毕业设计基于单片机的八路智能抢答器系统设计.doc
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1、摘 要随着科学技术的发展和普及,各种各样的竞赛越来越多,其中抢答器的作用也越来越重要。本文设计出以AT89S51单片机为核心的八路抢答器,采用了数字显示器直接指示,自动锁存显示结果,并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号,经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号,最后通过LED数码管显示相应的路数,即使两组的抢答时间相差几微秒,也可分辨出是哪组优先按下的按键,充分利用了单片机系统结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。本设计是以抢答为出发点。考虑到依需设定限时回答的功能,利用89S51单片机及外围接口实现的抢答系统,利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理,
2、将软、硬件有机地结合起来,使得系统能够正确地进行计时,同时使数码管能够正确地显示时间。用开关做键盘输出,扬声器发生提示。同时系统能够实现:在抢答中,只有开始后抢答才有效,如果在开始抢答前抢答为无效;满时后系统计时自动复位及主控强制复位;按键锁定,在有效状态下,按键无效非法【关键词】抢答器 单片机 LED数码显示管 定时器/计数器 扬声器。 目 录摘要2绪论5一、抢答器的概述61.1 系统设计的功能61.1.2 扩展功能61.2 抢答器需求分析61.3 抢答器的硬件设计71.4 抢答器的工作过程7二、单片机的功能简介82.1 89系列单片机的概述7 2.2 AT89S51的功能8 2.2.1 A
3、T89S51单片机的内部结构8三、硬件电路的设计103.1 总电路原理10 3.2 时钟频率电路的设计113.3 复位电路的设计123.3.1 复位电路的可靠性设计123.3.2 人工复位133.4 显示电路的设计143.5 控制电路的实现163.6 发声173.7 系统复位17四、软件设计194.1 软件任务分析194.2 显示子程序的设计204.3 定时器T0、T1中断服务程序的设计204.4 抢答器处理程序的设计214.5 主程序及分析23五、设计总结31参考文献32致谢33绪论数字技术是当前发展最快的学科之一,数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成
4、电路(MSI、LSI)及超大规模集成电(VLSI)。相应地,数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展,由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支,即硬件逻辑设计(中、小规模集成器件)、软件逻辑设计(软件组装的LSI和VSI,如微处理器、单片机等)及兼有二者优点的专用集成电路(ASIC)设计。 目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机,自动控制,电子测量仪表,电视,雷达,通信等各个领域。例如在现代测量技术中,数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高,功能高,而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展,尤其是中,大规模和超大规模集成电路的发展,数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各
5、个部门,并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展,要求我们要理论联系实际,数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。通过这种综合性训练,我们要达到以下的目的和要求:1.结合课程中所学的理论知识,独立设计方案。达到学有所用的目的.2.学会查阅相关手册与资料,通过查阅手册和文献资料,进一步熟悉常用电子器件类型和特性,并掌握合理选用的原则,培养独立分析与解决问题的能力,对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的,选手进行抢答,抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上,体现了公平公
6、正的原则。第一章 抢答器的概述1.1 系统设计的功能1.1.1 基本功能:(1) 同时供8名选手比赛,分别用8个按钮S0 S7表示。(2)设置一个系统清除和抢答控制开关S,该开关由主持人控制。(3)抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮,锁存相应的编号,扬声器发出声响提示,并在七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存,优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。1.1.2 扩展功能:(1)抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人设定(如30秒)。当主持人启动开始键后,定时器进行减计时。(2)参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器上显示选手的编号和
7、抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。在这段 (3)如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统报警并禁止抢答,定时显示器上显示00。1.2 抢答器的需求分析1、在抢答中,只有开始后抢答才有效,如果在开始抢答前抢答为无效。2、抢答限定时间和回答问题的时间可是在199s设定。3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答,正确按键后有音乐提示。4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示,时间完后系统自动复位。5、按键锁定,在有效状态下,按键无效非法。第二章 单片机的功能简介2.1 89系列单片机的概况MCS-51 单片机是美国INTE 公司于1980 年推出的产品,典型产品有 80 31、8051和8
8、751 等通用产品,一直到现在, MCS-5 1 内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51 单片机作为代表进行理论基础学习。我们常说的已经停产的89C51 指的是ATMEL公司的 AT 89C51 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。89C51 的缺陷在于不支持ISP(在线更新程序)功能,必须加上ISP 功能等新功能才能更好延续MCS-51 的传奇。89S51就是在这样的背
9、景下取代89C51 的,现在,89S51 目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿,作为市场占有率第一的Atmel 目前公司已经停产AT89C51,将用AT89S51 代替。89S51 在工艺上进行了改进,89S51 采用 0.35 新工艺,成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX 可以像下兼容89CXX 等51 系列芯片。市场上见到的89C51 实际都是Atmel 前期生产的巨量库存而以。如果市场需要,Atmel当然也可以再恢复生产AT89C51。 AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。
10、片内的Flash可允许在线重新编程,也可使用非易失性存储器编程。他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上,形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。2.2 AT89S51单片机的内部结构AT89S51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、P1、P2、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
11、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。外部定时元件复位中断电源系统时钟ROMCPU定时/计数器串行I/O口并行I/O口RAM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和一些专用寄存器,还增加了位处理逻辑电路的功能3。其内部结构如图2-3所示。 第三章 硬件电路的设计3.1 设计原理本系统采用AT89S52单
12、片机作为核心,控制系统的四个模块分别为:单片机最小系统、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块。抢答器原理框图如图3.1所示。 图 3.1 抢答器原理框图总体设计之后,然后进行单元电路设计。单元电路设计分为电源电路设计、时钟和复位电路、键盘电路、显示报警电路等。3.1 总电路原理为使硬件电路设计尽可能合理,应注意以下几方面:(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,
13、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,AT89S51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R
14、AM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。P2.4为开始抢答9,P2.5为加分,P2.6为减分,P1.0-P1.7为六八抢答输入,数码管段选P0口,位选P2口低3位,蜂鸣器输出为P2.7口。3.2 时钟频率电路的设计时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率
15、是因型号而异的。晶振的选择:6MHz的晶振,其机器周期是2us。12MHz的晶振,其机器周期是1us, 也就是说在执行同一条指令时用6MHz的晶振所用的时间是12MHz晶振的两倍。为了提高整个系统的性能我选择了12MHz的晶振。振荡方式的选择:内部振荡方式,MCS-51内部都有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端,外接定时反馈元件以后就组成振荡器,产生时钟送至单片机内部的各个部件。这样就构成了内部振荡方式外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。在我的这个设计中没有也无需与外部时钟信号一致,所以我选择了内部振荡方式,
16、由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振我选择了12MHz,相对于6MHz的晶振,整个系统的运行速度更快了。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用,电容值我选择了30pF。内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。 图3-2时钟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。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
17、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30PF。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。如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12s。3.3 复位电路的设计3.3.1 复位电路的可靠性设计计算机在启动运行是都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。MCS-51的复位输入引脚RST为MCS-51提供了初始化的手段,可以使程序从指定处开始执行,
18、在MCS-51的时钟电路工作后,只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时,即可产生复位的操作。只要 RST保持高电平,则MCS-51循环复位。只有当RST由高电平变低电平以后,MCS-51才从0000H地址开始执行程序。本系统采用按键复位方式的复位电路。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平。使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51保持复位状态。此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后,退出复位,CPU从初始状态开始工作。复位以后内部寄存器的初始
19、状态为(SP=07,P0、P1、P2、P3为0FFH外,其它寄存器都为0。在RST复位端接一个电容至VccHE 一个电阻至Vss,就能实现上电自动复位,对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可。如图,在加电瞬间,电容通过电阻充电,就在RST端出现一定时间的高电平,只要高电平时间足够长,就可以使MCS-51有效地复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振时间,Vcc上升时间若为10ms,振荡器起振时间和频率有关。10MHz时间约为1ms,1MHz时约为10ms,所以一般为了可靠地复位,RST在上电时应保持20ms以上的高电平。图2.5中,RC时间常数越大,上电时
20、RST端保持高电平的时间越长。当振荡频率为12MHZ时,典型值为C=10uF,R=8.2k. 图3-3上电复位电路3.3.2人工复位除上电自动复位以外,常常需要人工复位,将一个按钮开关并联于上电自动复位电路,按一下开关就RST端出现一段时间的高电平,即使器件复位。如图所示图3-4上电和开关复位而我们在这次的毕业设计中运用的人工复位电路. 其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的,按键手动电平复位电路如图。当时钟频率选用12MHz时,C选取10uF,R选择1000欧。3.4 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
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- 毕业设计 基于 单片机 八路 智能 抢答 系统 设计
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