【正文】 ........................................................39單片機課程設計11 緒 論 課題研究的相關背景搶答器是一種應用非常廣泛的設備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權的選手?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(如MCS51型)和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。 國內外研究現(xiàn)狀搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器有的電路較復雜不便于制作，可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成塊，而專用集成塊的購買又很困難。在國內外已經(jīng)開始了普遍的應用 [2]。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。而且目前多數(shù)搶答器存在 3 個不足之處 [3]：第一，現(xiàn)場線路連接復雜。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。因為單片機只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。第三，選手搶按成功，但出現(xiàn)沒有搶答被記錄的問題。參賽者系統(tǒng)，除享有搶答按紐的權利功能外，還有人性化的提示功能和時間提示功能，也可設定由主控控制在參賽者終端表現(xiàn)的趣味性功能等；主控系統(tǒng)的控制按鈕做開始與結束控制，根據(jù)活動參賽者的層次，對提前掄答者的行為設定為非法或阻隔，若設有非法搶答控制功能時，在主控處帶有公示性顯示的非法掄答者的臺位號，對搶答限時及回答問題限時設為倒計時，并有顯示提示。圖 系統(tǒng)主要功能模塊本系統(tǒng)采用模塊化設計的八路搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結束鍵。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結束鍵確定。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。單片機是整個搶答器的核心，內部電路設計用匯編語言編寫。本設計中，有一個共陰的數(shù)碼管組，四個數(shù)碼管。主持人依次按下復位鍵（RESET） ，開始鍵后開始搶答。若有選手在規(guī)定時間內搶按成功，則可以答題，數(shù)碼管顯示搶答時間的同時也顯示選手號碼。 系統(tǒng)需求分析在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效?？梢燥@示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示。搶答限定時間內使用錦囊回答時間將加到 60s。 搶答器的工作流程搶答器的基本工作原理 [4]：在搶答競賽或呼叫時，有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器內部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內部的定時器開始工作，記錄有關時間并產(chǎn)生超時信號。搶答器的工作流程分為：系統(tǒng)復位、正常流程、違例流程等幾部分，如圖2所示，下面分別予以介紹。主持人按搶答開始 鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預設 20s 搶答時間） ，如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進入回答倒計時（預設 30s搶答時間） ，不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。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?？偠灾?，本課題利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)設計了搶答器，該搶答器增加了新功能、提高了系統(tǒng)的可靠性、簡化了電路結構、節(jié)約了成本，是一個實用的工程設計。特殊功能寄存器共含有 22 個不同寄存器。這些寄存器的名稱和地址見表 。所以，用戶編程時不應該將數(shù)據(jù)寫入這些未確定的地址單元，它們是公司留待將來開發(fā)新產(chǎn)品時使用的。它最大特點是片內含有 Flash 存儲器，用途十分廣泛，特別是在生產(chǎn)便攜式商品，手提式儀器等方面，有著十分廣泛的應用 [6]。在內部含有 4KB 或 8KB 可重復編程的 Flash 存儲器，可進行 1000 次擦寫操作。AT89C51 單片機內部由 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、PPP3 等組成。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。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(xié)調工作，完成指令所規(guī)定的操作。圖 AT89C51 單片機的內部結構圖為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內增加了一個通用寄存器 B 和一些專用寄存器，還增加了位處理邏輯電路的功能。AT89C51 的主要性能包括：AT89C51 與 MCS—51 控制器系列產(chǎn)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(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 位內部 RAM；32 條可編程I/O 線；兩個 16 位定時器/計數(shù)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。如果在搶答中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。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?？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。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。單片機課程設計103 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。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。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。(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。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM，則建議多留一些空間。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。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。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。單片機課程設計11 總體原理圖 本原理圖是利用 Proteus 軟件是英國 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具(仿真軟件 )。它是目前最好的仿真單片機的工具。在編譯方面，它支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多種編譯器[9]。首先在畫好的電路原理圖中選中需要編寫程序的芯片，并單擊鼠標左鍵，打開 Edition Component 對話框，設置單片機晶振頻率為 12MHZ，在此窗口中的 program file 欄中，選擇之前用keil 軟件生成的 KEIL 生成的 HEX 文件。在 Proteus 的菜單欄中，打開 Debug 下拉菜單，在菜單中選中 Use start/restart debugging 選項，這樣 proteus 中繪制的電路原理圖就可以鏈接上， keil 中生成的 HEX 文件進行仿真了。把元件排布好后，使用導線將各個元件連接起來，最后繪制完成八路掃描式搶答器電路原理圖。K1~K8 分別為 8 路搶答按鍵，分別接到單片機的~ 中。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114 管腳，加一按鍵和減一按鍵分別接到單片機的116 管腳。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]。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(chǎn)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。圖 外部振蕩源電路一般選用石英晶體振蕩器。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。單片機在工作時，由內部振蕩器產(chǎn)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。圖中時鐘頻率為 12MHz，即 fosc=12MHz，則時鐘周期為 1/12181。 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 所示：單片機課程設計14圖 復位電路圖 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。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(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。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。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。在本設計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法。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： 單片機課程設計15 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 RET4 位七段數(shù)碼管顯示電路如圖 7 所示。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)。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。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。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象。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。 單片機課程設計17圖 搶答按鍵及調整按鍵在圖 中 8 個搶答按鍵分別接入單片機的 ~ 端口，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。圖 開始、結束按鍵在圖 中，開始及結束按鍵接到單片機的 11 腳，這里用到了單片機 11腳復合功能中的 IO 端口功能，單片機通過讀取 11 腳的 、 的 IO 端口值來判斷當前是否處于搶答開始狀態(tài)或搶答結束狀態(tài)。現(xiàn)在一般均用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于 5ms，例如取 1020ms。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。圖 中電路就是由一個 74HC30 輸入與非門和 74LS04 反向器組成的去抖電路。本文設計如圖 所示。圖 發(fā)聲電路單片機課程設計19 系統(tǒng)復位使 CPU 進入初始狀態(tài)，從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復位。硬件復位必須通過 CPU 外部的硬件電路給 CPU 的 RESET 端加上足夠時間的高電位才能實現(xiàn)。硬件復位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內通用寄存器的內容沒有影響。軟件復位就是用一系列指令來模擬硬件復位功能，最后通過轉移指令使程序從 0000H 地址開始執(zhí)行。而對中斷激活標志的清除工作常被遺忘，因為它沒有明確的位地址可供編程