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1、1课程设计报告课程设计报告论文题目基于单片机的多路抢答器的设计作者姓名龙鑫指导教师杨(晓辉)老师所在院系信息工程学院专业名称电气卓越完成时间2014 年 6 月 30 日2目 录1电路原理图的设计 .11.1 电路组成框图 11.2 电路原理图 2 2电路硬件设计 .22.1 单片机最小系统.52.2 按键电路.62.3 显示电路.72.4 报警电路.8 3系统软件的设计 .93.1 编译软件Keil C.93.2 仿真软件Proteus.10 4调试及故障分析 114.1 程序调试11 5总结 12参考文献 .14附录一 .150基于单片机的多路智能抢答器的设计1电路原理图的设计根据设计功能
2、的要求，电路应该包括控制电路，按键电路，以及用来显示裁决结果的显示电路。除了用数码管显示目前的动作情形，同时也需要用声音提醒或者警告操作人员，因此也在电路设计时加入了报警电路。1.1 电路组成框图抢答器电路总体设计方框图如图 1 所示： 按键电路控制电路显示电 路报警电 路图 1 抢答器总体设计方框图1.2 电路原理图抢答器电路原理图如图 2 所示，控制电路以单片机 AT89C51 为核心，按键电路采用矩阵式键盘的接法，显示电路采共阴极数码管动态显示，报警采用蜂鸣器报警电路。1SW2SW3SW5X111.0592M 22pFC1 22pFC2XTAL119XTAL218RST9P3.0/RXD
3、10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T015P3.6/WR16P3.7/RD17P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78PSEN29ALE30EA31VCC40GND2010uFEC1
4、10KR110KR2VCCVCCVCC0.1uFC3 VCCSW4SW6SW7SW8SW9e1d2p3c4g5b7s38s29f10a11s112s46s513s614SW10SpeakerSW1SW11SW12SW13SW14SW15SW16STARTRESET123456789RP1VCCD2D3D1VCCVCCVCC1KR35.1KR4VCC14A613Y612A511Y510A49A11Y12A23Y24A35Y36GND7Y487404ADDSUBp31p30p31p30图 2 抢答器电路设计原理图2电路硬件设计电路硬件包括：单片机最小系统（即控制电路） 、按键电路、显示电路、报警电
5、路。2.1 单片机最小系统（1）系统结构总线型单片机非总线应用的最小系统示意图如图 3 所示，只有单片机和时钟电路、复位电路构成的最简单电路，并行总线不用于外围扩展，可作为应用系统的 I/O 口使用。2图 3 总线型单片机非总线应用的最小系统（2）系统特点有大量可使用的 I/O 口；1没有并行扩展，应用系统结构简单；2外围器件只能通过 UART 口的串行移位方式或虚拟串行扩展总线进行3扩展。（3）AT89C51 单片机微控制器选用 ATMAL 公司生产的 AT89C51，该芯片货源充足，并且价格也比较便宜。如表 1 所示。表 1 器件选型方案的详细清单器件名称规格型号数量微处理器AT89C51
6、1 74LS041芯片 74HC301 电阻3WTT10K8 电容20PF3 晶振12MHZ1 按钮11 7 段数码管7SEG-MPX4-CA4 扬声器1AT89C51 功能及简介AT89C51 单片机是 ATMAL 公司 89 系列单片机的一种 8 位 Flash 单片机。它最大特点是片内含有 Flash 存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用6。3AT89C51 单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内 Flash 存储器、片内 RAM、并行 I/O 接口、定时器和串行 I/O 接口AT89C51 是
7、89 系列单片机的标准型，它是与 MSC-51 系列单片机兼容的。在内部含有 4KB 或 8KB 可重复编程的 Flash 存储器，可进行 1000 次擦写操作。全静态工作为 0-24MHZ，有 3 级程序锁存器，内部含有 128-256 字节的 RAM，有 32 条可编程 I/O 口线，2-3 个 16 位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。AT89C51 单片机内部由 CPU、4KB 的 FPEROM ，128B 的 RAM，两个 16 位的定时/计数器 T0 和 T1，4 个 8 位的 I/O 端 P0、P1、P2、P3 等组成。单片微机内部最核心的部
8、分是 CPU。CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件 ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW，BCD 码运算调整电路等组成。外部定 时元件复位中断电源系统时钟ROMCPU定时/计数器串行 I/O 口并行
9、I/O 口RAM4图 2-3 AT89C51 单片机的内部结构图为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图 3 所示。AT89C51 的主要性能包括：AT89C51 与 MCS51 控制器系列产品兼容，片内有 4K 可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory） ，存储器可循环写入/擦除 1000 次；存储器数据保存时间可达 10 年；工作电压范围宽：Vcc 可由 2.7V 到 6V；全静态工作可由 0Hz 到 16MHz；程序存储器具有 3 级锁存保护；128*8 位内部 RAM；32 条可编程 I/
10、O 线；两个 16 位定时器/计数器；中断结构具有 5 个中断源和 2 个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。（4）时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。设计中采用了比较典型的内部时钟方式，如图 6 所示：其工作原理是：片内高增益反向放大器 XTAL1、XTAL2 外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可以在 1.2-12MHz 之间任选。电容的大小影响振荡器电路的稳定性和快速性，其值有微调作用，通常取 30pF 左右。在设计电路板
11、时，晶振和电容应尽可能的靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性7。XTAL2XTAL1晶振C2C1单 片 机图 6 单片机外接晶体的接法（5）复位电路5复位是单片机的初始化操作，其主要功能是将程序计数器 PC 初始化为0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。复位操作不影响片内 RAM的内容，但是对 SFR 中的一些寄存器有影响。R3R2R1 R4R5S1S2C1C4C2C3VCCRSTVEEVCCRSTVEEVCCRSTVEEVCCVCCVCC图 7 各种复位电路单片机的复位是靠外部电路复位的。其复位方式有上电复位和按键手动复位两种。复位电路中的电阻、电容数值的设置，是
12、为了保证在 RST 管脚处至少保持两个机器周期（24 个振荡周期）的高电平而完成复位过程的，也就是在斯密特触发器的输入端维持在最低阀值电压以上足够长时间，使斯密特触发器产生一个正脉冲。电阻值通常为 1K，电容值通常为 22uF。图7 为几种常见的复位电路接法8。 2.2 按键电路（1）键盘接口和键输入软件中应解决的几个问题消除抖动1按键的合断过程存在一个抖动的暂态过程，这种抖动的暂态过程大约经过 5-10ms 的时间，人的肉眼是察觉不到的，但对于高速的 CPU 是有反应的，可能产生误处理。为了保证键动作一次，仅作一次处理，必须采取措施以消除抖动。本设计中采用了软件消抖的方法。软件消抖是用延时来
13、躲过暂态抖动过程，执行一段大于 10ms 的延时程序后，再读取稳定的键状态。键盘的监测方法2对于计算机应用系统，键盘扫描只是 CPU 工作的一部分，键盘处理只是在有键按下时才有意义。对于是否有键按下的信息输入方式有中断方式和查询方式两种。6（2）行列式键盘工作原理行列式键盘又叫矩阵式键盘。用 I/O 线组成行、列结构，按键设置在行与列的交点上，这样可以节约 I/O 口线。44 矩阵式键盘的示意图如图 8 所示：图 8 44 矩阵式键盘的示意图检测键盘上有无键按下可采用查询工作方式。首先由 P1 口的高四位输出 0 电平，从 P1 口的低四位读取键盘的状态；再从 P1 口的低四位输出 0 电平，
14、从 P1 口的高四位读取键盘状态。将两次读取的结果组合起来就可以得到一组特征编码9，如表 2 所示：表 2 44 矩阵式键盘键码表按键名称K0K1K2K3K4K5K6K7K8特征键码77H7BH0BBH0DBH7DH0BDH0DDH7EH0BEH按键名称K9KAKBKCKDKEKF未按特征键码0DEH0B7H0D7H0EEHOEDH0EBH0E7H0FFH2.3 显示电路显示电路为六位共阴极 LED 动态显示接口电路。单个共阴极 7 段数码的段选码如表 3 所示：表 3 7 段共阴数码管段选码表显示字符0123456789共阴极段选码3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH
15、共阴极 LED 数码管将发光二极管的阴极（负极）短接后作为公共阴极，7当驱动信号为高电平、 “-”端接低电平时才能发光。这样的多位显示，将所有位的选线并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，实现各部分的分时选通。由于所有位选皆由一个 I/O 口控制，在每一瞬间 6 位 LED 会显示相同的字符。想要每一位显示不同的字符，就必须采用扫描方流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制 I/O 口输出相应字型码，而位选则控制 I/O 口在该显示位送出低电平，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每一位分时显示该位应显示字符。其管脚配置及动态显示接口电路如图 9 所示：图 9
16、 共阴极数码管管脚配置及动态显示接口电路2.4 报警电路考虑到实验室现有的元器件，设计中采用了蜂鸣器报警电路，如果有条件还可以采用更高级的语音报警电路，那样更加直观方便。电路的接法如图 10 所示10：LOUDERQ17 NPNR395kLS1SOUNDER12U3:A7404图 10 蜂鸣器报警电路工作工程：蜂鸣器经过 74LS04 接在 P3.7 口，当 P3.7 输出为低电平“0”时，74LS04 端输出为“1” ，晶体管导通，蜂鸣器两端获得约+5V 的8电压而鸣叫；当 P3.7 输出为高电平“1”时，三极管截止，蜂鸣器停止鸣叫。电路中 74LS04 不仅起到了反向作用，还有增大负载能力的作用。3系统软件的设计众多软件的联合使用对应用系统的设计起到了很重要的作用，在实物制作之前对设计进行仿真，可以检验程序的执行结果是否与设计的功能相同，这样可以对程序进行改进。在这里用到了 Keil C 和 Proteus。3.1 编译软件Keil C（1）Keil C 的使用Keil C 是众多单片机应用开发软件中优秀的
