毕业设计(论文)电子智能竞赛抢答器(单片机).doc
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1、毕业论文(毕业设计)毕业论文设计电子智能竞赛抢答器 (单片机)班 级: 机电一体化0704姓 名: 指导教师: 实习单位: 青岛钢铁集团 2010 年 6 月目 录前言11 单片机的应用技术22 系统设计要点3抢答器的硬件设计要求.322 计分器系统的软件流程.42.3 计分器的硬件设计要求42.4 人机交互程序设计4计分器系统的软件键盘扫描程序流程图 53 各模块方案选择和论证73.1 抢答器显示模块73.2 控制器模块83.3 电源方案的选择93.4 枪答器键盘的选择94 模块的最终方案125 电子智能抢答器系统的硬件电路设计1212计分器系统的硬件电路13计分显示模块1414抢答电路模块
2、14抢答按键模块的设计156 单片机干扰防护166.1 采用隔离技术166.2 正确的接地措施17结论18.谢 辞.19参考文献20计分器显示程序(附1)21抢答器软件程序(附2)26摘 要随着电子技术的飞速发展,基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业,微型计算机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。电子智能抢答计分器在抢答过程中,为了知道哪一组或哪一位选手先答题,必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中,靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单
3、片机系统来设计抢答器,使以上问题得以解决,即使两组的抢答时间相差几微秒,也可分辨出哪组优先答题。抢答组数可以在八组以内任意使用,本系统设计为模块形式采用九针插头进行连接,系统工作原理本系统采用AT89S51单片机作为核心。控制系统的五个模块分别为:单片机最小系统(六位并行数码显示、4*4矩阵式键盘)、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、音乐音频输出模块。关键词:单片机;矩阵式键盘;显示;驱动;抢答前言电子技术和微型计算机的迅速发展,促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用,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
4、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。电子智能抢答器分别用两片单片机控制,分别为计分器和抢答器。计分器的工作原理是采用最小系统,用4x4键盘来输入是选手需要加减进行分数的加减输入。主板上的6个数码显示,加几分的数,按确定键后分数值从串口P3.0,P3.1传到计分器显示模块上再通过数码管驱动模块显示。抢答器的工作原理是采用单片机最小系统,用查询式键盘进行抢答。采用串行静态显示组号。1 单片机的应用技术单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指
5、构成微机系统的实体与装置,通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上,统称中央处理单元(Central Processing Unit),简称CPU,是微机的核心部件。CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出(Input/Output,简称I/O)接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称,人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换,使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统,两者相辅相成,缺一不可。2 系统设计要点系统
6、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
7、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,因此使用Keil C语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。本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。2.1 抢答器的硬件设计要求抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛,分别用8个按钮S1S8表示。设置一个系统清除和抢答控制按扭,该按扭由主持人控
8、制。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮,锁存相应的编号,并在LED数码管上显示,同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存,优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。22 计分器系统的软件流程图1初始化开始扫描键盘S1S8是那一个组要加分,并组号显示在主板上(六个数码管)为0单组加减分为1全部统一加减分加分按键S14减分按键S15键盘录入分值,并显示在主板上(六个数码管)加分按键S12减分按键S13键盘录入分值,并显示在主板上(六个数码管)确定S16P1.7输入一个单次脉冲,并保持高电平(锁存数据由P3.0 P3.1串口输出显示分数)2.3 计分器的硬件设计要求加减计分有三
9、位显示,用串行通信口,显示分数,用4*4阵列式键盘进行同时加减和单组加分。 人机交互程序设计系统的人机交互程序设计,主要是解决按键的扫描与信息的显示,让操作者能够灵活地控制系统工作。键盘用来输入指令,发光数码管用来显示单片机的状态,这是一个比较简单的人机交互形式。计分器系统的软件键盘扫描程序流程图本系统的键盘采用的是44矩阵式键盘,矩阵式键盘由行线和列线组成,按键位于行、列线的交叉点上。一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘,显然,在按键数量较多时,矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。矩阵式键盘中,行、列线分别连接到按键开关的两端,在进行键盘扫描时,首先把矩阵键盘列线
10、的第一根线置高,然后分别再检测矩阵键盘行线是否有高电平的信号,如果有信号,那么就证明这根行线与第一根列线相交处的按键被按下了,单片机就读入这个键值。如果所有的四根行线都没有信号,那么就把第一根列线置低,把第二根列线置高,再一次检测行线有没有信号,然后依次类推。由于键盘扫描的速度很快,而人按键总会持续一定的时间,因此只要单片机处在等待输入的状态,这个键盘扫描程序基本上不会错过任何一个按键信号。由于一般人按键会有抖动,抖动信号造成键盘扫描时会出现一些错误的信号,要不就是扫描不进数据,要不就是重复输入很多次数据,因此需要有一个消除抖动的程序。让单片机不响应一些相关的抖动信号,而只响应一次确实存在的按
11、键信号。消抖动程序是这样实现的,当检测到一个脉冲信号时,并不立即认为是一次按键,而是延时一段时间以后再进行检测,如果三次检测都有信号,那么就认为有一次按键动作发生了。延时的选择非常重要,太快了,起不到消除抖动的效果,太慢了又让键盘太不灵活,错过较多的按键信号。键盘扫描程序的流程图如图2所示。 键盘扫描程序流程图23 各模块方案选择和论证3.1 抢答器显示模块在步进电机控制过程中,系统需要对运行的时间和转向、相数做必要的显示。我们考虑有以下两种显示方案。方案一: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
12、,分辨率高,抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字,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。方案二:在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。静态显示,电路图中所示。显示器由9个共阳极数码管组成。输入只有两个信号,它们是串行数据线
13、DIN和移位信号CLK。9个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连,每片的并行输出作为LED数码管的段码74LS164的引脚图如图6所示:图674LS164为8位串入并出移位寄存器,1、2为串行输入端,Q0-Q7为并行输出端,CLK为移位时钟脉冲上升沿移入一位;MR为清零端,低电平时并行输出为零。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对显示、抢答、音乐、计分等。控制器的选择有以下两钟方案。方案一: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
14、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。方案二:采用ATMEL公司的AT89C51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。3.3 电源方案的选择
15、系统需要多个电源,AT89C51使用5V稳压电源,驱动芯片需要5-50V电压驱动,步进电机等需要12V稳压电源。方案一: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和12V的稳压输出。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。方案二:采用三端稳压集成7805与7812分别得到5V和12V的稳定电压。利用该方法方便简单,工作稳定可靠。综上所述,选择方案二,采用三端稳压器电路。3.4 枪答器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
16、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。方案一: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,键盘接口使用了8根I/O口线,该键盘就有8个按键,这种类型的键盘,其按键比较少,且键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7。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
17、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。方案二: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
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