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1、单片机课程设计说明第 1 页 共 20 页1 概论概论1.1 单片机单片机单片机，全称单片微型计算机（英语：Single-Chip Microcomputer） ，又称微控制器（Microcontroller） ，是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter） 、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；由于单
2、芯片微电脑常用于当控制器故又名 single chip microcontroller，但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。1.21.2 单片机单片机 89C5189C51AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的
3、 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其管脚分别如图 1-1 所示:图1-1 AT89C51管脚图单片机课程设计说明第 2 页 共 20 页a:电源引脚（1）GND：接地端。（2）Vcc：接 DC 电源端。b:时钟引脚（1）XIAL1:外接振荡器的一个引脚，采用外部振荡器时，此引脚接振荡器的信号。（2）XIAL2:外接振荡器的一个引脚，采用外部振荡器时，此引脚悬浮。c:
4、控制线(1)RST:复位输入端。在此引脚上出现至少两个机器周期的高电平，将使单片机复位。(2)ALE/(PROG):地址锁存器/编程脉冲。(3)PSEN:外部 ROM 读选通信号。(4)EA/Vpp:内外 ROM 选择/编程电源。d:单片机 I/O 口4 个八位输入/输出口，一共 32 个引脚。2 抢答器概述及制作要求抢答器概述及制作要求2.12.1 抢答器的意义抢答器的意义抢答器的发展就是人类社会进步和科学发展的标志之一。抢答器是一种应用非常广泛的电子电气设备，在各种抢答场合、竞赛中，它能迅速客观地分辨出最先获得发言权的选手以及实现设定发言时间、记录分数等功能。早期的抢答器只由几个三极管、可
5、控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辨认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、强大前或抢答后的计时、选手得分显示等功能。当今抢答器的核心部位是单片机。微型计算机具有运算速度快、精度高、方便灵活、适应范围广和可靠性高等特点。单片机体积小、功能强等特点，决定了它在工业控制、智能化仪器、通信系统、信息处理和家用电器等领域得到了广泛应用。 2.22.2 抢答器的设计抢答器的设计单片机课程设计说明第 3 页 共 20 页2.2.1 设计任务1.设计抢答器控制开关按钮，该开关由主持人控制。2.设计八路抢答器的按钮，由选手控制。3.设计一个时序控制电路
6、,能正确进行倒计时。4.设计一个 LED 显示电路，当选手正确抢答或违规抢答时显示相应选手的编号。5.设计一个发声电路,在各个环节给选手以提示。2.2.2 设计要求本设计要求利用 AT89C51 单片机以及外围界面实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，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和组别号码。用开关做键盘输出，扬声器发声提示。3 八路抢答器硬件电路设计八路抢答器硬件电路设计3.13.1 单片机的选择单片机的选择该系统采用 MCS-51 系列单片机 AT89S51 作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功
7、能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。51 系列单片机 AT89C51 特点如下：1 可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的 CPU ，程序指令和数据都可以烧写在 ROM 许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高。2 易扩充：单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统3 控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。3.1.1 单片机最
8、小系统的原理本课题采用了单片机最小系统来实现八路抢答器，下面是单片机最小系统单片机课程设计说明第 4 页 共 20 页的原理。单片机的主要功能是负责整个系统的控制，不承担复杂的数据处理任务，因此在设计单片机最小系统时通常选用AT89C5l、AT89C52、AT89S51、AT89S52（S 系列芯片支持 ISP 功能）等型号的8 位单片机作为 MCU。本单片机最小系统采用的是 AT89S51。 一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、片外 RAM、片外ROM、按键、数码管、液晶显示器、外部扩展接口等部分组成。3.23.2 控制系统及所需元件控制系统及所需元件 控制系统主要由单片机应用
9、电路、存储器接口电路、显示接口电路组成。其中单片机 AT89C51 是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作.所需元件：该系统的核心器件是 AT89C51。在其外围接上复位电路、上拉电阻、数码管、按钮及扬声器。元件为：晶振 X1、电容 C1、C2、C3、 电阻RP1、P3.0 和 P3.1 由裁判控制,分别是抢答开始和停止键。P1.0-P1.7 是 8 组抢答的输入口,P2.0-P2.3 口为数码管的段选口,位选口用的是 P0.0-P0.6 口输出, P3.6 为蜂鸣器的控制口。3.33.3 按键设计按键设计八个抢答按键分别接入单片机的 P1.0P1.7 端口，单片机通过读取P1.0P
10、1.7 的值来判断当前输入的是八个抢答器中的哪一个。如图 3-1 所示：图 3-1 按键设计3.43.4 时钟电路设计时钟电路设计单片机在时钟驱动下才能正常工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外部接一个震荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机的各个单元。决单片机课程设计说明第 5 页 共 20 页定单片机的工作速度。如图 3-2 所示：图 3-2 时钟电路设计3.53.5 复位电路设计复位电路设计单片机 RST 端为复位端输入端，只要在复位端保持至少两个机器周期的高电平，将使单片机复位。如图 3-3 所示：图 3-3 复位电路设计3.63.6 显示电路设计显示电路设计显示电路设计与硬件关
11、系极大。在硬件固定后，如何在不引起操作失误的前提下，提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。显示电路八位七段数码管，共阴极接法，高电平亮。如图 3-4 所示：单片机课程设计说明第 6 页 共 20 页图 3-4 显示电路设计4 八路抢答器系统软件设计八路抢答器系统软件设计4.14.1 系统模块图系统模块图本系统采用模块化设计的八路抢答器。如图 4-1 所示：A八位抢答输入 T 发声电路89C5复位电路 1 4 位 7 端数码管显示图 4-1 系统模块图本系统一共有八个输入按键，分别对应八路选手的抢答按键。单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。4.24.2 程序流程图程序流程图在比
12、赛中抢答时，有多个信号同时或者不同时送入主电路中，抢答器部内部的寄存器工作、识别并记录第一个号码，显示电路还要根据现场实际情况向外电路输出相应信号。在本设计中包括了以下六个主要的程序：主程序、正常抢答、违规抢答、抢答处理、违规处理、显示。如图 4-2 所示：开始开始抢答 ？ 否是 否有键摁下？ 有键摁下？是 是摁键处理 违规处理结束本轮抢答单片机课程设计说明第 7 页 共 20 页图 4-2 系统流程图5 5 系统调试及性能分析系统调试及性能分析系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。我们设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；软硬件的配人情况以及是否达到
13、设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终开发成实用产品。 控制系统防真用到了 protuse 软件，用 keil 软件与 protuce 软件级联可以进行模拟调试，既可以检测方案的正确性，又可以避免实物多次调试。Keil 集成调试环境,集成了编缉器、编译器、调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能强大的观察窗口,支持所有的数据类型。支持 ASM（汇编） 、C 语言,多语言多模块源程序混合调试，在线直接修改、编译、调试源程序，错误指令定位。功能很强大。可通过仿真可以完全显示出所设计系统的功能,对于程序的调试等有很大的帮助.具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵。具有定时功
14、能，电路中的 11个按键分别是复位键、停止键、开始键和八组选手的按键。仿真现象及调试结果如图 5-1 所示：单片机课程设计说明第 8 页 共 20 页图 5-1 五号选手抢答成功6 6 AltiumAltium DesignerDesigner 简介简介Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium 公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在 Windows XP 操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软
15、件必将使电路设计的质量和效率大大提高。绘制的原理图及 PCB 图见附录三、四。7 7 设计小结设计小结单片机课程设计是一门很实用，很难的设计。这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，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。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作（八路抢答器） ，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈，才意识到老一
16、辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！但当课程设计完成时，那感觉是甜蜜的，没有耕耘，哪来得收获的喜悦，不懂付出怎么能知道回报的快乐，一分耕耘一分收获，有付出才会有回报，就在这样的痛与快乐的交换中，我学到了知识， 学到了做人的道理。这次的课程设计，让我学到了很多书本上学不到的东西，学到了实际应用时，是取用成本的最小化，做设计不仅要考虑大的方面，小的方面也必须做到完美。最大的收获是：对键盘，显示器，C51 语言的应用有了深刻的了解。单片机课程设计说明第 9 页 共 20 页附录一附录一 抢答器硬件电路图抢答器硬件电路图附录二附录二 抢答器源程序抢答器源程序OK EQU 20H;抢答开始标志位RING EQU 22H;响铃标志位ORG 0000HAJMP MAIN
