基于单片机控制的声光显示智力竞赛抢答器毕业设计.doc
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1、声光显示智力竞赛抢答器摘要:随着电子技术的飞速发展,基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业,微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心,代替了传统的控制系统的常规电子线路。同时楼宇智能化的发展与成熟,也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。 电子智能抢答计分器在抢答过程中,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。抢答组数可以在八组以内任意使用,本系统设计为模块形式采用九针插头
2、进行连接,系统工作原理本系统采用AT89S51单片机作为核心。控制系统的五个模块分别为:单片机最小系统(六位并行数码显示、4*4矩阵式键盘)、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、音乐音频输出模块。关键词:单片机;矩阵式键盘;显示;驱动;抢答Abstract:With the rapid development of electronic technology, the control system based on SCM has been widely used in industry, agriculture, electricity, electronics, intelligent
3、buildings, industry, micro-computers embedded control system as the main and core, instead of the traditional control System of conventional electronic circuits. At the same time the development of intelligent buildings and maturity, but also based on the lighting control system MCU and popularity o
4、f application laid a solid foundation. Points for electronic smart Qiangda Qiangda in the process, in order to know which group or which one player to answer, we must design a system to complete this task. If the Qiangda, rely on the visual is very difficult to determine which group to answer. SCM s
5、ystem used to design Qiangda, bringing the above problems are resolved, even if the two groups Qiangda the difference in time a few microseconds, which can also be distinguished group of priority answer. Qiangda group of eight can within the arbitrary use of the system designed to be modular form of
6、 a nine-pin plugs to connect the system working principle of the system used AT89S51 SCM as a core. Control system of the five modules are: MCU minimum system (six parallel digital display, 4 x 4 matrix keyboard), modules, display driver module, Qiangda switch modules, music, audio output module. Ke
7、y words: SCM,modules, display driver module, Qiangda switch modules.目 录引言1第1章 单片机的应用技术 2第2章 系统设计要点 32.1 抢答器的硬件设计要求 32.2 计分器系统的软件流程 32.3 计分器的硬件设计要求 42.4 人机交互程序设计 42.4.1计分器系统的软件键盘扫描程序流程图52.5 抢答器系统软件的流程图62.6 抢答数码显示软件程序设计62.7 音乐音频输出程系流程图8第3章 各模块方案选择和论证93.1 抢答器显示模块93.2 控制器模块103.3 电源方案的选择103.4 枪答器键盘的选择103
8、.5 计分器显示模块123.6 计分器键盘的选择133.7 模块的最终方案13第4章 电子智能抢答器系统的硬件电路设计 154.1 计分器的电路设计154.1.1 计分器系统的硬件电路154.1.2 计分显示模块174.2 抢答器的电路设计174.2.1抢答电路模块174.2.2抢答按键模块的设计18第5章 单片机干扰防护205.1 采用隔离技术205.2 正确的接地措施20结束语 22参考文献 23附录1:计分器显示程序24附录2:抢答器软件程序29引 言电子技术和微型计算机的迅速发展,促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用,单片机(单片微型计算机)的应用已经渗透到国民经济的各个部
9、门和领域,它起到了越来越重要的作用。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。电子智能抢答器分别用两片单片机控制,分别为计分器和抢答器。计分器的工作原理是采用最小系统,用4x4键盘来输入是选手需要加减进行分数的加减输入。主板上的6个数码显示,加几分的数,按确定键后分数值从串口P3.0,P3.1传到计分器显示模块上再通过数码管驱动模块显示。抢答器的工作原理是采用单片机最小系统,用查询式键盘进行抢答。采用串行静态显示组号。 第1章
10、 单片机的应用技术单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置,通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上,统称中央处理单元(Central Processing Unit),简称CPU,是微机的核心部件。CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出(Input/Output,简称I/O)接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称,人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换,使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单
11、片微型计算机系统,两者相辅相成,缺一不可。第2章 系统设计要点系统设计主要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,拟定详细的工作计划;然后进行具体设计,包括各模块的流程图,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。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法,该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最
12、重要的选择用于控制的单片机,并确定与之配套的外围芯片,使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计,画出详细电路图,标出芯片的型号、器件参数值,根据电路图在仿真机上进行调试,发现设计不当及时修改,最终达到设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系,本系统由于是采用51系列单片机,因此使用Keil C语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。本系统软件设计采用模块化系统设计方法,先编写各个功能模块子程序,然后进行组合与调整,经过调试后,达到设计功能要求。2.1 抢答器的硬件设计要求抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛,分别用8个
13、按钮S1S8表示。设置一个系统清除和抢答控制按扭,该按扭由主持人控制。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,并在LED数码管上显示,同时扬声器发出报警声响提示。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。22 计分器系统的软件流程图1检测P3.7状态初始化开始扫描键盘S1S8是那一个组要加分,并组号显示在主板上(六个数码管)为0单组加减分为1全部统一加减分加分按键S14减分按键S15键盘录入分值,并显示在主板上(六个数码管)加分按键S12减分按键S13键盘录入分值,并显示在主板上(六个数码管)确定S16P1.7输入一个单次脉冲,并保持高电平(锁存
14、数据由P3.0 P3.1串口输出显示分数)2.3 计分器的硬件设计要求加减计分有三位显示,用串行通信口,显示分数,用4*4阵列式键盘进行同时加减和单组加分。2.4 人机交互程序设计系统的人机交互程序设计,主要是解决按键的扫描与信息的显示,让操作者能够灵活地控制系统工作。键盘用来输入指令,发光数码管用来显示单片机的状态,这是一个比较简单的人机交互形式。2.4.1计分器系统的软件键盘扫描程序流程图本系统的键盘采用的是44矩阵式键盘,矩阵式键盘由行线和列线组成,按键位于行、列线的交叉点上。一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘,显然,在按键数量较多时,矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省
15、很多I/O口。矩阵式键盘中,行、列线分别连接到按键开关的两端,在进行键盘扫描时,首先把矩阵键盘列线的第一根线置高,然后分别再检测矩阵键盘行线是否有高电平的信号,如果有信号,那么就证明这根行线与第一根列线相交处的按键被按下了,单片机就读入这个键值。如果所有的四根行线都没有信号,那么就把第一根列线置低,把第二根列线置高,再一次检测行线有没有信号,然后依次类推。由于键盘扫描的速度很快,而人按键总会持续一定的时间,因此只要单片机处在等待输入的状态,这个键盘扫描程序基本上不会错过任何一个按键信号。由于一般人按键会有抖动,抖动信号造成键盘扫描时会出现一些错误的信号,要不就是扫描不进数据,要不就是重复输入很
16、多次数据,因此需要有一个消除抖动的程序。让单片机不响应一些相关的抖动信号,而只响应一次确实存在的按键信号。消抖动程序是这样实现的,当检测到一个脉冲信号时,并不立即认为是一次按键,而是延时一段时间以后再进行检测,如果三次检测都有信号,那么就认为有一次按键动作发生了。延时的选择非常重要,太快了,起不到消除抖动的效果,太慢了又让键盘太不灵活,错过较多的按键信号。键盘扫描程序的流程图如图2所示。 键盘扫描程序流程图22.5 抢答器系统软件的流程图抢答组数可以在八组以内任意使用,其流程如图32.6 抢答数码显示软件程序设计采用静态显示,显示器由9个共阳极数码管组成。输入只有两个信号,它们是串行数据线DI
17、N和移位信号CLK。9个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连,了九位共阳极七段数码管,共阳极数码管的8个发关二极管的阳极(二极管正端)连接在一起,通常,公共阳极接高电平(一般接电源),七它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字开始初始化显示组号 开音乐第一组第二组第三组第八组组否是是否否是是图3收额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻,这里的限流电阻选为100。数码显示程序流程如图4。数码显示程序流程图42.7 音乐音频输出程系流程图音乐音频输出由P3.7输出,如图5 第3章 各模块方案选择和论证
18、3.1 抢答器显示模块在步进电机控制过程中,系统需要对运行的时间和转向、相数做必要的显示。我们考虑有以下两种显示方案。方案一:使用液晶屏显示时间。液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险,平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字,信息量比较少,且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号,需要利用控制芯片创建字符库,编程工作量大,控制器的资源占用较多,其成本也偏高。在使用时,不能有静电干扰,否则易烧坏液晶显示芯片,不易维护。方案二:在使用传统的数码管显示。数码管具有:低能耗、低损耗、低压、寿命长
19、、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度高,称量快,精确可靠,操作简单。数码显示是采用BCD编码显示数字,程序编译容易,资源占用较少。图6静态显示,电路图中所示。显示器由9个共阳极数码管组成。输入只有两个信号,它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。9个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连,每片的并行输出作为LED数码管的段码74LS164的引脚图如图6所示:74LS164为8位串入并出移位寄存器,1、2为串行输入端,Q0-Q7为并行输出端,CLK为移位时钟脉冲上升沿移入一位;MR为清零端,低电平时并行输出为零。根据以上的论述,采用方案二。3.2
20、控制器模块控制器主要用于各模块控制对显示、抢答、音乐、计分等。控制器的选择有以下两钟方案。方案一:采用FPGA(现场可编程门列阵)作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性,并且可以应用EDA软件仿真、调试,易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并且由于其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二:采用
21、ATMEL公司的AT89C51作为系统控制器的CPU方案。单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。基于以上分析拟订方案二。3.3 电源方案的选择系统需要多个电源,AT89C51使用5V稳压电源,驱动芯片需要5-50V电压驱动,步进电机等需要12V稳压电源。方案一:采用升压型稳压电路。用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流崭波调压,得到5V和12V的稳压输出。只需使用两节电池,既节省了电池,又减小系统体积重量但该电路供电电流小,供电时间短,无法使相对庞大的系统稳定运
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