【正文】 digital tube minimum system 1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和生活內(nèi)容的豐富，各種各樣的競賽越來越多，其中搶答器有著無可替代的作用。因此設(shè)計一種更便于使用的搶答器是非常必要的。針對以上情況，本文設(shè)計出以 STC89C51 單片機為核心的四路搶答器。 考慮到需設(shè)定限時回答的功能，利用 89C51 單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器 /計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。同時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：主控操作優(yōu)先；在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；滿時后系統(tǒng)等待主控強制復(fù)位；按鍵鎖定 ，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。 （ 2） 搶答限定時間 20 秒和回答問題的時間 60 秒。 （ 4） 搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后等待主持人按鍵復(fù)位。 搶答器工作過程 主持人按 “ 搶答開始 ” 鍵，立刻進入搶答倒計時（預(yù)設(shè) 20s 搶答時間 ），如有選手搶答，顯示其號數(shù)并等待主持人允許答題，允許答題（主持人按鍵）進入答題倒計時（預(yù)設(shè) 60 秒答題時間）。 如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按 “ 停止 ” 按鍵，系統(tǒng)會自動進入準備狀態(tài)，等待主持人按 “ 搶答開始 ” 進入下次搶答計時。 系統(tǒng)方框圖如圖 11 所示 。有些文獻甚至也將8051 泛指 MCS51 系列單片機， 8051 是早期的最典型的代表作，由于 MCS51 單片機影響極深遠，許多公司都推出了兼容系列單片機，就是說 MCS51 內(nèi)核實際上已經(jīng)成為一個 8 位單片機的標準。同樣的一段程序，在各個單片機廠家的硬件上運行的結(jié)果都是一樣的，如 ATMEL 的 89C51（已經(jīng)停產(chǎn)）、 89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（華邦）等，我們常說的已經(jīng)停產(chǎn)的 89C51 指的是 ATMEL 公司的 AT 89C51 單片機，同時是 在原基礎(chǔ)上增強了許多特性，如時鐘，更優(yōu)秀的是由 Flash（程序存儲器的內(nèi)容至少可以改寫 1000 次）存儲器取帶了原來的 ROM（一次性寫入）， AT89C51 的性能相對于 8051 已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了。89S51 就是在這樣的背景下取代 89C51 的，現(xiàn)在， 89S51 目前已經(jīng)成為了實際應(yīng)用市場上新的寵兒，作為市場占有率第一 的 Atmel 目前公司已經(jīng)停產(chǎn) AT89C51，將用 AT89S51 代替。 89SXX 可以像下兼容 89CXX 等 51 系列芯片。如果市場需要， Atmel 當(dāng)然也可以再恢復(fù)生產(chǎn) AT89C51。它與通用 80C51 系列單片機的指令系統(tǒng)和引腳兼容。他將通用 CPU和在線可編程 Flash集成在一個芯片上，形成了功能強大、使用靈活和具有較高性能性價比的微控制器。它是 80C51 單片機 中最具有特色的部分， 5 現(xiàn)在幾乎所有 80C51 系列功能的增加和擴展都是通過增加特殊功能寄存器來達到目的的。如用 sfr P1 = 0x90 這一句定 義 P1 為 P1 端口在片內(nèi)的寄存器，在后面的語句中我們可以用 P1 = 255（對 P1 端口的所有引腳置高電平）之類的語句來操作特殊功能寄存器。它們的地址分配在 80H～ FFH 中，即在 RAM 地址中。 雖然特殊功能寄存器地址在 80H～ FFH 之中，但在 80H～ FFH 的地址單元中，不是所有的單元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的單元，其內(nèi)容是不確定的，如果對這些單元 進行操作，得到的是一些隨機數(shù)，而寫入則無效。 STC89c51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC89c51 內(nèi)部由一個 8 位的微處理器 CPU、片內(nèi)程序存儲器 Flash ROM 、8 位并行 I/O（輸入 /輸出）接口 P0~P定時 /計數(shù)器、全雙工 UART 的串行 I/O口、片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路和中斷源的中斷控制系統(tǒng)組成。 一個 8 位的微處理器 CPU。片內(nèi) 4kB程序存儲器 Flash ROM（ 4KB）：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。兩個 (或三個 )定時 /計數(shù)器 :每個定時 /計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部 事件進行計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或 定時的結(jié)果 實現(xiàn)計算機控制。片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路：但需外接晶振和電容 。休閑方式及掉電方式。 （ 2）留有設(shè)計余地。因為很少有一錘定音的電路設(shè)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。 （ 4） 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。如果在硬件電路設(shè)計就預(yù)留出一些 I/O 端口，雖然當(dāng)時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。 電源的設(shè)計 常用的三端電子穩(wěn)壓元件有輸出正點壓的 78xx 系列和輸出負電壓的 79xx系列。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓元件來組成穩(wěn)壓電路所需的外圍元器件很少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來方便可靠，而且價格便宜。本設(shè)計采用 7805 三端 穩(wěn)壓電路。 當(dāng)制作中需要一個能輸出 以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為 N 個 ，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。 時鐘頻率電路的設(shè)計 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。 晶振的選擇 6MHz 的晶振，其機器周期是 2us。為了提高整個系統(tǒng)的性能我選擇了 12MHz 的晶振。這樣就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式外部振蕩方式是把已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。本設(shè)計中沒有也無需與外部時鐘信號一致，所以我選擇 了內(nèi)部振蕩方式，由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。電容器 C C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值我選擇了 30pF。 時鐘 復(fù)位電路如圖 33 C12 2 0 nC22 2 0 nC32 2 0 nX1CR Y S T A LR11 0 kVCCLTAL1XTAL2VCCVCCGND 圖 33 鐘復(fù)位電路圖 復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位電路的作用 ： 在上電或復(fù)位過程中，控制 CPU 的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓 CPU 保持復(fù)位狀態(tài) ， 而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止 CPU 發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。而單片機復(fù)位電路設(shè)計的好壞 ,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。 基本的復(fù)位方式 ： 單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期 (24 個振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。 （ 1）手動按鈕復(fù)位 手動按鈕復(fù) 位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平。當(dāng)人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 10 電平就會直接加到 RST 端。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以， 完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。 圖 34 手 動復(fù)位電路 圖 35 上 電復(fù)位電路圖 （ 2）上電復(fù)位 AT89C51 的上電復(fù)位電路如圖 35 示，只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個電阻到地即可。F。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。在圖 34 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時，必然會使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。如果系統(tǒng)在 上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器 PC 將得不到一個合適的初值，因此， CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 在實際的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，若有外部擴展的 I/O 接口電路也需初始復(fù)位，如果它們的復(fù)位端和 MCS51 的復(fù)位端相連，復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要受到影響，這時復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要統(tǒng)一考慮，以保證可靠的復(fù)位。若 RC 上電復(fù)位電路接施密特電路輸入端，施密特電路輸出接 MCS51 和外圍電路復(fù)位端，則能使系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位，一般來說，單片 11 機的復(fù)位速度比外圍 I/O 接口電路快一點，為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位在初始化程序中應(yīng)該安排一定的復(fù)位延遲時間。 （ 3）看門狗型復(fù)位電路 看門狗型復(fù)位電路主要利用 CPU 正常工作時 ,定時復(fù)位計數(shù)器 ,使得計數(shù)器的值不超過某一值 。此復(fù)位電路的可靠性主要取決于軟件設(shè)計 ,即將定時向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。然而 ,有時這種設(shè)計仍然會引起程序走飛或工作不正常。因為定時器中斷一真在產(chǎn)生 ,即使程序不正常 ,Watchdog 也能被正常復(fù)位。即在初始化時壓入堆棧一個地址 ,在此地址內(nèi)執(zhí)行的是一條關(guān)中斷和一條死循環(huán)語句。這樣 ,當(dāng)程序走飛后 ,其進入陷阱的可能性將大大增加。當(dāng)然這種技術(shù)用于實時性較強的控制或處理軟件中有一定的困難。 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 .01P 1 .12P 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 C5 1A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U24 5 1 1VCCP 0 .0P 1 .2P1.3P 1 .1GND 圖 36 示電路原理圖 12 數(shù)碼管簡介 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù) 點顯示）；按能顯示多少個“ 8”可分為 1 位、 2位、 4 位等等數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 ( COM )的數(shù)碼管。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而 顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由 一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。 （ 2）動態(tài)顯示驅(qū)動 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃“ a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的 字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口， 而且功耗更低。 CD4511 七段譯碼器簡介 CD4511 是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管） 顯示器的 BCD 碼 — 七段碼譯碼器，特點如下： 具有 BCD 轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及 驅(qū)動功能的 CMOS 電路能提供較大的 拉電流。用 CD4511 實現(xiàn) LED 與接口方法如下圖： 其功能介紹如下： BI： 4 腳是消隱輸入控制端，當(dāng) 13 BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如 何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示 數(shù)字。它