89C51抢答器的设计

目录目录……………………1前言……………………2摘要……………………3第一章系统概述与原理方框图………41.1计算机电子技术发展概述与系统问题的提出…………41.2方案的选择及设计思路与原理方框图…5第二章系统硬件设计…………………92.1四路抢答器系统电源的设计与分析……72.2中央控制器---AT89C2051……………112.3六路抢答器系统的外围电路的设计与分析……………15第三章系统的软件程序设计……………163.1程序流程图………………163.2程序设计…………………17第四章产品的制作、安装与调试………204.1PCB板的制作……………204.2元件安装焊接及系统调试………………21总结………………………23鸣谢………………………24附件……………………25参考材料…………………26

前言21世纪是瞬息万变的信息社会。现代信息技术由三大部分组成，信息的采集──传感技术，信息传递──通信技术，信息处理──计算机技术。而电子产品正在以前所未有的革新速度,向着功能多样化，体积最小化，功耗最低化的方向发展。它与传统电子产品在设计上的显著区别一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体各，降低产品功耗，二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子设计自动化程序，缩短开发周期，提高产品的竞争力。单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到电子系统，办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。目前，形式多样、功能完备的抢答器已广泛应用于电视台、商业机构、学校及企事单位它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活。在我们以前所学习的课程中，根据所学的知识来设计数字此电路。电路中主要的功能模块是单片机、电源模块、上位机等。在学习了数字电子技术基础的前提下，我们基本可以独立理解和分析电路，能够了解AT89C2051单片机、七段数码显示器、音乐IC等集成电路，能够知道这些集成电路的基本功用和应注意的问题。六路抢答器的制作摘要：文章首先介绍了系统的设计方案思路与原理图，进而阐明了设计6路抢答器系统的意义。单片机AT8920C51控制芯片及其外围电路，数码显示电路及其周围电路，控制电路，语音电路等，软件部分就针对一些具体模块进行编程。整个系统采用单片机通讯方式，文中还介绍了单片机接口与控制器之间的通讯情况以及该系统的PCB板制作。关键词：电子；抢答器；单片机；输入；编程；调试；第1章系统概述与原理方框图在本章中，我们对四路抢答器的总体设计及其主要的功能特点进行简单的分析，并给出它的特点，实现的功能以及系统的简单操作，以对单片机及其控制系统的了解。第1.1节计算机电子技术发展的概述与系统问题的提出近年来，计算机技术析迅猛发展，使得计算机在工业，农业，国防科研及日常生活的各个领域显示了日益旺盛的生命力，它已成为各国工业发展水平的主要标志之一，是发展新技术，改造老技术的强有力的武器。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机的发展正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。近几年，由于某种原因CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化，此种芯片除了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，特别是IIC，API等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。而我们设计出的4路抢答器是一种基于MCS-51智能锁的硬件和软件设计及实现方法，这种电路设计具有按键有效提示,输入错误提示,控制开锁电平,控制报警电路,在线修改功能等多种功能,保密性强,灵活性高,特别适用于家庭!办公室!学生宿舍及宾馆等场所。它具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点，是一个值得推广的一种方法。接下来我们就对方案与设计原理方框图进行比较分析。第1.2节方案的选择及设计思路与原理方框图为了使设计更具有针对性，使用性更强，我对们其进行精心的设计，在设计过程中，我们想到了很多的设计方案。1．2．1设计思路设计一个智力竞赛抢答器，可同时供N名选手或者N个代表队参加比赛，他们的编号分别为0,1,2…N-1,各用一个抢答器按钮,按钮的编号与选手的编号相对应,分别设为S0,S1…SN-1。节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答器的开始。并且抢答器具有数据锁存和显示的功能，抢答开始手，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。1．2.2总体方框图 系统的总体方框图如下图所示：图1.1抢答器系统设计原理图该系统的主要输入抢答输入电路，译码电路，显示电路等，控制电路等电路组成，外围电路少，功能单一，可不用编程来实现。但是其也有很大的缺点，比如不能按到多次，且手动输入的时间不能太长，而且时间也有一点限制。且不能断电，断电后将无法恢复，输入又无法显示，无可观性，因此我们采用以下的方法。利用单片机AT89C2051，它是一种性能优良的集成可编程的单片机，其功能十分的强大，它把CPU、存储器、及I/O集成到一个芯片上，只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的控制系统。这样可以降低设计出来的产品的硬件成本，通过编程快速实现对不同密码值的输出与控制。多路抢答器系统的整个系统从大体来看可以分为键盘抢答输入，系统处理，数字数码管显示，声音的输出以及对电脑的串口通信等。而本设计将分为以下四个部分：键盘输入部分，电源部分，数字显示部分，MCU中央处理部分和串口通信部分。SHAPE主要的系统电路有：电源电路、复位电路、单片机控制电路、单片机控制输出显示电路，音频控制输出电路，24C02防掉线数据保护电路等。电路分析我们在下一章节中进行分析。该系统的主要特点有：⑴该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此相对来说体积小。⑵该系统能用软件的方式设计硬件，所以用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，易操作。⑶具有具体数字显示的功能。⑷可以从以前的组合设计转向真正的自由设计，所以设计的移植性好，效率高。可适合大规模的现场制作。⑸利用按钮进行输入，输入简单。⑹具有智能报警的功能，当选定之后就马上锁定，并且发出音乐声音。大大提高了抢答器的可靠性。⑺因为整个系统可集成在一个芯片上，因此体积小，功耗低，可靠边性更高。并且非常适合合分工作，团队精神。第2章系统的硬件设计为使6路报警器能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，我们对该系统的硬件进行精心的设计。在设计的过程中，为了能掌握电路设计的基本方法和步骤，论文首先对一些电源的整流滤波和稳压电路的一些参数进行分析与比较，然后详细分析电路各组成部分（数码管数字显示电路，输入电路，控制输出音频电路等），还详细介绍了有关集成音乐电路、中央处理器AT89C2051的工作原理及外围电路的设计情况。该系统的硬件设计采用了的整体系统设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个部分。其中，AT89C2051单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。外围电路包括复位电路，电源电路、输入电路，控制输出音频电路等。第2.1节四路抢答器系统电源的设计与分析在设计整个抢答器的整个系统之前，我们应该先设计一个高精度的电源，而我们首先对整流，滤波与稳压电路的工作原理及其一些基本的参数进行分析。再根据其性质对电子密码锁的电源进行精心设计。2.1.1．整流电路的工作原理及其参数分析整流是把交流电变换成直流电的过程，它的基本原理是利用了晶体二极管的单向导电特性。整流电路负载上的直流电压就是输出脉动电压的平均值。由傅里叶级数展开式可知，其输出电压可表示为： （1）式中Uom/为直流分量，Uom/2为基波交流分量，其它为谐波分量。忽略二极管内阻时，输出直流电压为： （2）式中Uim为变压器次级交流变压器的峰值，Ui为其有效值。桥式整流电路及信号的输入、输出波形。同理，其输出电压可表示为： （3）输出直流电压为： （4）比较公式（2）与（4）可知：桥式整流电路的输出直流电压比半波整流的高一倍。为了衡量整流电源这一特性的好坏，常用纹波因数来表示。即： 越小，输出脉动越小，表示整流电源的性能越好。2.1.2滤波电路的工作原理及其参数分析虽然整流电路的输出电压包含一定的直流成分，但脉动较大，须经过滤波才能得到较平滑的直流电压。常用滤波器有C型、型、型。本实验只研究C型与（RC）型滤波器。C2=100F，RL=1k，R=100）经过电容的滤波作用后，其输出电压变得比较平滑，脉动大大减小，而且直流成分增加，对C型滤波，负载RL、C的数值越大，纹波越小，输出直流电压越接近于变压器次级交流电压的峰值Uim，其输出直流电压的范围为：UO=（0.9~1.4）Ui对于型滤波，输出脉动更小，但输出直流电压略有降低。2.1.3集成稳压电路的设计经整流、滤波后产生的直流电源，虽然脉动大大降低，但若负载电流发生变化时，将直接影响输出电压的平均值，而在本系统中，当气体浓度大于设定值时，将开启换气扇进行通风，其对换气扇的控制是通过继电器来完成的。为防止过热应安装散热片；(在安装时,由于用力过猛,把引脚给压断过，因此在后面的安装过程中，我们特别小心)。2.1.4电源电路元件参数的选择⑴滤波电容的选择滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数。RLC越大，输出电压的脉动就越小。作为滤波电路，电容的容量越大越好，但容量越大的电容其成本越高，使得设计出来的整流电路生产成本也增高，为了达到在满足要求的前提下，使得生产成本最低，通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的（3～5）倍，即τd=RLC≥（3～5）T最低次谐波当交流电源频率为50Hz时，对于半波整流电路，由上式可求得滤波电容的容量：C≥（3～5）T/RL=（3～5）0.02/RL⑵整流二极管的选择当滤波电容进入稳定工作时，电路的充电电流平均值等于放电电流平均值，因此，二极管的最大整流电流可按下式进行选择：IF≥ID=IL （半波整流）IF≥ID=1/2IL （全波整流）桥式整流电容滤波电路中，二极管的最高反向工作电压为：URM≥1.414U=1.414×9=12.7V通过查找二极管的参数手册，我们选择1N4007，其反向耐压为1000V，工作电流为1A，可以满足本系统的要求。 ⑶电源变压器的选择对于变压器的选择，主要是对变压器功率和次级电压的确定。由式UO=（0.9~1.4）Ui这里Ui是变压器的次级输出电压，由上式可知：Ui=UO÷0.9=10V系统的功率为:P=UI=9×0.2=1.8W为了看清是否有电，我们在电源电路中专门设计了电源指示灯LED1，发光二极管的工作电流为1～5mA，为了防止电流过大烧毁发光管，我们加入了限流电阻R1，其阻值为：（5-1.2）/5=0.76KΩ。这里我们取2.2KΩ的电阻因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压是十分重要的，所以我们专门精心设计了一个稳压电源,使甲烷检测报警系统能在各种特殊的环境都能正常工作。第2.2节中央控制器---AT89C2051AT89C2051是由美国Atmel公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。该芯片采用FLASH存储技术，内部具有2KB字节快闪存存储器，采用DIP封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。⑴、AT89C2051的特点AT89C2051具有以下几个特点：·AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；⑵、AT89C201的功能描述AT89C2051是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。⑶、AT89C2051引脚功能AT89C51单片机为20引脚芯片如图2.10所示：①、口线：P1、P3共2个八位口。P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口，其中P1.0和P1.1除作为普通I/O用外，还可作为电压比较器输入端。P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。VCC：工作电源+5VGND：电源地。VPP：访问外部程序存储器允许信号。RST：复位信号输入端。XTAL1：片内振荡器输入端。XTAL2：片内振荡器输出端。RXD：串行口输入。TXD：串行口输出。ALE：访问片外存储器时，它作为锁存扩展地址低字节的控制信号的输入。②．控制口线:PSEN(片外选取控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制);2.2.2时钟电路的设计与工作原理分析

8031/8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。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。电容器Cl，C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。

外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。2.2.3、单片机的基本时序单位介绍 单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。

振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。8031单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。

4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。2.2.4、单片机复位电路的设计与分析当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图A中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图(A)中右图所示。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如上图(B)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。

上图(A)中：Cl＝10-30uF，R1＝1kΩ

上图1．27(B)中：C：＝1uF，Rl＝lkΩ，R2＝10kΩ2.2.5、单片机复位后的状态的分析单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的韧始化部分是十分必要的。第2．3节六路抢答器系统的外围电路的设计与分析其工作原理为：接通电源后，单片机AT89C2051自动复位，抢答器处于工作状态，数码管无显示，当开始抢答时，四个开关SB1-SB4处于工作状态，此时单片机处于检测状态，无论四个开关哪一个先按下后，其它开关将无效，此时数码管显示对应开关的数字（SB1为1，SB2为2，SB3为3，SB4为4），此时通过P3.7I/O控制音乐IC工作，音乐响起，30S后自动结束，显示管清零状态，准备下轮抢答。2.3.1抢答器电路总的来讲，抢答器电路图可大概用图来表示（可参考附图）。该电路具有两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二实现与上位机通信。2.3.2音乐电路通过单片机的P3.7口控制音乐IC的工作。当P3.7口输出一低平信号是，VT1导通，+5V电压经过VT1，R11；CW1为稳压二极管，其电压为3.6V，即提供3.6V电压给音乐IC供电。只要音乐IC电压正常，则音乐电路则正常启动，BJ015B端则输出信号，经VT2驱动SP1。经30S后，单片P3.7口输出复位信号，则VT1不导通，IC3无电压，则音乐电路停止工作。对于有触发端的电路设计一般有两种启动方式：通过电子开关控制音乐集成电路的供电，从而控制音乐集成电路是否工作。这种方式的电路设计，必须把触发端直接和正电源端相接，这样只要一向音乐集成电路供电，其触发端便得到一个触发信号，启动电路工作，这种方式只要一直保证向音乐集成电路供电，它便会反复地演凑；向触发端送入触发信号。这种方式的电路设计要求让音乐集成电路始终接入电源，而通过外电路向其送入触发信号，从而启动电路工作。第三章系统的软件程序设计3.1程序流程图图3.1主程序流程图3.2程序设计以下为设计参考程序：；程序开始;6路抢答器程序 ;输入输出口预定义 SWITCH2 EQU P1.0 ; YINYUE EQU P3.7 ; K1 EQU P3.0 ; K2 EQU P3.1 ; K3 EQU P3.2 ; K4 EQU P3.3 ;DAT EQU60H ; ORG 0000H AJMP START ; ORG 0013H ; RETI ; ORG 0023H ; RETISTART: MOV P1, #0FFH ;端口初始化 MOV P3, #0FFH ; MOV 20H, #0FFH ; MOV DAT, #00H ;MAIN: JB K1, LOOP2 ;K1按下? MOV P1, #9FH ;1 MOV DAT, #1H ; ACALL YINDA ;调用应答子程序 AJMP MAIN ;返回LOOP2: JB K2, LOOP3 ;K2按下? MOV P1, #25H ;2 MOV DAT, #2H ; ACALL YINDA ; AJMP MAIN ;LOOP3: JB K3, LOOP4 ;K3按下? MOV P1, #0DH ;3 MOV DAT, #3H ; ACALL YINDA ; AJMP MAIN ;LOOP4: JB K4, LOOP5 ;K4按下? MOV P1, #99H ;4 MOV DAT, #4H ; ACALL YINDA ; AJMP MAIN ;LOOP5: JB K5, LOOP6 ;K5按下? MOV P1, #49H ;5 MOV DAT, #5H ; ACALL YINDA ; AJMP MAIN ;;*****************************YINDA: CLR YINYUE ;开启音乐 MOV R1, #20 ;写入延时时间值YIN1: MOV R2, #100YIN2: ACALL DEL5MS ; JNB R_AN, YIN3 ;若按下复位键则返回 DJNZ R2, YIN2 ;延时30秒 DJNZ R1, YIN1 ;YIN3: SETB YINYUE ;关闭音乐 MOV P1, #0FFH ;关显示 RET ;返回 ;延时子程序 ;晶振:12M ;***************************** DEL1MS: MOV R6, #24 DEL1MS1: MOV R7, #19 DEL1MS2: DJNZ R7, DEL1MS2 DJNZ R6, DEL1MS1 RET ;***************************** DEL5MS: MOV R7, #45 DEL5MS1: MOV R6, #54 DEL5MS2: DJNZ R6, DEL5MS2 DJNZ R7, DEL5MS1 RETEND第4章产品的制作、安装与调试第4.1节PCB板图的制作4.1.1电路图的绘制 (1)、在Protel中先新建一个文档，把所需要的元件载入到文档里面。 (2)、再按照系统电路图绘制导线，把元件连好线。 (3)、通过电气检查如果没有错误，那么系统的电路图就绘制完成。4.1.2PCB用Protel99设计好PCB板，认真检查正确无误以后就开始制作电路板．其过程包括打印、转印、蚀刻和钻孔四个主要制作工序。下面分别叙述制作过程。⑴、打印⑵、转印⑶、蚀刻⑷、钻孔第4.2节元件安装焊接及系统调试4.2.1元件安装的基本要求与原则制造电子产品，可靠性与安全是二个重要因素,而零件的安装对于保证产品的安全可靠是至关重要的。如何疏忽都可能造成整机工作失常，甚至导致更为严重的后果。⑴元件安装的基本要求①保证导通与绝缘的电气特性，电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断，不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果，而且要考虑在振动。②保证机械强度，电子产品在使用过程中，不可避免的需要运输和搬动，会发生各种有意或无意达到振动，冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为加速度的瞬间受力使装置受到损害。③保证传热的要求，在安装中，必须考虑某些零部件在传热，电磁方面的要求。④安装时接地与屏