精品毕业论文--基于单片机的八路智能抢答器的设计

精品毕业论文--基于单片机的八路智能抢答器的设计内容摘要：

案二： 系统设计主要基于可编程的 PLC 设计，系统包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。 硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。 软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软 件进行调试、测试，达到所需功能要求。 方案三：系统采用 MCS51系列单片机作为控制核心，其片内带有 4KflashROM，128 的 RAM，以及 15根 I/O 口线能满足设计要求。 该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。 利用单片机程序判断选手按键是否有效，但是选手违规抢答，利用简答程序显示，启动蜂鸣器报警，告诉主持人有人违规操作，抢答无效。 给出相应的延时，选手按正常的操作抢答，软件倒计时，利用 AT89C51 移位寄存 7 段数码管，实现倒计时显示时间，到 5秒相应时间提醒选手时间快到了，要及时作答，并启动蜂鸣器。 由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。 整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。 单片机特点如下： （ 1） 高集成度，体积小，高可靠性。 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。 芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的 CPU。 单片机程序指令，常数及表格等固化在 ROM 中不易破坏，许多信号通道均在八路智能抢答器的设计 第 6 页 共 60 页 一个芯片内，故可靠性高。 （ 2） 控制功能强 ： 为 了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件 :分支转移能力，I/O 口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （ 3） 低电压，低功耗，便于生产便携式产品 ： 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为 ～ ，而工作电流仅为数百微安。 （ 4） 易扩展 ： 片内具有计算机正常运行所必需的部件。 芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入 /输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （ 5） 优异的性能价格比 ： 单片机的性能极高。 为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用 RISC 流水线和DSP 等技术。 单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可达到 1MB 和 16MB，片内的 ROM 容量可达 62MB， RAM 容量则可达 2MB。 由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。 方案比较分析：从第一个方案我们可以看出，这个抢答器是由抢答电路，定时电路，报警电路，时序控制电路四个 关键 电路 部分 组成。 扩展电路是由秒钟脉冲信号产生电路，译码电路，显示电路等，它的功能很齐全，设计的电路也很稳定。 但是它的造价却很高，仅仅是集成电路他就用了八个，这个跟 我们当初的设计理念是相冲突的。 我们要的是功能齐全，但是造价比较低的设计。 所以我们放弃这个方案。 而方案二采用 可编程 PLC 设计 实现的抢答器，但该系统的 投入成本 过于 高昂 ， 软件编程过于繁琐 ， 对编程的语言掌握程度要求很高 ，而且 其 PLC 在该领域的应用很少，普通人对 PLC 的理解及掌握都不是很深入，鉴于通用性和节省的原则，我们依然不采用该方案。 方案三采用单片机为核心器件，外围电路采用集成芯片，其可靠性好，结构简单，不但从性能上优于方案一 和方案二 ，而且在使用上及其功能的实现上都较 其他 方案简洁，并且由于单片机具有优越的高集 成电路性，使其工作速度更快、效率更高。 另外单片机采用 12MHz 的晶振，提高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩张功能。 该模式充分体现了原有系统性能的改进，功能的扩展及其他同类系统的不同之处，它包括硬件逻辑图与软件流程图，比较经济实用，所以我们选用单片机的方案。 第 7 页 共 60 页 智能抢答器模块化设计 该 抢答器系统 的硬件 设计是 以 单片机 为中心控制模块， 采用模块化设计的八路抢答器， 具有六 个模块 ， 分别为： 按键输入模块、显示模块、时钟与复位模块、报警模块、电源模块、核心控制模块。 系统的主要功能模块 原理框图如 图 21 所示。 图 21 主要功能模块原理框图 按键输入模块 共有 14 个按键， 分为抢答按键和控制按键。 抢答按键共有八个，分别为 S1―S8 ，供抢答选手进行抢答使用， P1 口为八个按键抢答信号的输入口，低电平有效。 控制按键有六个，分别为 S9―S14 ， 其中 S9 和 S10 分别为“抢答时间调整键”和“回答时间调整键”， 其对应的 I∕O接口分别为 和 ； S11 和 S12 分别为时间“加 1”和“减 1”按键，其对应的 I∕O接口分别为 和 ； S13 和 S14 分别为“抢答开始按键”和“抢答停止按键”，其对应的 I∕O 接口分别为 和 ； 显示模块本系统采用四个 共阳极 LED 数码管显示，一个数码管用来显示抢答到问题的选手的号码，两个用来显示倒计时时间，一个未使用的数码管作为以后的扩展使用。 数码管采用 74LS244 来驱动， 74LS244 是 TTL8 输入 3 态缓冲器 ∕ 线驱动器，它的输出电流可以达到 24mA。 时钟与复位模块包括时钟电路和复位电路， 单片机的最小系统就是由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部 振荡方式。 复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态 开始运行。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位 或开关复位。 当 5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。 八路智能抢答器的设计 第 8 页 共 60 页 如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 报警模块在本系统中为附加模块，它的主要用途就是起到提示并引起人们的注意。 它只有在两种情况下才发出报警，一是“开始抢答”按键没有按下时，选手就按下了“抢答键”，报警电路发出报警，提示有选手发生抢答；二是每道题的抢答 时间和问题的回答时间在倒计时 5 秒时，报警电路发出报警，提示选手倒计时的时间即将耗尽。 电源模块是为了增 强本系统应用的广泛性而设计的模块，在我们常用的单片机或其他外围芯片的电源供给电压一般为直流 +5V、 +3V 和 +12V，现实中的使用电压为交流220V，为了增加其现实意义，故设计了电源模块，它的主要任务是将交流 220V 电压转换为 本 系统中可以直接使用的直流 +5V。 核心控制模块就是人们所谓的 CPU，它是整个系统的总控制部分，本系统的核心控制模块为 51 系列的单片机，只有我们通过软件程序的编写，并将程序写入单片机，该系统才会正确的工作。 第 9 页 共 60 页 3 硬件设计 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： (1) 工业上 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， 否则因为程序空间不够使不得不进行空间扩展。 (4) RAM 空间 ，大部分 51 系列单片机的 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。 核心控制模块 单片机的选型 单片机实际上就是把 CPU、 RAM、 ROM、定时器 /计数器、 I/O 接口电路等微型机八路智能抢答器的设计 第 10 页 共 60 页 的主要部件集成在一块芯片上，因此称之为单片机 Mircocontroller。 由于它具有体积小 ，性价比高，耗电少，可靠性高，有易于掌握和使用，所以现在微型机不仅占领了原来实用小型机的各个领域，而且 广泛应用于过程控制等 场合，此外还 可应用于过去计算机无法深入的方面，如测量仪器、教学装置、医疗设备、家用电器等。 经过多年的发展， 8 位单片机已有 60 多个系列，近 600 多个种类，市场上可见到的如美国 Fairchild 公司的 F8 系列， Intel 公司的 MCS4 MCS5 MCS196 系列产品，Motorola 公司的 680 6805 系列产品， Zilog 公司的 Z Supper8 系列产品， Rockwell公司的 650 6502 系列产品， Philips 公司的 80C51 系列产品 ,Microchip 公司的 PIC 系列和 Ateml 公司 的 AT89 系列等， Intel 公司的单片机在市场上占主流地位，其中 MCS51系列产品又占主导地位。 我国应用引进的单片机主流产品是 MCS5 MCS96 系列。 MCS51 单片机是美国 INTE 公司于 1980 年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、 8051（芯片采用 HMOS，功耗是630mW，是 89C51 的 5 倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和 8751 等通用产品，一直到现在， MCS51 内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的 89S589C51 等），各高校及专业学校的培训教材仍与 MCS51 单片机作为代表进行理论基础学习。 有些文献甚至也将 8051 泛指 MCS51 系列单片机， 8051 是早期的最典型的代表作， MCS51 内核实际上已经成为一个 8 位单片机的标准。 其他的公司的 51 单片机产品都是和 MCS51 内核兼容的产品而以。 同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如 ATMEL 的 89C5 89S51， PHILIPS（菲利浦），和 WINBOND（华邦）等，我们常说 的 89C51 指的是 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机 ， 同时是在 原基础上增强了许多特性 ， 如时钟 ， 更优秀的是由 Flash（程序存储器的内容至少可以改写 1000 次）存储器取带了原来的 ROM（一次性写入），AT89C51 的性能相对于 8051 已经算是非常优越的了。 总体来说单片机的种类很多，在实际设计和工作中选择好单片机非常重 要，选择怎么样的单片机对产品的整体结果影响很大，选择时一般考虑以 下问题。 了解被开发产品的需求和任务： 搞清楚被开发产品的使用环境、供电方式、功能要求、成本要求和开发周期等需求非常重要。 第一时间有了产品的需求和任务，才能选择更合适的单片机。 根据任务选机型 ： 若所设计的产品是在恶劣环境下使用，则要选择工业级或军级产品，可考虑 STC 第 11 页 共 60 页 公司、 Philips 公司和 WinBond 公司的系列单片机；若在常规环境下使用，可选择民品，民品产品多，选择范围大；若是干电池供电，需要低功耗应用场合，可考虑 TI 公司的MSP430 系列、 Microchip 公司的 PIC 系列、 STC 公司的 L 系列单片机；若要去控制速度快并有 A∕D转换、存储器等需求，可考虑 ST 公司的 uPSD3200 系列、 Silicon Labs 公司的 C8051F 系列单片机等产品；若功能单一、成本要低，可考虑 STC 公司、 PIC 公司、WinBond 公司、 ATMEL 公司的单片机产品。 选择不同的单片机，其片内程序存储容量、数据存储器、 E2PROM 的大小都有差异。 综合性能的考虑： 对于产品的设计，在选择单片机时，要充分利用片内存储空间，万一不够，可以通过扩。