8路数显抢答器

1、课题名称： 8路数显抢答器的设计 所在院系： 机械电子工程学院 班 级： 08自动化（2）班 学 号： 200810320225 姓 名： 李燕青 指导老师： 张玲 时 间： 2011年6月21号 景德镇陶瓷学院单片机原理及应用课程设计任务书班级：自动化08（2）班 姓名：李燕青 指导老师：张 玲 2011年06月16 日设计题目：8路数显抢答器的设计设计任务当主持人按下抢答开始按钮(用单片机复位按键作抢答开始按钮的)发布抢答命令后，8位参赛选手通过各自的抢答按钮进行抢答。谁最先按下抢答按钮，数码管就显示谁的号码，表示该名选手抢答成功，并且锁定，其他参赛选手无法再进行抢答。设计要求1 调研、查

2、找并收集资料。2 总体设计。3 硬件设计:：用A4纸画出硬件的接线图。4 软件设计：画流程图及编写程序。5 撰写设计说明书（字数约2500字左右）。6 参考资料目录参考资料单片机原理及接口技术 胡汉才 清华大学出版社单片机中级教程 张俊谟 北航出版社单片机原理及接口技术 李全利 高等教育出版社教研室主任签字： 2011年6月 21日目 录1 引言42设计任务及系统功能简介.4-52.1系统设计要点.4-52.2功能介绍53各模块方案选择和论证.5-8 3.1 抢答器显示模块.5-63.2 控制器模块63.3 电源方案选择.63.4 键盘的选择.6-83.5 按键功能介绍.84 模块的最终方案.

3、85 抢答器的软件设计.8-95.1 数码显示软件设计.9-105.2 音乐音频输出.10-116 调试情况分析.11-136.1 硬件调试116.1.1 电路板的制作与检查.116.1.2 电路模块调试.11-126.2 软件调试的基本方法126.2.1 软件调试问题分析.12-137课程设计总结138 参考文献.149 附录15-31附录一 硬件电路原理图.16附录二 PCB图.17附录三 元器件清单列表18附录四 程序清单.18-301 引言随着微电子技术,电力电子技术,传感器技术,永磁材料技术,自动控制技术,微 机应用技术的发展,使单片微型计算机也得到迅速的发展,单片机微型计算机是微型

4、计 算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种.单片机微型计算机简称单片机,特别适 用于控制领域,故又称为微控制器. 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.它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.。2 设计任务

5、及系统功能简介2.1 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.硬件电路的设计最重要的选择 用

6、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,采用 汇编语言编写程序.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.2.2 功能介绍如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节"键或"答题时间调节"键进入调 节状态,此时

7、会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"加 1s"键,如 果想减一秒按一下"-1s"键,时间 LED 上会显示改变后的时间,调整范围为 0s99s, 0s 时再减 1s 会跳到 99,99s 时再加 1s 会变到 0s. 主持人按"抢答开始"键, 会有提示音, 并立刻进入抢答倒计时 (预设 30s 抢答时间) , 如有选手抢答,会有提示音,并会显示其号数并立刻进入回答倒计时(预设 60s 抢答时 间) ,不进行抢答查询,所以只有第一个按抢答的选手有效.倒数时间到小于 5s 会每秒 响一下提示音. 如倒计时期间,主持人想

8、停止倒计时可以随时按"停止"按键,系统会自动进入准备 状态,等待主持人按"抢答开始"进入下次抢答计时. 如果主持人未按"抢答开始"键,而有人按了抢答按键,犯规抢答,LED 上不断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停,直到按下"停止" 键为止.3 各模块方案选择和论证3.1 抢答器显示模块显示模块主要是显示抢答的时间,组别号码等.我考虑有以下两种显示方案. 方案 1: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

9、扰能力强的特点.但由于只需要显示时间和组别的数字,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 2: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, 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. 根据以上的论述,采用方案二3.2 控制器模块控制器主要用于各模块控制显示,抢答,音乐等.控

10、制器的选择有以下两钟方案. 方案 1: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 2:采用 ATMEL 公司的 STC89

11、C51 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.单片机3.3 电源方案选择系统需要多个电源,STC89C51 使用 5V 稳压电源,四联数码管供电电压为 5V.给出以下两个方案. 方案 1: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 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作.方

12、案 2:由于所做的设计不需要很高的精度要求,结合这个电源分析只要给系统 5-9V 的电压基本能输出显示和运用抢答, 故只需利用一节 9V 的电池便可使整个电路工 作.该方法方便简单,节省材料. 综上所述,选方案二 电源电路3.4 键盘的选择键盘是单片机不可缺少的输入设备,是实现人机对话的纽带.键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘,前者用软件方法产生键码,而后者则用硬件方法来产生键 码.在单片机中使用的都是非编码键盘,因为非编码键盘结构简单,成本低廉,非编码 键盘的类型很多,常用的有独立式键盘,行列式键盘等. 方案 1:独立式键盘 键盘接口中使用多少根 I/O 线,键盘中就有几个按键,键盘

13、接口使用了 6 根 I/O 口 -4- 线,该键盘就有 6 个按键,这种类型的键盘,其按键比较少,且键盘中各按键的工作互 不干扰.因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码.如图 2-1.最简单的编码方式就是根据 I/O 输入口所直接反映的相应按键,按下的状态进行编 码,称按键直接状态码,对于这样编码的独立式键盘,CPU 可以通过直接读取 I/O 口的 状态来获取按键的直接状态编码值,根据这个值直接进行按键识别,这样形式的键盘结 构简单,按键识别容易. 独立式键盘的缺点是需要占用比较多的 I/O 口线,当单片机应用系统键盘中需要的 按键比较少或 I/O 口线比较富余时,可以采用这样类型的键盘

14、. 方案 2:行列式键盘 行列式键盘是用 N 条 I/O 线作为行线,M 条 I/O 线作为列线组成的键盘,在行线和 列线的每个交叉点上,设置一个按键中按键的个数是 M*N 个.这种形式的键盘结构,能 够有效的提高单片机系统中 I/O 的利用率,列线接 P1.0P1.3 行线接 P1.4P1.7,行列适 用于按键输入多的情况. CPU 对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式, 即只有在 CPU 空闲是时才去扫 描键盘,响应操作人员的键盘输入,但 CPU 在执行应用程序的过程中,不能响应键盘 输入,对键盘的扫描可以采用定时方式,即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘 扫描一次,这样控制方式,

15、不管键盘上有无键闭合,CPU 总是定时的关心键盘状态. 在大多数情况下,CPU 对键盘可能进行空扫描.为了提高 CPU 的效率而又能及时 响应键盘输入,可以采用中断方式,既 CPU 平时不必扫描键盘,只要当键盘上有键盘 闭合时就产生中断请求,向 CPU 申请中断后,立即对键盘上有键盘进性扫描,识别闭 合键,并做相应的处理.如图 2-2 所示.根据以上的论述,采用方案一,在本系统中采用了独立式键盘,其按键比较少,且 键盘中各个按键的工作互不干扰。3.5 按键能介绍如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节"键或"答题时间调节"键进入调 节状态,此时会显

16、示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"加 1s"键,如 果想减一秒按一下"-1s"键,时间 LED 上会显示改变后的时间,调整范围为 0s99s, 0s 时再减 1s 会跳到 99,99s 时再加 1s 会变到 0s. 主持人按"抢答开始"键, 会有提示音, 并立刻进入抢答倒计时 (预设 30s 抢答时间) , 如有选手抢答,会有提示音,并会显示其号数并立刻进入回答倒计时(预设 60s 抢答时 间) ,不进行抢答查询,所以只有第一个按抢答的选手有效.倒数时间到小于 5s 会每秒 响一下提示音. 如倒计时期间,主持人想停止

17、倒计时可以随时按"停止"按键,系统会自动进入准备 状态,等待主持人按"抢答开始"进入下次抢答计时. 如果主持人未按"抢答开始"键,而有人按了抢答按键,犯规抢答,LED 上不断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停,直到按下"停止" 键为止。4 模块的最终方案主控制器模块:采用 STC89C51 单片机控制. 抢答器显示模块:数码管显示. 电源方案的选择:采用 9V 电池供电. 抢答器键盘模块:独立式键盘5 抢答器的软件设计通过 ST89C51 芯片的控制,从而构成了整个电路.抢答组数可以在六组以内任意 使用,其流程如图

18、5-35.1 数码显示软件设计采用动态显示,显示器由 4 个共阴极数码管组成,数码显示程序流程如图 5-4. 单片机与数码显示器的连接5.2 音乐音频输出音乐音频输出 音乐音频输出由 输出,流程图如图 5-56 调试情况分析6.1 硬件调试6.1.1 电路板的制作与检查考虑到本系统所用元器件较少,大部分功能都是通过软件编程来实现,同时也出于 对毕业设计成本的考虑,因此所用到的板子是自己手工制作的 PCB 板.在电路板的制 作中,首先要进行线路的排布.利用 PROTEL 软件模拟实际电路板的线路走向,尽量 避免线路出现交叉短路,电源线路尽量安排在电路板的最外圈.PCB 板刻录完成之后, 开始进行

19、焊接工作.焊接完后进行电路板检查,将原线路图与实际焊接的电路板进行对 比,由于线路不多,所以用万用表的欧姆档或是短路声响指示功能来做焊点的检测,如 此可以避免焊接时漏焊,虚焊和配线错误的问题,同时保证了所制作出来的线路与原设 计线路的一致性6.1.2 电路模块调试本设计硬件部分主要为显示模块按键模块.硬件电路功能检测主要针对这两部分进 行测试. 对于显示电路,由于使用的是四联数码管显示屏,首先要确定数码管的共阴还是共 阳极. 因此先用万用表检测是什么极性. 然后再先固定下, 检查显示电路能否正常显示. 最后再焊接上去. 对于按键部分,首先要确定各个按键是否完好,先自己接到一个简易的电路上测试

20、下,确定完好后再焊接6.2 软件调试的基本方法软件的设计与调试实行分模块实现方法.本设计软件调试中的分模块包括显示功能 模块,调正时间功能模块,抢答功能模块以报警功能模块.各个独立模块功能调试成功 后,将这些模块程序通过主程序合并在一起,最后再对合并后的总程序进行调试.各软 件模块首先要通过 PC 和仿真器进行软件调试,当仿真效果符合要求后,再烧写进单片 机看能否在实际电路板上正常工作.编程语言的软件设计采用 MCS-51 汇编语言编写, 所使用的调试软件包括 proteus 和 MedWin26.2.1软件调试问题分析LED 显示问题:本次设计的最终方案是采用 LED 显示屏实现显示功能,最

21、初数码 管显示不正常,出现闪烁现象.通过调试发现这是由于延时时间选择不当会使人眼产生 视觉暂留效果,每一次显示时都必须加入适当的时间延时.由于一开始所选用的延时时 -9- 间太短,因此出现闪烁现象,在增加显示延时之后,数码管显示正常. 蜂鸣器异常启动问题: 蜂鸣器的启动/关闭是通过单片机输出的控制信号来实现的, 当当前时间与闹钟设置时间比较吻合时,单片机将对闹铃控制口 从而启动蜂鸣器发声.一开始编写程序时,没有对 于系统开机复位后, 执行取反命令, 口的最初状态作正确设置,由 口处于高电平状态,因此出现一开机蜂鸣器就处于启动状态 口取零命令后,蜂鸣器启动/关闭控制恢复正 的情况.通过在主程序最开始加入对 常. 按键消抖问题:在最初编写程序时,键盘控制部分按照常例加入了按键消抖程序. 在实际调试中,发现按键出现反应不灵敏现象.