我們作了詳細(xì)的論證?？刂破鞯倪x擇有以下兩種 方案。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。但由于本設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速 處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng) 、 軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 顯示模塊的選擇 顯示模塊主要是顯示時(shí)間和編號。 方案一：使用液晶屏顯示時(shí)間。但由于只需要顯示時(shí)間和轉(zhuǎn)向、相數(shù)這樣的數(shù)字，信息量比較少，且液晶 屏 是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼顯示是采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 鍵盤的選擇 鍵盤是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶。在單片機(jī)中使用的都是非編碼鍵盤，因?yàn)榉蔷幋a鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，非編碼鍵盤的類型很多，常用的有獨(dú)立式鍵盤，行列式鍵盤等。因此可以根據(jù)實(shí)際需要對鍵盤中的按鍵靈活編碼。 方案二：行列式鍵盤 行列式鍵盤是用 N 條 I/O 線作為行線， M 條 I/O 線作為列線組成的鍵盤， 按鍵 在行線和列線的每個交叉點(diǎn)上 。 6 CPU 對鍵盤的掃描可以采用取程序控制的隨機(jī)方式，即只有在 CPU 空閑是時(shí)才去掃描鍵盤，響應(yīng)操作人員的鍵盤輸入 ,即利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器每隔一定時(shí)間對鍵盤掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤上有無鍵閉合， CPU 總是定時(shí)的關(guān)心鍵盤狀態(tài)。為了提高 CPU 的效率而又能及時(shí)響應(yīng)鍵盤輸入，可以采用中斷方式， 即 CPU 平時(shí)不必掃描鍵盤，只要當(dāng)鍵盤上有鍵盤閉合時(shí)就產(chǎn)生中斷請求，向 CPU申請中斷后，立即對鍵盤上有鍵盤進(jìn)性掃描，識別閉合鍵，并做相應(yīng)的處理。 芯片最終選擇方案 根據(jù)上幾節(jié)的論證，通過綜合考慮，我們的芯片選擇如表 21。 51 系列單片機(jī)的功能特性 MSC51 單片機(jī)是美國英特爾公司于 1980 年起推出的第二代產(chǎn)品。 1. 主要特性： (1) 適于控制應(yīng)用的 8 位 CPU。 (3) 4KB 片內(nèi)程序存儲空間。 (4) 128B 的片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM。 (5) 32 根雙向可單獨(dú)尋址的輸入輸出線。它可以設(shè)置為計(jì)數(shù)方式，對外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置為定時(shí)方式進(jìn)行定時(shí)。 (8) 具有 5 個中斷源，可編程為兩個優(yōu)先級的中斷系統(tǒng)，它可以接收外部中斷請求、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷申請和串行口中斷申請。 節(jié)拍與狀態(tài)： 我們把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍 (P)，振蕩脈沖經(jīng)過兩個分頻后即得到整個單片機(jī)工作系統(tǒng)的時(shí)鐘信號，把時(shí)鐘信號的周期定義為狀態(tài) (S)，這樣一個狀態(tài)就有兩個節(jié)拍，前半個周期相應(yīng)的節(jié)拍我們定義為 P1，后半周期對應(yīng)的節(jié)拍定義為 P2。 AT89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)說明 AT89C51 單片機(jī)的管腳圖如圖 21 所示： 8 圖 21 AT89C51 單片機(jī)管腳圖 ? P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時(shí)用作 8 位低地址線和數(shù)據(jù)總線。當(dāng)作為輸出口時(shí)，被外部拉低的 P1口會因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻的存在而輸出電流。當(dāng)作為輸出口時(shí)，被外部拉低的 P2 口會因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻的存在而輸出電流。 ◆ P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部電路上拉為高電平，并用作輸入口。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外 部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ? RST：復(fù)位 信號 輸入 端 。 ? ALE/PROG： ALE 是地址鎖存允許信號。 在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6，可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)。此 時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 ? /PSEN： 讀片外 程序存儲器選通信號 輸出端 。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 和內(nèi)部程序存儲器時(shí)， /PSEN 無效 。當(dāng) /EA 為高電平時(shí)，低 4KB 的地址為片內(nèi)程序存儲器單元，高于 4KB 以上的地址為片外程序存儲器單元；當(dāng) /EA 為低電平時(shí)，則只能讀片外程序存儲器。 XTAL2： 片內(nèi)振蕩電路反向放大器的輸出端，采用外部時(shí)鐘時(shí)該引腳為振蕩信號的輸入端。 搶答器的硬件圖 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，我們先大概將搶答器的硬件分為這幾部分： CPU、聲音電路、顯示電路、定時(shí)電路、開始結(jié)束鍵輸入和搶答按鍵輸入。 圖 22 搶答器硬件圖 時(shí)鐘頻率控制電路 單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動下 才能工作。 只需要外接一個振 10 蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個單元，決定單片機(jī)的工作速度。 圖 23 外部振蕩電路 內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器一般選用石英晶體振蕩器。電路中兩個電容 C C2 選用 30PF 大小，其作用有兩個：一是幫 助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。其大小是時(shí)鐘信號頻率的倒數(shù)。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 在搶答器中復(fù)位是為定時(shí)做鋪墊的，在搶答之前要復(fù)位，搶答完畢要復(fù)位，按了復(fù)位鍵之后 LED 顯示 F。 圖 24 復(fù)位電路 圖中復(fù)位電路由按鍵和電解 電容 C電阻 R9 構(gòu)成的按鍵及上電復(fù)位電路。當(dāng)上電后由于電容緩慢充電，單片機(jī)的 9 腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時(shí)間后，單片機(jī)的 9 腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從 0000H開始執(zhí)行。硬件復(fù)位可將寄存器及存儲器的值都恢復(fù)到初始值。軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢后，講程序指針通過一條 跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到該段程序的起始地址。在本設(shè)計(jì)中此電路起到報(bào)警功能。 本次設(shè)計(jì)如圖 25所示，圖中用到單片機(jī)的 11 和 16 管腳。 圖 25 報(bào)警電路 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示功能與硬件的關(guān)系極大，顯示電路有兩種選擇，液晶屏顯示和傳統(tǒng)數(shù)碼管顯示。而數(shù)碼管具有低耗能、低損耗、低壓、壽命長和精確度高、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采 用的是 4 位七段數(shù)碼管顯示。其中，靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，編程簡單，顯示亮度高，但占用 I/O 口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 本設(shè)計(jì)采用的是動態(tài)顯示方法。其中單片機(jī)的P0 口為字型碼輸入端， P2 口得低三位為字選段輸入端。 12 圖 26 七段數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管有共陰極和共 陽極兩種接法。 本設(shè)計(jì)采用 4 位一體的七段共陰極數(shù)碼管，其中 AG 段分別接到單片機(jī)的 P0 口，由單片機(jī)輸出的 P0 口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼 COM1， COM3， COM4 分別接到單片機(jī)的 ， ，由單片機(jī)來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。 鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì) 鍵盤掃描電路由兩部分組成：搶答電路和定時(shí)電路。其中，獨(dú)立式鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣式鍵盤硬件電路比獨(dú)立式鍵盤電路復(fù)雜，而且程序設(shè)計(jì)繁瑣，但它節(jié)省端口，適合于多按鍵電路。 在定時(shí)電路的設(shè)計(jì)中，有 1 個搶答時(shí)間調(diào)整按鍵、 1 個回答時(shí)間調(diào)整按鍵、加一按鍵、減一按鍵和 1 個開始按鍵、 1 個結(jié)束按鍵。 圖 27 定時(shí)電路 圖 28 搶答電路 13 圖中和 AT89C51 芯片的 12 管腳連接的為搶答時(shí)間 30s 的調(diào)整按鍵，和 13 管腳連接的為回答時(shí)間 60s 的調(diào)整按鍵，與 14 管腳連接的為加一按鍵，與 15 管腳連接的為減一按鍵。 開始按鍵與單片機(jī)的 10 管腳連接，停止按鍵與 11 管腳連接。當(dāng)主持人按下開始鍵，搶答電路和定時(shí)電路將進(jìn)入正常搶答狀態(tài)；當(dāng)回答完畢，主持人可以按下結(jié)束鍵停止計(jì)時(shí)。搶答電路如圖 28 所示，圖中 8個搶答按鍵分別接入單片機(jī)的 端口，單片機(jī)通過讀取 的值來判斷當(dāng)前輸入的是 8個搶答按鍵中的哪一個。 第 3 章 系統(tǒng)軟