51單片機(jī)搶答器

1、聲光顯示智力競(jìng)賽多路搶答器摘 要聲光顯示智力競(jìng)賽多路搶答器基于單片機(jī)系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)常規(guī)電子線路的控制系統(tǒng)，有了智能化的長(zhǎng)足發(fā)展。電子智能搶答器在搶答過(guò)程中系統(tǒng)正確判斷正常搶答，分辨出優(yōu)先搶答人。系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為核心模塊，配以鍵盤、顯示模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、搶答開(kāi)關(guān)模塊、音樂(lè)音頻輸出等模塊。關(guān)鍵詞：搶答器；單片機(jī)；鍵盤；顯示；搶答1.引言電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和領(lǐng)域，它起到了越來(lái)越重要的作用。單片微型計(jì)算機(jī)就是將中央處理單元、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種接口都集成到一

2、塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計(jì)算機(jī)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多公開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)合要求有公正的競(jìng)爭(zhēng)裁決，諸如證券、股票交易及各種智力競(jìng)賽等,因此出現(xiàn)了搶答器。搶答器一般是由很多電路組成的，線路復(fù)雜，可靠性不高，功能也比較簡(jiǎn)單，特別是當(dāng)搶答路數(shù)很多時(shí)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就更為困難。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的新型智能的搶答器，在保留了原始搶答器的基本功能的同時(shí)又增加一系列的實(shí)用功能。并簡(jiǎn)化其電路結(jié)構(gòu)。2.方案論證搶答器的設(shè)計(jì)方案種類很多，要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)搶答器同時(shí)供6名選手或6個(gè)代表隊(duì)比賽，分別

3、用6個(gè)按鈕S0 S5表示。(2)設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開(kāi)關(guān)S，該開(kāi)關(guān)由主持人控制。(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲響提示。選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。(4)搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)主持人啟動(dòng)開(kāi)始鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間0.5秒左右。(5)參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。如果定時(shí)時(shí)間已到，無(wú)人搶答，本

4、次搶答無(wú)效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00?？梢杂脝纹瑱C(jī)來(lái)完成，也可以用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩種方案都與我們所學(xué)內(nèi)容聯(lián)系緊密，能將我們所學(xué)知識(shí)用于實(shí)際，對(duì)鞏固所學(xué)知識(shí)有重要意義，對(duì)我們掌握集成芯片邏輯功能的應(yīng)用有很大幫助。下面將分析搶答器的兩種方案并選擇其中合適的一種2.1方案一：基于邏輯數(shù)字電路搶答器的設(shè)計(jì)定時(shí)搶答器的總體框圖如下圖21所示，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開(kāi)始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，能顯示選手的編號(hào)，同時(shí)能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答的功能。選手搶答按鍵主持人控制秒脈沖產(chǎn)生優(yōu)先編碼時(shí)序控制定時(shí)電路譯碼顯示鎖存

5、功能譯碼顯示報(bào)警電路圖21上圖所示的定時(shí)搶答器的工作過(guò)程是：接通電源時(shí)，節(jié)目主持人將開(kāi)關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)顯示器顯示設(shè)定的時(shí)間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布“搶答開(kāi)始”，同時(shí)將控制開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)始”位置，揚(yáng)聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)，顯示編號(hào)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，控制電路要對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，控制電路要使定時(shí)器停止工作，時(shí)間顯示器上顯示剩余的搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問(wèn)題回答完畢，主持人操作控制開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)回

6、復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。系統(tǒng)各部分采用中小規(guī)模集成數(shù)字電路，用機(jī)械開(kāi)關(guān)按鈕作為控制開(kāi)關(guān)，完成搶答輸入信號(hào)的觸發(fā)。該方案的特點(diǎn)是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，性能可靠，能方便的完成選手搶答的基本功能，但是由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路連接集成電路相對(duì)較多，而且過(guò)于復(fù)雜，并且制作過(guò)程工序比較煩瑣，使用不太方便。2.2方案二：采用單片機(jī)作為核心搶答器的工作原理是采用單片機(jī)最小系統(tǒng)，用查詢式鍵盤進(jìn)行搶答。通過(guò)搶答按鍵模塊，連接按鍵進(jìn)行搶答。此電路完成的功能如下圖所示，當(dāng)主持人宣布搶答開(kāi)始的時(shí)候，按下開(kāi)始按鈕，此時(shí)電路進(jìn)入搶答狀態(tài)，選手的輸入采用了掃描式的輸入，之后把相應(yīng)的信息送往單片機(jī)，

7、再由單片機(jī)輸出到顯示輸出電路中。此時(shí)有人第一按下相應(yīng)的搶答按鈕，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的控制選擇，在八段顯示器上顯示相應(yīng)的號(hào)碼，并鎖存，同時(shí)禁止其他按鈕的輸入。系統(tǒng)是采用模塊化設(shè)計(jì)的智能搶答器，主控與參賽者設(shè)為終端分系統(tǒng)。主控分系統(tǒng)有：開(kāi)始與結(jié)束控制按鈕、時(shí)限設(shè)定、各種相關(guān)顯示調(diào)控功能等（根據(jù)需要也可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能）。參賽者分系統(tǒng)設(shè)有：搶答按紐、計(jì)時(shí)顯示、提示功能等（根據(jù)需要可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能） 主 控 制 器LED顯示聲生器鍵盤顯示時(shí)鐘頻率復(fù)位電路系統(tǒng)主要功能模塊控制器主要用于各模塊控制對(duì)顯示、搶答、音樂(lè)、計(jì)分等。控制器的選擇有以下兩鐘方案。1.采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。F

8、PGA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。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA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。2. 采用ATMEL公司的AT89C51作為系統(tǒng)控制器的CPU方案。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

9、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。，以下（圖32）各種類型的單片機(jī)內(nèi)除CPU外，還包括ROM、RAM、4*8 I/O口和2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它們都是功能很強(qiáng)的單片微型計(jì)算機(jī)。但由于80C51片內(nèi)為掩膜ROM，故內(nèi)部程序不能改寫(xiě)，不用于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。87C51具有片內(nèi)EPROM，是真正的單片微機(jī)，但由于價(jià)格較貴，且程序改寫(xiě)時(shí)要用紫外線擦除，時(shí)間較長(zhǎng)，所以用得較少。80C31在市場(chǎng)上的價(jià)格很低，但片內(nèi)沒(méi)有ROM，必須在片外擴(kuò)展一片EPROM，非常不便。AT89C51片內(nèi)具有可電擦除的FPEROM，可以快速、多次地編程，且價(jià)格不高，所以用得非常廣泛，目前開(kāi)發(fā)用的MCS5

10、1產(chǎn)品絕大多數(shù)用89C51型號(hào)ROM形式片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM尋址范圍定時(shí)計(jì)數(shù)I/O口串行I/O口外部中斷80C31接ROM4K1282*64 K2*164UART280C51ROM4K1282*64 K2*164UART287C51EPROM4K1282*64 K2*164UART289C51FPEROM4K1282*64 K2*164UART2圖32基于以上分析擬訂方案2。下圖為采用51單片機(jī)設(shè)計(jì)搶答器的主體電路：系統(tǒng)采用AT89C51系列單片機(jī)作為控制核心，可以完成運(yùn)算控制、信號(hào)識(shí)別以及顯示功能的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開(kāi)設(shè)計(jì)

11、。硬件設(shè)計(jì)部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。軟件設(shè)計(jì)部分，首先在總體設(shè)計(jì)中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計(jì)，擬定詳細(xì)的工作計(jì)劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語(yǔ)言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)等；最后是對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，達(dá)到所需功能要求。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，它完成了時(shí)間參數(shù)的設(shè)定，搶按號(hào)碼的譯碼，保存、顯示、輸出，搶按及答題倒計(jì)時(shí)功能等。而且單片機(jī)性能穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)。可以只用P0口連接上拉電阻，完成驅(qū)動(dòng)LED的功能，串接按鍵可以由選手自己控制搶答機(jī)會(huì)，利用P3口的RXD接74LS164的A，B端，TXD接移位脈沖

12、做時(shí)鐘信號(hào)。利用單片機(jī)程序判斷選手按鍵是否有效，但選手違規(guī)搶答，利用簡(jiǎn)單程序顯示選手序號(hào)，啟動(dòng)蜂鳴器并不間斷，告訴主持人有人違規(guī)操作，搶答無(wú)效。給出相應(yīng)的延時(shí)，選手按正常的操作搶答，軟件倒記時(shí)，利用74LS164移位寄存8段數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)倒記時(shí)顯示時(shí)間，到5秒相應(yīng)時(shí)間提醒選手時(shí)間快到了，要及時(shí)作答，并啟動(dòng)蜂鳴器。如果有選手在規(guī)定的時(shí)間以前完成問(wèn)題，主持人通過(guò)按鍵P2.4復(fù)位，開(kāi)始新的問(wèn)題作答，因?yàn)槌绦虿皇呛艽蟛恍枰獢U(kuò)展存儲(chǔ)空間，選手按鍵跳入相應(yīng)的子程序，回答倒記時(shí)，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功能可以更人性化，只需單電源供電更方便，容易實(shí)現(xiàn)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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

13、用較少。外圍擴(kuò)展的電路不是很多。單片機(jī)是電子專業(yè)發(fā)展的方向，更好的使用單片機(jī)可以是我們的產(chǎn)品小型化，使用更方便，性能更穩(wěn)定，功能更齊全，所以我們選用單片機(jī)加一定的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)本次課程設(shè)計(jì)的要求。3.各模塊方案選擇和論證3.1電源方案的選擇系統(tǒng)需要多個(gè)電源，AT89C51使用5V穩(wěn)壓電源，驅(qū)動(dòng)芯片需要5-50V電壓驅(qū)動(dòng)。3.1.1方案一：由MAX構(gòu)成的5V穩(wěn)壓電源。如圖33圖31由MAX構(gòu)成的5V穩(wěn)壓電源圖3.1.2方案二：采用三端穩(wěn)壓集成7805得到5V穩(wěn)定電壓。如圖34電路為輸出電壓+5V，輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它是由電源變壓器T,橋式整流電路D1D4，濾波電容C1,C3防止自激電容C

14、2，C4和一只固定式三端穩(wěn)壓器7805組成。220V交流市電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過(guò)LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波，便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高，穩(wěn)定性好的直流輸出電壓。綜上所述，選擇方案二，采用三端穩(wěn)壓器電路。圖32由LM7805構(gòu)成的5V穩(wěn)壓電源圖3.2搶答器顯示模塊我們考慮有以下兩種顯示方案。3.2.1方案一：使用液晶屏顯示時(shí)間。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積

15、大，畫(huà)面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。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，且由于液晶是以點(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。在使用時(shí)，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶顯示芯片，不易維護(hù)。3.2.2方案二：在使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度高，稱量快，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。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。靜態(tài)顯示，電路圖中所示。顯示器由9個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管組成。輸入只有兩

16、個(gè)信號(hào)，它們是串行數(shù)據(jù)線DIN和移位信號(hào)CLK。根據(jù)以上的論述，采用方案二。3.3槍答器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。鍵盤按結(jié)構(gòu)形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產(chǎn)生鍵碼，而后者則用硬件方法來(lái)產(chǎn)生鍵碼。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。3.3.1方案一：獨(dú)立式鍵盤，鍵盤接口中使用多少根I/O線，鍵盤中就有幾個(gè)按鍵，鍵盤接口使用了8根I/O口線，該鍵盤就有8個(gè)按鍵，這種類型的鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤中各按鍵的工作互不干擾。因此可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)鍵盤中的按鍵靈活

17、的編碼。如圖35。圖33最簡(jiǎn)單的編碼方式就是根據(jù)I/O輸入口所直接反映的相應(yīng)按鍵，按下的狀態(tài)進(jìn)行編碼，稱按鍵直接狀態(tài)碼，對(duì)于這樣編碼的獨(dú)立式鍵盤，CPU可以通過(guò)直接讀取I/O口的狀態(tài)來(lái)獲取按鍵的直接狀態(tài)編碼值，根據(jù)這個(gè)值直接進(jìn)行按鍵識(shí)別，這樣形式的鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，按鍵識(shí)別容易。獨(dú)立式鍵盤的缺點(diǎn)是需要占用比較多的I/O口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或I/O口線比較富余時(shí)，可以采用這樣類型的鍵盤。3.3.2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，在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)按鍵中按鍵的個(gè)數(shù)是M*N個(gè)。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的

18、提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O的利用率，列線接P1.0P1.3行線接P1.4P1.7，行列適用于按鍵輸入多的情況。圖34CPU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，但CPU在執(zhí)行應(yīng)用程序的過(guò)程中，不能響應(yīng)鍵盤輸入，對(duì)鍵盤的掃描可以采用定時(shí)方式，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)。在大多數(shù)情況下，CPU對(duì)鍵盤可能進(jìn)行空掃描。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，既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)

19、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。根據(jù)以上的論述，采用方案一，在本系統(tǒng)中采用了獨(dú)立式鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤中各個(gè)按鍵的工作互不干擾。3.4計(jì)分器顯示模塊顯示模塊必須要顯示三位數(shù)為一組,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為八組,共要顯示27位數(shù)。采用靜態(tài)顯示，其方案如下：3.4.1方案一：不帶鎖存方式。顯示器由9個(gè)共陰極數(shù)碼管組成。輸入只有兩個(gè)信號(hào)，它們是串行數(shù)據(jù)線DIN和移位信號(hào)CLK。9個(gè)串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相連，74LS164為8位串入并出移位寄存器，1、2為串行輸入端，Q0-Q7為并行輸出端，CLK為移位時(shí)鐘脈沖上升沿移入一位；MR為清零端，低電平時(shí)并行輸出為

20、零。實(shí)驗(yàn)證明在顯示位數(shù)超出6位，數(shù)碼管有閃爍的現(xiàn)象。3.4.2方案二：帶鎖存方式。采用帶有鎖存功能的移位寄存器74LS595芯片，74595的數(shù)據(jù)端：QA-QH: 八位并行輸出端，可以直接控制數(shù)碼管的8個(gè)段。QH: 級(jí)聯(lián)輸出端。我將它接下一個(gè)595的SI端。SI: 串行數(shù)據(jù)輸入端。74595的控制端說(shuō)明：SRCLR(10腳): 低點(diǎn)平時(shí)將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零。通常接Vcc。SRCK(11腳)：上升沿時(shí)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。QA-QB-QC-.-QH；下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。（脈沖寬度：5V時(shí)，大于幾十納秒就行了。我通常都選微秒級(jí)）RCK(12腳)：上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，

21、下降沿時(shí)存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)不變。(通常我將RCK置為低電平，) 當(dāng)移位結(jié)束后，在RCK端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖（5V時(shí)，大于幾十納秒就行了。我通常都選微秒級(jí)），更新顯示數(shù)據(jù)。13腳: 高電平時(shí)禁止輸出（高阻態(tài)）。如果單片機(jī)的引腳不緊張，用一個(gè)引腳控制它，可以方便地產(chǎn)生閃爍和熄滅效果。比通過(guò)數(shù)據(jù)端移位控制要省時(shí)省力。74164和74595功能相仿，都是8位串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出移位寄存器。74164的驅(qū)動(dòng)電流(25mA)比74595(35mA)的要小,14腳封裝，體積也小一些。74595的主要優(yōu)點(diǎn)是具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，在移位的過(guò)程中，輸出端的數(shù)據(jù)可以保持不變。這在串行速度慢的場(chǎng)合很有用處，數(shù)碼管沒(méi)有閃爍感。與1

22、64只有數(shù)據(jù)清零端相比，595還多有輸出端時(shí)能/禁止控制端，可以使輸出為高阻態(tài)。根據(jù)以上論證，采用方案二。3.5計(jì)分器鍵盤的選擇3.5.1方案一：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，在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)按鍵中按鍵的個(gè)數(shù)是M*N個(gè)。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O的利用率，列線接P1.0P1.3行線接P1.4P1.7，行列適用于按鍵輸入多的情況。3.5.2方案二：獨(dú)立式鍵盤，矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端，在進(jìn)行鍵盤掃描時(shí)，首先把矩陣鍵盤列線的第一根線置高，然后分別再檢測(cè)矩陣鍵盤行線是否有高電平的信號(hào)

23、，如果有信號(hào)，那么就證明這根行線與第一根列線相交處的按鍵被按下了，單片機(jī)就讀入這個(gè)鍵值。如果所有的四根行線都沒(méi)有信號(hào)，那么就把第一根列線置低，把第二根列線置高，再一次檢測(cè)行線有沒(méi)有信號(hào)，然后依次類推。由于鍵盤掃描的速度很快，而人按鍵總會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間，因此只要單片機(jī)處在等待輸入的狀態(tài)，這個(gè)鍵盤掃描程序基本上不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何一個(gè)按鍵信號(hào)。由于一般人按鍵會(huì)有抖動(dòng)，抖動(dòng)信號(hào)造成鍵盤掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤的信號(hào)，要不就是掃描不進(jìn)數(shù)據(jù)，要不就是重復(fù)輸入很多次數(shù)據(jù)，因此需要有一個(gè)消除抖動(dòng)的程序。讓單片機(jī)不響應(yīng)一些相關(guān)的抖動(dòng)信號(hào)，而只響應(yīng)一次確實(shí)存在的按鍵信號(hào)。消抖動(dòng)程序是這樣實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，并不

24、立即認(rèn)為是一次按鍵，而是延時(shí)一段時(shí)間以后再進(jìn)行檢測(cè)，如果三次檢測(cè)都有信號(hào)，那么就認(rèn)為有一次按鍵動(dòng)作發(fā)生了。延時(shí)的選擇非常重要，太快了，起不到消除抖動(dòng)的效果，太慢了又讓鍵盤太不靈活，錯(cuò)過(guò)較多的按鍵信號(hào)。鍵盤接口中使用多少根I/O線，鍵盤中就有幾個(gè)按鍵，鍵盤接口使用了16根I/O口線，需要占用比較多的I/O口線這種類型的鍵盤，根據(jù)以上論證，采用方案一。 3.6時(shí)鐘頻率電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能工作.在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路,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。一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振,在

25、XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào),其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個(gè)電容 C1,C2的作用有兩個(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)。C1,C2的典型值為30PF。單片機(jī)在工作時(shí),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(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù),常用fosc表示。如時(shí)鐘頻率為12MHz,即fosc=12MHz,則時(shí)鐘周期為1/12s。如圖37圖373.7復(fù)位電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)的第9腳RST為硬件復(fù)位端,只要將該端持續(xù)4個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)值得注意的是,在設(shè)計(jì)當(dāng)中使

26、用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能,由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值,而前面的功能介紹中提到了倒計(jì)時(shí)時(shí)間的記憶功能,該功能的實(shí)現(xiàn)的前提條件就是不能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位,所以設(shè)定了軟復(fù)位功能。軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后,將程序指針通過(guò)一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。如圖3.8鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)鍵盤是人與微機(jī)系統(tǒng)打交道的主要設(shè)備。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計(jì)方法也可以在文獻(xiàn)和書(shū)籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書(shū)籍中一般也提供了相應(yīng)的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的立場(chǎng)上來(lái)看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當(dāng)前時(shí)刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問(wèn)題需要妥善解

27、決，否則，人們?cè)诓僮麈I盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點(diǎn)，其中獨(dú)立鍵盤硬件電路簡(jiǎn)單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對(duì)硬件電路要求不高的簡(jiǎn)單電路中；矩陣鍵盤與獨(dú)立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨(dú)立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢(shì)得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過(guò)程中產(chǎn)生的“毛刺” 現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時(shí)重復(fù)掃描法，延時(shí)法的原理為：因?yàn)椤懊獭泵}沖一般持續(xù)時(shí)間短，約為幾ms，而我們按鍵的時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間,所以當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有按鍵動(dòng)靜后再延時(shí)一

28、段時(shí)間(這里我們?nèi)?0ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無(wú)效。模塊的最終方案主控制器模塊：采用AT89C51單片機(jī)控制搶答器顯示模塊：數(shù)碼管顯示電源方案的選擇：采用三端穩(wěn)壓器電路槍答器鍵盤模塊：獨(dú)立式鍵盤計(jì)分器顯示模塊：采用帶有鎖存功能的移位寄存器74LS595芯片計(jì)分器鍵盤模塊：行列式鍵盤4軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)軟件可分為后臺(tái)程序（背景程序）和前臺(tái)程序。后臺(tái)程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)?shí)時(shí)性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒(méi)關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序等與操作者打交道的程序放在后臺(tái)程序中執(zhí)行；而前臺(tái)程序安排一些實(shí)時(shí)性要求較高的內(nèi)容，

29、如定時(shí)系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺(tái)，后臺(tái)程序?yàn)椤笆瓜到y(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。4.1程序流程流程圖是使用圖形表示算法的思路，是一種極好的程序設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)的流程是由系統(tǒng)主程序流程和各子程序流程組成，下面分別以流程圖的形式列舉。4.1.1系統(tǒng)主程序流程圖顯示FFF 開(kāi)始鍵按下？加一鍵按下？減一鍵按下？回答時(shí)間 調(diào)整搶答時(shí)間去抖動(dòng)非法搶答處理顯示犯規(guī)正常搶答 顯示搶答號(hào)并倒計(jì)時(shí)Y YY 初始化4.1.2各子程序流程圖4.1.2.1計(jì)分器系統(tǒng)的軟件鍵盤掃描程序流程圖本系統(tǒng)的鍵盤采用的是44矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點(diǎn)

30、上。一個(gè)44的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)含有16個(gè)按鍵的鍵盤，顯然，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，矩陣式鍵盤較之獨(dú)立式按鍵鍵盤要節(jié)省很多I/O口。鍵盤掃描程序的流程圖如圖所示。4.1.2.2計(jì)分器系統(tǒng)的軟件流程檢測(cè)P3.7狀態(tài)初始化開(kāi)始掃描鍵盤S1S6是那一個(gè)組要加分,并組號(hào)顯示在主板上(六個(gè)數(shù)碼管)為0單組加減分為1全部統(tǒng)一加減分加分按鍵S14減分按鍵S15鍵盤錄入分值,并顯示在主板上(六個(gè)數(shù)碼管)加分按鍵S12減分按鍵S13鍵盤錄入分值,并顯示在主板上(六個(gè)數(shù)碼管)確定S16P1.7輸入一個(gè)單次脈沖,并保持高電平(鎖存數(shù)據(jù)由P3.0 P3.1串口輸出顯示分?jǐn)?shù))4.1.2.3搶答數(shù)碼顯示程序流程圖采用靜態(tài)顯

31、示，顯示器由9個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管組成。輸入只有兩個(gè)信號(hào)，它們是串行數(shù)據(jù)線DIN和移位信號(hào)CLK。9個(gè)串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相連，了九位共陽(yáng)極七段數(shù)碼管，共陽(yáng)極數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽(yáng)極接高電平（一般接電源），七它管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為低電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時(shí)，要求段驅(qū)動(dòng)電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來(lái)確定相應(yīng)的限流電阻，這里的限流電阻選為100。數(shù)碼顯示程序流程如圖數(shù)碼顯示程序流程圖4.1.2.4音樂(lè)音頻輸出程系流程圖音

32、樂(lè)音頻輸出由P3.7輸出，流程如圖開(kāi)始輸出音頻脈沖低電平延時(shí)輸出音頻脈沖高電平延時(shí) 4.2程序4.2.1主程序：P1.0為開(kāi)始搶答，P1.7為停止，p1.1-p1.6為六路搶答輸入 數(shù)碼管段選P0口，位選P2口，蜂鳴器輸出為P3.6口。4.2.2.7延時(shí)(顯示和去抖動(dòng)用到):DELAY: MOV 32H,#12HLOOP: MOV 33H,#0AFHLOOP1: DJNZ 33H,LOOP1 DJNZ 32H,LOOP RET4.2.2.8發(fā)聲程序:BARK: SETB RING ACALL DELAY1 ACALL DELAY1 CLR RING; 按鍵發(fā)聲 RET4.2.2.9TO溢出中斷

33、(響鈴程序):T0INT:MOV TH0,#0ECH MOV TL0,#0FFH JNB RING,OUT5.軟硬件系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，而且兩者是密不可分的。我們?cè)O(shè)計(jì)好的硬件電路和軟件程序，只有經(jīng)過(guò)聯(lián)合調(diào)試，才能驗(yàn)證其正確性；軟硬件的配人情況以及是否達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，也只有經(jīng)過(guò)調(diào)試，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以解決、完善，最終開(kāi)發(fā)成實(shí)用產(chǎn)品。硬件調(diào)試分單元電路調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試，單元電路試驗(yàn)在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行，這里的調(diào)試只是將其制成印刷電路板后試驗(yàn)電路是否正確，并排除一些加工工藝性錯(cuò)誤（如錯(cuò)線、開(kāi)路、短路等）。這種調(diào)試可單獨(dú)模擬進(jìn)行，也可通過(guò)開(kāi)發(fā)裝置由軟件配合進(jìn)行。硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試則

34、必須在系統(tǒng)軟件的配合下進(jìn)行。軟件調(diào)試一般包括分塊調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩個(gè)階段。程序的分塊調(diào)試一般在單片機(jī)開(kāi)發(fā)裝置上進(jìn)行，可根據(jù)所調(diào)程序功能塊的入口參量初值編制一個(gè)特殊的程序段，并連同被調(diào)程序功能塊一起在開(kāi)發(fā)裝置上運(yùn)行；也可配合對(duì)應(yīng)硬件電路單獨(dú)運(yùn)行某程序功能塊，然后檢查是否正確，如果執(zhí)行結(jié)果與預(yù)想的不一致，可以通過(guò)單步運(yùn)行或設(shè)置斷點(diǎn)的方法，查出原因并加以改正，直到運(yùn)行結(jié)果正確為止。這時(shí)該 程序功能塊已調(diào)試完畢，可去掉附加程序段。其它程序功能塊可按此法進(jìn)行調(diào)試。程序聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將已調(diào)試好的各程序功能塊按總體結(jié)構(gòu)聯(lián)成一個(gè)完整程序，在所研制的硬件電路上運(yùn)行。從而試驗(yàn)程序整體運(yùn)行的完整性、正確性和與硬件電路的

35、配合情況。在聯(lián)調(diào)中可能會(huì)有某些支路上的程序、功能塊因受條件制約而得不到相應(yīng)的輸入?yún)?shù)，這時(shí)，調(diào)試人員應(yīng)創(chuàng)造條件進(jìn)行模擬調(diào)試。在聯(lián)調(diào)中如發(fā)現(xiàn)硬件問(wèn)題也應(yīng)及時(shí)修正，直到單片機(jī)系統(tǒng)的軟件、硬件全部調(diào)試成功為止。系統(tǒng)調(diào)試完成后，還要進(jìn)行一段時(shí)間的試運(yùn)行，從而檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是否達(dá)到預(yù)期的效果。1、 Keil是德國(guó)開(kāi)發(fā)的一個(gè)51單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，最開(kāi)始只是一個(gè)支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的編譯器軟件。后來(lái)隨著開(kāi)發(fā)人員的不斷努力以及版本的不斷升級(jí)，使它已經(jīng)成為了一個(gè)重要的單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，不過(guò)KEIL的界面并不是非常復(fù)雜，操作也不是非常困難，很多工程師的開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀程序都

36、是在KEIL的平臺(tái)上編寫(xiě)出來(lái)的?？梢哉f(shuō)它是一個(gè)比較重要的軟件，熟悉他的人很多很多，用戶群極為龐大，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)偉福等廠家軟件用戶群，操作有不懂的地方只要找相關(guān)的書(shū)看看，到相關(guān)的單片機(jī)技術(shù)論壇問(wèn)問(wèn)，很快就可以掌握它的基本使用了。 2、 總調(diào)，即應(yīng)用軟件的鏈接調(diào)試，程序固化，軟、硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng) 軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)由一個(gè)硬件執(zhí)行環(huán)境和一個(gè)軟件執(zhí)行環(huán)境組成，通常軟件環(huán)境和硬件環(huán)境都有自己的除錯(cuò)和控制界面，Keil與Proteus的整合調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總調(diào)，在該系統(tǒng)中，Keil作為軟件調(diào)試界面，Proteus作為硬件仿真和調(diào)試界面，下面說(shuō)一下如何在keil中調(diào)用proteus進(jìn)行MCU外圍器件的仿真

37、。（1）、安裝keil 與 proteus。（2）、把安裝proteus MODELS目錄下 VDM51.dll文件復(fù)制到Keil安裝目錄的 C51BIN目錄中。（3）、修改keil安裝目錄下 Tools.ini文件，在C51字段加入TDRV5=BINVDM51.DLL (Proteus VSM Monitor-51 Driver),保存。（注意：不一定要用TDRV5，根據(jù)原來(lái)字段選用一個(gè)不重復(fù)的數(shù)值就可以了。引號(hào)內(nèi)的名字隨意）3、打開(kāi)proteus，畫(huà)出相應(yīng)電路，在proteus的debug菜單中選中use remote debug monitor4、在keil中編寫(xiě)C語(yǔ)言程序5、進(jìn)入KEI

38、L的project菜單option for target 工程名。在DEBUG選項(xiàng)中右欄上部的下拉菜單選中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。6、在keil中進(jìn)行debug吧，同時(shí)在proteus中查看直觀的結(jié)果（如LCD顯示）這樣就可以像使用仿真器一樣調(diào)。問(wèn)題：有時(shí)候在自己創(chuàng)建的元器件的管腳上無(wú)法實(shí)現(xiàn)連線?；卮穑簯?yīng)該是管腳的間距太小了。因?yàn)樵贗SIS中，每個(gè)元器件的管腳都要占據(jù)一塊區(qū)域（就像自己的保護(hù)區(qū)一樣，不容別人隨意侵犯），該區(qū)域會(huì)排斥外部的走線。解決問(wèn)題的方法是在走線的同時(shí)按住 “CTRL”鍵，直到走線繞過(guò)狹窄的保護(hù)區(qū)。當(dāng)然最根本的辦法是重新編輯元器件，把其管腳間距調(diào)大一些。6.附錄電原理圖 7.參考文獻(xiàn)1模擬電子技術(shù)/林春方，楊建平主編.北京：高等教育出版社，2006.52數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)/沈任元，吳勇主編.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.6380C51單片機(jī)及接口技術(shù)/杜偉略主編.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.24 康華光,鄒壽彬編.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第四版）M.北京:高等教育出版社,20055 謝自美編.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試 (第二版) M.上海:電子工業(yè)出版社,20016 何立民.MCS-5