基于mcs51单片机控制的八路答器设计-学位论文.doc

摘 要 抢答器是一种常见的电子产品，尤其是在各类智力竞猜中，为了实现选手的公平性，性能优良的抢答器往往更能得到各单位的青睐。这里通过两种设计方案的对比，最终选定了用单片机实现抢答器电路。由于单片机具有可编程定时器和中断设备，便于实现编程和时间的精确控制。所用方案电路结构简单，易于实现，它用4个七段数码管来显示，且具有简单精准的报警电路。所选方案的一个很重要的特点在于具有灵活性，主持人可以根据题目难易进行时间设定，这样进一步保证了公平性。由于它具有成本低廉，结构简单，且性能优良的诸多优点，必定会得到广泛的应用。关键词：抢答器 ，单片机 ，七段数码管，时间设定 目 录一 绪论11.1 课程设计任务11.2 原理示意图1 1.3抢答器的程序流程2二 抢答器单元设计及其说明82.1主要芯片的介绍82.2程序流程图102.3 MAX7219122.3.1 MAX7219引脚说明122.3.2 基本的工作方法132.3.3 MAX7219初始化142.3.4 部分程序功能介绍142.4LCD简介162.4.1LCD和LED的区别162.4.3显示电路设计和LCD的引脚功能说明172.4.4液晶显示模块18三 设计总结 19四 参考文献20五 元件清单20一 绪论1.1 课程设计要求 （1） 抢答器同时为8组选手分别提供抢答按钮，按钮分别为PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8； （2） 设置一个复位按钮PB9，实现系统电路的复位，由主持人控制； （3） 设置一个启动按钮PB10，由主持人控制；（4） 设置一个限时开关PB11，由主持人控制；（5） 当主持人打开启动开关PB10后，在设定时间T0 内，如果某一组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路发出声响，指示灯L1 亮，并且在七段LED显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其它组再按下抢答按钮为无效； （6） 如果在时间T0 内，无人应答，则驱动音效电路发出声响，指示灯L2 亮，表示抢答者均放弃该题； （7） 在抢答成功后，主持人打开限时开关PB11，启动定时器，显示倒计时时间，在设定的时间T1内回答有效，当到达设定时间T1 时，驱动音效电路，指示灯L3 亮，表示答题时间到。1.2 原理示意图如图（1-1）所示为八路智力抢答器设计的物理模块划分如下：单片机抢答模块（八路输入）控制模块（主持人操作）显示模块（倒计时、选手号）语音提示模块 图1-1 设计物理框图通过主持人的相关操作（包括开始、停止、调时、锦囊使用等），以及选手的抢答，显示模块与语音模块应能迅速做出正确回应。如主持人按下开始，语音模块立刻给以语音提示，显示模块立刻显示抢答倒计时；当有选手抢答，显示模块应马上显示最先抢答的选手号，并进入答题倒计时 而这一切，都有赖于本设计的核心模块51单片机来控制。通过一系列的汇编程序，来控制、实现相应的逻辑功能。本设计中大部分的较为复杂的逻辑控制，都是用相应的汇编程来控制实现的。根据相应的设计要求，对本设计可作如下分析：1、 由设计要求1，本设计应具有抢答时间调整和回答时间调整程序，并由相应引脚来控制：P3.2抢答时间调整，P3.3回答时间调整，P3.4为加1s，P3.5为减1s； 2、根据设计要求2，本设计应具有抢答、回答倒计时功能，即倒计时程序。通过查询开始键的状态来决定是否进入抢答倒计时，开始键按下后有人抢答便立即进入回答倒计时，倒计时小于5s时，调用发声程序；3、程序中应不断查询停止 键的状态，一旦其按下，应立即退出，并进入查询程序（用来查询开始键与八路抢答键的状态）；4、 为使本设计具有锦囊功能，在回答倒计时过程中，若按下开始键，回答倒计时重新开始。1.3 抢答器的程序流程本设计采用P3.2、P3.3分别接抢答时间调节和答题时间调节按钮，即通过外部中断0、外部中断1分别控制抢答、答题时间的调整。因此，设计的软件部分可分为工作模块、外部中断0模块、外部中断1模块。对流程图的分析，也分三部分来介绍。（1）工作时（非调节时间时）的流程平时正常工作时，程序的流程图绘制如图1-2：对工作流程图中的某些部分解释如下：初始化部分：包括对定时计数器的工作方式、初始化数值的设置，还包括对抢答时间与答题时间的预设，另外，还应对外部中断0、外部中断1进行开放。抢答倒计时、回答倒计时部分：由于二者功能的相似性，本设计将二者在一个子程序倒计时程序中一起编写。犯规程序部分：包括对犯规选手号的显示、报警器的间断工作。另外，由于在设计要求主持人能随时对工作过程终止，因此，要不断查询停止键的状态，一旦按下，便回到初始化后的状态；在倒计时过程中还要不断将与5S比较，当小于5S时，还需调用发声程序；小于5S后， 又需要不断将与0较，当其等于零时，立即返回。图1-2 工作流程图（2）外部中断0（抢答时间调整）流程外部中断0（抢答时间调整）的流程图见图1-3：INT0中断Y显示当前抢答时间P3.4按下？P3.5按下？抢答时间加1sNYN结果为100s?结果置0N结果为0s?结果置100抢答时间减1sYYN停止键按下？中断返回NY图1-3 INT0流程图一旦因P3.2对应键的按下，便进入INT0中断过程。通过不断对P3.4（加1s）和P3.5（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间进行调整：发现P3.4按下，就对原抢答时间加1s, 发现P3.5下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。根据设计要求，当加至99s时，若再加1s，则时间变为0；当减至0s后，若再减一秒，时间变为99s。因此，流程中应该对当前时间于99s或0s比较，再作出相应处理。另外，在中断过程中还需要不时对停止按钮进行查询，一旦发现其按下，立即中断返回。由于本中断过程在返回前一直是循环执行的，因此，只需要在每次循环末查询一次即可，如流程图所示（3）外部中断1（答题时间调整）流程外部中断1（答题时间调整）流程与外部中断1流程大同小异。其程序流程参见图1-4：与抢答时间调整类似，一旦因P3.3对应的按钮按下，便进入INT1中断过程。通过不断对P3.4（加1s）和P3.5（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间进行调整：发现P3.4按下，就对原抢答时间加1s, 发现P3.5下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。当加至99s时，若再加1s，则时间变为0；当减至0s后，若再减一秒，时间变为99s。因此，流程中应该对当前时间于99s或0s比较，再作出相应处理。同上，在中断过程中，也还需要不时对停止按钮进行查询，一旦发现其按下，立即中断返回。INT1中断Y显示当前答题时间P3.4按下？P3.5按下？答题时间加1sNYN结果为100s?结果置0N结果为0s?结果置100答题时间减1sYYN停止键按下？中断返回NY图1-4 INT1流程图二 抢答器单元设计及其说明2.1主要芯片的介绍 AT89SC52的引脚图如图2-1所示图2-1 AT89SC52芯片引脚图1） 主要性能本方案所使用的主要芯片是AT89SC52， 它与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。2） 功能特性描述 At89sc52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89SC52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。3） P0、P1口介绍 P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2-1表2-1 P1.0 P2.0 引脚功能特性4） 本方案中用到的一些引脚介绍 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 特殊功能寄存器： 在AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFE）。 并非所有的地址都被定义，从80HFFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。 AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CON,T2MOD，寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2 在16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。2.2程序流程图 图2-2 程序流程图2.3 MAX72192.3.1 MAX7219引脚说明引脚说明见表2-2表2-2 MAX7219引脚说明引脚号名称功能说明1Din串行数据输入端在CLK的上升沿数据被锁入芯片内部16位移位寄存器。2358.10.11DIG0DIG78位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流。49GND地线（两个GND必须连在一起）。12Load锁入输入的数据在Load上升沿最后的16位串行数据被锁入。13CLK时钟输入，最高时钟频率为10MHZ，在CLK的上升沿数据被锁入内部移位寄存器，在CLK的下降沿，数据从Dout脚被输出。1417 2023SegASegG.DP7段驱动和小数点驱动18Iset该脚通过一个电阻与V+相连，设置峰值段电流。19V+电源电压，+5V。24Dout串行数据输出。输入到Din的数据在16.5个时钟周期后在Dout脚发出，该脚用于与级联扩展2.3.2 基本的工作方法MAX7219与8031单片机连接采用三线串行接口，典型应用电路如表2-3所示。Y&FeN;y-jGuest表2-3 16位数据包的数据格式如下：D0D7D8D11D12D13D14D15LSB DATA MSBADDRESSD7D0：8位数据位，D7最高位，D0最低位； D11D8：4位地址位； D15D12：无关位，通常全取1。MAX7219通过D11D84位地址位译码，可寻址14个内部寄存器，分别是8个LED显示位寄存器，5个控制寄存器和1个空操作寄存器。LED显示寄存器由内部88静态RAM构成，操作者可直接对位寄存器进行个别寻址，以刷新和保持数据，只要V超过2V（一般为5V）。a y6i/e8G(rW0nGuest控制寄存器包括：译码模式，显示亮度调节，扫描限制（选择扫描位数），关断和显示测试寄存器。 EETOP专业博客-电子工程师自己的家园1wm0-?7B-v&Lt PGueste(|ox*U )vGuestMAX7219的驱动程序首先必须对5个控制寄存器（地址分配见表2-4）初始设置即初始化，各控制寄存器设置含义如下：译码模式选择寄存器（地址=F9H）；5G)sJwGm+CGuestEETOP专业博客-电子工程师自己的家园2214xG/U9Y3O|共有4种译码模式供选择，当数据位全0时选择“非译码方式”。在此方式下，8个数据位分别一一对应7个段和小数点。通常选择此方式。 1Qeb#k qGuestk54q6Y+vGuest扫描限制寄存器：地址FBH；用于设置显示的LED个数（18），当D2D1D0111、D7D6D5D4D3无关时，可接8个LED管。EETOP专业博客-电子工程师自己的家园9rB3Dw#Y0X 亮度调节寄存器：地址FAH；CB!iae rp-qGuest共有16级选择，用于LED显示亮度的强弱设置。EETOP专业博客-电子工程师自己的家园99lia(8D$hw 关断模式寄存器：地址FCH；EETOP专业博客-电子工程师自己的家园K_*aVSI 有两种模式选择：一种是关断状态模式（D00）；一种是正常操作状态（D01），通常选择正常操作状态。EETOP专业博客-电子工程师自己的家园bjA|Q 显示测试寄存器：地址FFH；有两种选择用于设置LED是测试状态还是正常操作状态：当在测试状态时（D01）各位全应亮，一般选择正常操作状态（D0=0）。 表2-4 寄存器地址分配表寄存器名称地址D15D12D11D10D9D8空操作0000Digit00001Digit10010Digit20011Digit30100Digit40101Digit50110Digit60111Digit71000译码模式1001亮度调节1010扫描限制1011关断模式1100显示测试11112.3.3 MAX7219初始化表2-5 初始化设置各项的选择及对应数值设置项目选择颠倒后的数值（16位）显示亮度17/325F1FH扫描限制07位DFEFH译码方式非译码方式9F00H显示测试正常操作FF00H关断方式正常操作3F80H2.3.4 部分程序功能介绍 全部程序见附录二，下面仅介绍部分程序由于在读抢答数据口的时候，单片机首先进入倒计时程序，再调用显示程序，最后才检测按键口，然而在检测按键口时动态扫描要调用三次(4ms)延时程序.这样就会导致读数据口出现滞后,造成1号优先最高.8号最低.故采用在延时子程序中加了读数据口程序.保证了灵敏度和可靠性，程序如下： =加减时间延时(起到不会按下就加N个数)=DELAY1: MOV 35H,#08HLOOP0: ACALL DISPLAYDJNZ 35H,LOOP0RET;=延时4236个机器周期(去抖动用到)=DELAY: MOV 32H,#12HLOOP: MOV 33H,#0AFHLOOP1: DJNZ 33H,LOOP1DJNZ 32H,LOOPRET;=延时4236个机器周期(显示用到)=DELAY2: MOV 32H,#43HLOOP3: MOV 33H,#1EHMOV A,R7 ;每隔6070个机器周期读一次P1口,全为1时为无效数据,继续读,有一个不为1时,转到正常抢答处理JNZ AAAA1 ;没读到有效数据时继续转到AAAA1LOOP2: DJNZ 33H,LOOP2DJNZ 32H,LOOP3RET;=读抢答按键数据口程序= 主持人时间设定程序如下：ACALL DISPLAY;先在两个时间LED上显示R1JNB P3.4,INC0;P3.4为+1s键,如按下跳到INCOJNB P3.5,DEC0;P3.5为-1s键,如按下跳到DECOJNB P3.1,BACK0;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO2.4LCD简介2.4.1LCD和LED的区别 LED为英文（Light Emitting Diode）的缩写，是发光二极管的一种,LCD是液晶显示器,两者相差太多.但是用LED的点阵也能组成显示器,适用于户外大屏幕显示,分辨率较低。LCD为英文（Liquid Crystal Display）的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。与传统的阴极射线管LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。 LCD技术能够显示更加清晰，明亮的图象。 LED是发光二极管 特点：自发光，从远处可以看见，价格相对较低缺点；显示的内容少，一般是数码，LED电子滚动显示，等等，很耗电，控制复杂。由于LCD比LED的效果好，所以本设计我们选择了LCD作为我们设计的显示器。 2.4.2单片机和分立元件的区别单片机相当于一个集成电路，将一些功能都集成在一个芯片中，在一小块芯片中能实现各种功能的器件。分立元件是指电阻电感电容等器件。这是相对于集成电路来说的，比如一个电路,他用了一个集成电路,外加一些零件即能实现需要的功能,而一般来说,用分立元件也能实现,但体积可能会大一些,可靠性可能也差一些。通过两者的比较，单片机明显优于分立元件，所以本设计我们选择了用单片机。其系统硬件设计如图2-3键盘输入单片机液晶显示对比度控制图2-3 单片机系统硬件设计2.4.3显示电路设计和LCD的引脚功能说明液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件等装配在一起的组件。英文名称叫“LCD Module”，简称“LCM”，中文称为“液晶显示模块”，其流程图如2-4所示，实物图如2-5所示。LCD控制器VSSVDDDVORSR/WEDB0DB7LCD驱动器LCD显示装置如图2-4 LCD流程图图2-5 LCD1602实物图2.4.4液晶显示模块表2-6 LCD引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2双向数据口2VDD电源正极10D3双向数据口3VL对比度调节11D4双向数据口4RS数据/命令选择12D5双向数据口5R/W读/写选择13D6双向数据口6E模块使能端14D7双向数据口7D0双向数据口15BLK背光源地8D1双向数据口16BLA背光源正极VDD：电源正极，4.55.5V，通常使用5V电压；VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地； RS：MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平； R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据； E：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块。 D0D7：8位数据总线，三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4D7接口传送数据。本充电器就是采用4位数据传送方式； BLA： LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；BLK： LED背光地端。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不 三 设计总结 此次课程设计要求我们在孙老师的指导下独立进行查阅资料，设计方案与组织实验等工作，并写出报告。这次实验对于提高我们的素质和科学实验能力非常有益，为以后从事电子电路方面的设计，研制电子产品打下基础。通过这一周的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。通过这次毕业设计，为完成这次毕业设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这一周的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里两年的相处还赶不上这两个月的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。这个工程确实很累，但当我们仿真实验成功的时候，当我们连好线，按下按钮，LED亮了起来，喇叭响起的是我一生以来最好听的声音，我们的心中就不免兴奋，不免激动。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。在此要特别感谢我的指导老师对我们的指导，在此向老师说一声，老师您辛苦了！当然我也要感谢我们同组的人的积极合作。在老师的启发和我们共同的努力下，我们才能顺利的完成毕业设计。在以后的工作中，我一定会更加努力的学习，充分的发挥自己的特长。 四 参考文献1 朱运利. 单片机技术应用. 北京:机械工业出版社， 2005年1月第一版.2 张大彪. 电子技能与实训. 北京:电子工业出版社， 2004年7月.3 韩全力，赵德申. 微机控制技术及应用. 北京:机械工业出版社， 2004年1月第一版.4 阎 石. 数字电子电路. 北京:中央广播电视大学出版社， 1993.5 张毅坤，陈善久，龚雪红. 单片微型计算机原理应用. 西安:西安电子科技大学出版社, 2003.6 田 良，黄正瑾，陈建元. 综合电子设计与实践. 南京:东南大学出版社.7 杨素行. 模拟电子电路. 北京:中央广播电视大学出版社, 1994.8 康平光. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社, 2003.9 李 华. MCS-51单片机接口技术及应用. 北京:北京航天航空大学出版社. 五 元件清单序号元件名称型号规格 单位数量1电阻10K欧姆只7400欧姆只74.7k欧姆只32瓷片电容30pF只20.01uF只13晶振12MHz只14三极管8550只45单片机AT89C51块16集成电路插座40脚块17接线柱2位只28按钮独立式只1494位一体数码管共阳只110线路板单面覆铜板块1设计总结： 此次课程设计在孙老师的指导下独立地进行了查阅资料，设计方案等工作，并写出了报告。这次实验对于提高我们的素质和科学实验能力非常有益，为以后从事电子电路方面的设计，研制电子产品打下基础。通过这一周的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。通过一次课程设计能学到不少平时教科书上学不到的知识，能够更好地了解本专业，提高自己的实践能力，同时更好地激发了自己学习更多知识的动力。在以后的学习生活中，我会结合本次课程设计的经验，更为广泛地学习实践专业相关知识，争取成为一名优秀的电子设计领域的工作人员！考核成绩及评语指导教师签字 年 月 日系(教研室)意见系(教研室)主任签字 年 月 日