机电一体化毕业设计论文-基于51的八路抢答器设计与制作(编辑修改稿)

机电一体化毕业设计论文-基于51的八路抢答器设计与制作(编辑修改稿)内容摘要：

024MHZ，有 3 级程序锁存器，内部含有 128256 字节的 RAM，有 32 条可编程 I/O 口线， 23 个 16 位定时 /计数器， 68 个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。 AT89C51 单片机内部由 CPU、 4KB 的 FPEROM ， 128B 的 RAM， 两个 16 位的定时 /计数器 T0 和 T1， 4 个 8 位的 I/O 端 P0、 P P P3 等组成。 单片微机内部最核心的部分是 CPU。 CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入 /输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等， CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。 控制器由程序计数器 PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。 它的功能是 对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。 运算器由算术逻辑器部件 ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW， BCD 码运算调整电路等组成。 图 3 AT89C51 单片机的内部结构图 为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专用寄存外部定 时元件 复位 中断 电源 系统 时钟 ROM CPU 定时 /计数器 串行 I/O 口 并行 I/O 口 RAM 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 9 器，还增加了位处理逻辑电路的功能。 其内部结构如图 3 所示。 AT89C51 的主要性能包括： AT89C51 与 MCS— 51 控制器系列产品兼容，片内有 4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（ Flash Memory），存储器可循环写入 /擦除 1000 次；存储器数据保存时间可达 10 年；工作电压范围宽： Vcc 可由 到 6V；全静态工作可由 0Hz 到 16MHz；程序存储器具有 3 级锁存保护； 128*8 位内部 RAM； 32 条可编程I/O 线；两个 16 位定时器 /计数器；中断结构具有 5 个中断源和 2 个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态 维持 低功耗和掉电状态保存存储内容。 抢答器的优点及组成 在知识比赛中，特别是做抢答题目 的时候 ， 在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。 如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。 利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。 本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。 系统工作原理本系统采用 AT89C51 单片机作为核心。 控制系统的四个模块分别为：存储模 块、显示模块、 声音 模块、抢答开关模块。 该抢答器系统通过 八个 个按键输入抢答信号；利用存储程序 来完成软件的设计 ；利用一个 4 位七段共 阴 数码 管来完成显示功能。 工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制 4 位七段共 阴 数码管和 喇叭 工作。 在数码管上显示哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。 本章小 结 本章主要讲述了抢答器的工作原理和本设计系统的工作流程。 在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；在说明系统的流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。 抢答正常流程与违例流程的实现，以及如何进行抢答控制。 同时也说明了抢答器的优点和 AT89C51 的功能及简介。 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 10 3 系统总体方案的设计 硬件电路的设计 本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶 段，到后期往往还要做一些修改。 只要技术准备充分，硬件设计的大返工 是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。 为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面 [7]： (1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯 片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。 (2) 留有设计余地。 在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。 因为很少有一锤定音的电路设计，如果 现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。 (3) 程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用 AT89C51 单片机。 (4) RAM 空间， AT89C51 内部 RAM 不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。 如果系统配置了外部 RAM，则建议多留一些空间。 如选用 8155 作 I/O 接口，就 可以增强 256 字节 RAM。 如果有大批数据 需要 处理，则应配置足够的 RAM，如 6264，62256 等。 随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。 只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的 RAM 空间，哪怕多设计一个 RAM 的插座，暂不插芯片也好。 (5) I/O 端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。 如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。 如果在硬件电路设计就预留出一些 I/O 端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 11 总体原理图 图 4 系统原理图 图中 U1 为单片机 AT89C51， U2 为 芯片 74HC30， U3 为芯片 74LS04。 K1~K8 分别为 8 路 抢答 按键，分别接到单片机的 ~ 中。 开始按键与结束按键分别接到单片机的 11 脚，由于单片机的 11 脚既有串行接口 RXD、 TXD 功能，又有 、 的 IO 端口功能，此处按键用到单片机 11 脚的 IO 端口功能。 抢 答时间调整按键和回答时间调整按键分别接到单片机的 1 14 管脚， 加一按键和减一按键分别接到单片机的 1 16 管脚。 4 位七段 数码管段选 P0 口。 4 位七段数码管的 位选 接 P2 口低 3位，蜂鸣器输出为 口 [8]。 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 12 时钟频率电路 的设计 单片机必 须在时钟的驱动下才能工作。 在单片机内部有一个时钟振荡电路 ， 只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元 ， 决定单片机的工作速度。 时钟电路如图 5 所示。 图 5 外部振荡源电路 一般选用石英晶体振荡器。 此电路在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振 ， 在 XTAL2 引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号 ， 其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。 电路中两个电容 C1， C2 的作用有两个 ： 一是帮助振荡器起振 ； 二是对振荡器的频率进行微调。 C1， C2 的典型值为 20PF。 单片机在工作时 ， 由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。 其 大小是时钟信号频率的倒数 ， 常用 fosc 表示。 图中 时钟频率为 12MHz， 即 fosc=12MHz， 则时钟周期为 1/12181。 s。 复位电路 的设计 单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端 ， 只要将该端持续 4 个机器周期的高电平即可实现 复位 ， 复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图 6 所示 ： 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 13 图 6 复位电路 图 6 中由按键 RESET1 以及电解电容 C电阻 R2 构成按键及上电复位电路。 由于单片机是高电平复位，所以当按键 RESET1 按下时候，单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。 当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的 9 脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9 脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从 0000H 开始执行。 值得注意的是 ， 在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能 ， 由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值 ， 而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能 ， 该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位 ，所以设定了软复位功能。 软复位实际上就是当程序执行完毕之后 ， 将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。 显示电路 的设计 显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。 在这里我们使用的是七段数码管显示 ， 通常在显示上我们采用的方法一般包括两种 ： 一种是静态显示 ， 一种是动态显示。 其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁 ， 程序编写简单 ， 但占用端口资源多 ； 动态显示的特点是显示稳定性没静态好 ， 程序编写复杂 ，但是相对静态显示而言占用端口资源少。 在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 14 法。 通过查表法 ， 将其在数码管上显示出来 ， 其中 P0 口为字型码输入端 ， P2 口低 3 位为字选段输入端。 在这里我们通过查表将字型码送给 7 段数码管显示的数字 ， 数码管显示原理如下 ： 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 位七段数码管显示电路如图 7 所示。 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 15 图 7 共阴极数码管 图 7 中 数码管 采用的是 4 位七段共 阴 数码管，其中 A~H 段分别接到单片机的 P0口，由单片机输出的 P0 口数据来决定段码值，位选码 COM COM COM4 分别接到单片机的 、 、 ，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。 在图中还有 八个 1K 的电阻 ，连接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉电阻，保证 P0 口没有数据输出时候处于高电平状态。 键盘扫描 电路的设计 键盘是人与 单片机 打交道的主要设备。 关于键盘硬件电路的设计方法 也 可以在文献和书籍中找到，配合 各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。 站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。 在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。 它们各有自己的特点 ， 其中独立键盘硬件电路简单 ， 而且在程序设计上也不复杂 ，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中 ； 矩阵键盘与独立键盘有很大区别 ， 首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多 ， 而且在程序算法上比它要烦琐 ， 但它在节省端口资源上有 优势得多 ， 因此它更适合于多按键电路。 其次就是消除在按键过程中产生 的 “ 毛安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 16 刺” 现象。 这里采用最常用的方法 ， 即延时重复扫描法 ， 延时法的原理为 ： 因为 “ 毛刺 ”脉冲一般持续时间短 ， 约为几 ms， 而我们按键的时间一般远远大于这个时间 ,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间 (这里我们取 10ms)后再判断此电平是否保持原状态 ,如果是则为有效 按键 ， 否则无效。 在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有 8 个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、 减一按键各一个。 如 图 8 所示。 安徽工贸职业技术学院毕业 设计（论文） 17 图 8 抢答按键及 调整 按键 在图 8中 8个抢答按键分别接入单片机的 ~，单片机通过读取 ~的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个。 抢答时间调整和回答时间调整 接到单片机的 和 接口， 加一及减一按键接到单片机的 和 接口。 图 9 开始、结束按键 在图 9 中，开始及结束按键接到。