【正文】 ......4 51 系列單片機(jī)的功能特性 .......................................................... 4 AT89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)說(shuō)明 ........................................................... 5 硬件的構(gòu)成及功能 ..........................................................6 搶答器的硬件圖 .................................................................. 6 時(shí)鐘頻率控制電路 ................................................................ 7 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) .................................................................. 8 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) .................................................................. 8 顯示電路的設(shè)計(jì) .................................................................. 9 鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì) .............................................................. 10 第 3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................................................11 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) ...........................................................11 鍵盤掃描程序設(shè)計(jì) .........................................................12 顯示程序設(shè)計(jì) .............................................................13 第 4章 系統(tǒng)調(diào)試與軟件仿真 .......................................................14 硬件 調(diào)試 ................................................................14 Keil uVision2軟件調(diào)試 ...................................................14 Proteus仿真 .............................................................15 第 5章 總 結(jié) ..................................................................18 參 考 文 獻(xiàn) ....................................................................19 附 錄 .........................................................................20 附錄一 主程序清單 ............................................................20 附錄二 單片機(jī)八路智能搶答器原理圖 ............................................28 附錄三 英 文 資 料 ...........................................................29 譯 文 .......................................................................31 致 謝 .........................................................................33 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 選題背景、意義 當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)新技術(shù)層出不窮的時(shí)代，在電子領(lǐng)域尤其是自動(dòng)化智能控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的分立元件或數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，正以前所未有的速度被單片機(jī)智能化控制所取代。 目前， 搶答器已經(jīng)作為一種必不可少的工具廣泛應(yīng)用于各種智力和知識(shí)競(jìng)賽場(chǎng)合，但一般的搶答器可靠性低，使 用壽命短，介于這些不方便因素，此次設(shè)計(jì)提出了用 AT89C51 單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的八路搶答器。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、判斷精確、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展功能強(qiáng)。 在每次競(jìng)賽開始前，主持人讀完比賽規(guī)則，可以對(duì)搶答器進(jìn)行 的時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)。 比賽開始，主持人讀完題之后按下 “開始鍵” ， 即 搶答 開始 ， 蜂鳴器提示一次 ，此時(shí)數(shù)碼管開始 顯示 30s 的倒計(jì)時(shí)； 直到有一個(gè)選手 按下 搶答 鍵 ，對(duì)應(yīng)的會(huì) 在數(shù)碼管上顯示出該選手的編號(hào)和回答剩余 的時(shí)間，同時(shí)蜂鳴器也會(huì)發(fā)出 一次 提示音，以示有人搶答本題； 如果在規(guī)定的 30s 時(shí)間內(nèi)沒(méi)有 人做出搶答，則此題作廢 ， 開始 新一輪的搶答。 在倒計(jì)時(shí)過(guò)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(huì)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(duì)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(duì) 數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)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(gè)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(hào) 。 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(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，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。 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 3 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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(gè)交叉點(diǎn)上 。 CPU 對(duì)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(duì)鍵盤掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤上有無(wú)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(qǐng)求，向 CPU 申請(qǐng)中斷后，立即對(duì)鍵盤上有鍵盤進(jìn)性掃描，識(shí)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(guò)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(guó)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(chǔ)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(duì)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(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)，它可以接收外部中斷請(qǐng)求、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)和串行口中斷申請(qǐng)。 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(guò)兩個(gè)分頻后即得到整個(gè)單片機(jī)工作系 統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，把時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為狀態(tài) (S)，這樣一個(gè)狀態(tài)就有兩個(gè)節(jié)拍，前半個(gè)周期相應(yīng)的節(jié)拍我們定義為 P1，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍定義為 P2。 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 5 AT89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)說(shuō)明 AT89C51 單片機(jī)的管腳圖如圖 21 所示： 圖 21 AT89S51 單片機(jī)管腳圖 ? VCC：電源端。 ? P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)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(huì)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(huì)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(gè)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） 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 6 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(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） ? RST：復(fù)位 信號(hào) 輸入 端 。 ? ALE/PROG： ALE 是地址鎖存允許信號(hào)。 在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，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(chǔ)器選通信號(hào) 輸出端 。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 和內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)， /PSEN 無(wú)效 。當(dāng) /EA 為高電平時(shí)，低 4KB的地址為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器單元，高于 4KB 以上的地址為片外程序存儲(chǔ)器 單元；當(dāng) /EA 為低電平時(shí)，則只能讀片外程序存儲(chǔ)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(hào)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。 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 7 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(dòng)下才能工作。只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘 信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)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(gè)電容 C C2 選用 30PF 大小，其作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振；二是對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。其大小是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)。 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 8 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(guò)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(chǔ)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(guò)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。 基于 51 單片機(jī)的 8 路搶答器的設(shè)計(jì) 9 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(zhǎng)和精確度高、操作簡(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 本設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)