【正文】 .......................................................... 25 附錄 C: 實物圖 ........................................................................................................................ 37 參 考 文 獻 ............................................................................................................................. 39 單片機 課程設(shè)計 1 1 緒 論 課題研究的相關(guān)背景 搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)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(quán)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(guān)做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣 泛應(yīng)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(fù)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(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應(yīng)用 [2]。但搶答器 的使用頻率校低，且有的要么制作復(fù)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(fù)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(quán)利功能外，還有人性化的提示功能和 時間 提示 功能，也可設(shè)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(jié)束控制，根據(jù)活動參賽者的層次，對提前掄答者的行為設(shè)定為非法或阻隔，若設(shè)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(shè)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(shè)計 的八路 搶答器，在搶 答比賽中廣泛應(yīng)用，各組分別有一個搶答按鈕。 主持人有開始和結(jié)束鍵。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結(jié)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(nèi)部電路設(shè) 計用匯編語言編寫。 本設(shè)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(fù)位鍵（ RESET），開始鍵后開始搶答。若有選手在規(guī)定時間內(nèi)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。 可以顯示是哪 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(nèi)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(nèi)部的寄存器工作，并識別、記錄第一個 號碼，同時內(nèi)部的定時器開始工作，記錄有關(guān)時間并產(chǎn)生超時信號。 搶答器的工作流程分為 ： 系統(tǒng)復(fù)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(yù)設(shè) 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(yù)設(shè) 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(zhǔn)備 狀態(tài) ， 等待主持人按 “ 搶答開始 ” 進入下次搶答計時。 總而言之 ， 本課題利用 AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng) 設(shè)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(jié)構(gòu)、節(jié)約了成本，是一個實用的工程設(shè)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(yīng)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(nèi)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(yīng)用 [6]。在內(nèi)部含有 4KB 或 8KB 可重復(fù)編程的 Flash 存儲器，可進行 1000 次擦寫操作。 AT89C51 單片機內(nèi)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、 P P P3 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(shù)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(nèi)部和外部的控制信號，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。 圖 AT89C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)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(nèi)有 4K可在線重復(fù)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(nèi)部 RAM； 32 條可編程I/O 線；兩個 16 位定時器 /計數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)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(guān)模塊。工作時，用按鍵通過開關(guān)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(shè)計 10 3 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 硬件電路的設(shè)計 本設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這兩者相互結(jié)合，不可分離；從時間上看，硬件設(shè)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(shè)計盡可能合理，應(yīng)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(shè)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(nèi)程序空間足夠大的單片機，本設(shè)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(yīng)配置足夠的 RAM，如 6264，62256 等。只要在硬件電路設(shè)計初期考慮到這一點，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留足夠的 RAM 空間，哪怕多設(shè)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(shè)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(biāo)左鍵，打開 Edition Component 對話框，設(shè)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(dǎo)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(diào)整按鍵和回答時間調(diào)整按鍵分別接到單片機的 1 14 管腳， 加一按鍵和減一按鍵分別接到單片機的 1 16 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(nèi)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(nèi)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(diào) 。 單片機在工作時 ， 由內(nèi)部振蕩器產(chǎn) 生或由外直接輸入的送至內(nèi)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。 單片機 課程設(shè)計 14 復(fù)位電路 的設(shè)計 單片機的第 9 腳 RST 為硬件復(fù)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(fù)位 ， 復(fù)位后單片機的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 所示 ： 圖 復(fù)位電路 圖 中由按鍵 RESET1 以及電解電容 C電阻 R2 構(gòu)成按鍵及上電復(fù)位電路。當(dāng)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(zhuǎn)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(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從 0000H 開始執(zhí)行。 軟復(fù)位實際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完 畢之后 ， 將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)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(shè)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 ： 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 RET 4 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(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)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(yīng)的鍵盤掃描程序。 在單片機應(yīng)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 。 單片機 課程設(shè)計 17 在本文設(shè)計中采用了獨立鍵盤的方式，本設(shè)計中有 8 個搶答按鍵輸入，一個開始按鍵、一個結(jié)束按鍵，此外還有搶答時間調(diào)整鍵、回答時間調(diào)整鍵，加一按鍵、 減一按鍵各一個。 圖 搶答按鍵及 調(diào)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(dāng)前輸入的是 8 個搶答按鍵中的哪一個。 圖 開始、結(jié)束按鍵 在圖 中，開始及結(jié)束按鍵接到單片機的 11 腳，這里用到了單片機 11腳復(fù)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(dāng)前是否處于搶答開始狀態(tài)或搶答結(jié)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