单片机六路抢答器设计Word文档下载推荐.docx
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在我们以前所学习课程中，根据所学知识来设计数字此电路。
电路中主要功能模块是单片机、电源模块、上位机等。
在学习了数字电子技术基础前提下，我们基本可以独立理解和分析电路，能够了解AT89S51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基本功用和应注意问题。
六路抢答器制作
摘要：
文章首先介绍了系统设计方案思路及原理图，进而阐明了设计6路抢答器系统意义。
单片机AT89S51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及控制器之间通讯情况以及该系统PCB板制作。
关键词：
电子；
抢答器；
单片机；
输入；
编程；
调试；
Alltheproduction.Responder
Abstract:
thispaperintroducedthedesignideasandsystem,andillustratestheprinciplediagramdesign6roadsystem.ResponderAT8920C51MCUcontrolcircuitchipanditsperipherals,digitaldisplaycircuit,controlcircuitanditssurroundingcircuit,voicecircuits,softwareforsomespecificpart.Thesystemadoptssinglechipcommunicationmode,thispaperalsointroducesmicrocontrollerinterfaceandthecontrollerofthecommunicationbetweenthesystemandthePCBproduction.
Keywords:
electronic,Viestoanswerfirst,SCM,Input,Programming,Debugging,
第1章系统概述及原理方框图
在本章中，我们对四路抢答器总体设计及其主要功能特点进行简单分析，并给出它特点，实现功能以及系统简单操作，以对单片机及其控制系统了解。
随着电子产品广泛应用，单片机应用领域相当广泛，如仪器仪表、家电、机电一体化、产品研发及开发等行业，都可以是单片机设计人员就业、提升、创业之所。
单片机领域发展状况
目前单片机已渗透到我们生活各个领域，几乎很难找到没有单片机足迹领域。
导弹导航装置，飞机上各种仪表控制，计算机网络通讯及数据传输，工业自动化过程实时控制和数据处理，广泛使用各种智能IC卡，民用豪华轿车安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说全自动控制领域机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机学习、开发及应用将造就一批计算机应用及智能化控制工程师和科学家。
科技越发达，智能化东西就越多。
因此学习单片机是社会发展必然需求。
据统计，我国单片机年需求量已达1-3亿片，且以每年大约16%速度增长，但相对于世界市场我国占有率还不到1%。
特别是沿海地区电子厂，在不断向内地市场辐射进程中，多数产品所用单片机需求量骤增。
鉴于单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔前景，足以让我们确信培养单片机应用人才，特别是工程技术中普及单片机知识有着极为重要现实意义。
单片机领域人才缺口
据调查目前我国单片机从业人员只有140万人。
随着社会发展，单片机从业人员将更为抢手。
据不完全统计，到2010年，我国单片机设计从业人员将达300万人之多。
目前我国单片机设计人才培养途径有三个：
一是高校，像北大、清华、浙大、上海交大等。
一个学校一年也就培养百十来人，加之，培养出来学生不能做到毕业就上岗，得经过一段时间实习培训，人才有限。
二是设计公司自己培养。
三是国外留学归来人才。
CHC全国高科技教工委教育技术专业委员会委托全国职业教育技术专业人才评审委员会推出单片机设计人员职业岗位培训合格证书项目正是迎合单片机市场需求，解决燃眉之急。
单片机设计人员职业岗位培训合格证书项目正是迎合单片机市场需求，解决燃眉之急。
1.1.1单片机名称由来
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU专用处理器发展而来。
最早设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂而对体积要求严格控制设备当中。
INTELZ80是最早按照这种思想设计出处理器，从此以后，单片机和专用处理器发展便分道扬镳。
早期单片机都是8位或4位。
其中最成功是INTEL8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来ARM系列广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机高端地位，并且进入主流市场。
而传统8位单片机性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期专用处理器，而普通型号出厂价格跌落至1美元，最高端型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用嵌入式操作系统被广泛应用在全系列单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理高端单片机甚至可以直接使用专用Windows和Linux操作系统。
1.1.2单片机技术发展历史
将8位单片机推出作为起点，单片机发展历史大致可分为以下几个阶段
（1）第一阶段（1976-1978）:
单片机控索阶段。
以Intel公司MCS–48为代表。
MCS–48推出是在工控领域控索，参及这一控索公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意效果。
这就是SCM诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善、典型单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型通用总线型单片机体系结构。
①完善外部总线。
MCS-51设置了经典8位单片机总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能串行通信接口。
②CPU外围功能单元集中管理模式。
③体现工控特性位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能指令。
（3）第三阶段（1982-1990）:
8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段，也是单片机向微控制器发展阶段。
Intel公司推出MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机微控制器特征。
随着MCS–51系列广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制特征。
（4）第四阶段（1990-）:
微控制器全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价专用型单片机。
（资料来源于网络）
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）可反复擦写1000次Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
为了使设计更具有针对性，使用性更强，我对们其进行精心设计，在设计过程中，我们想到了很多设计方案。
1．3．1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，他们编号分别为0,1,2…N-1,各用一个抢答器按钮,按钮编号及选手编号相对应,分别设为S0,S1…SN-1。
节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统清零和抢答器开始。
并且抢答器具有数据锁存和显示功能，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，优先抢答选手编号一直保持到主持人将系统清零为止。
1．3.2总体方框图
系统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。
但是其也有很大缺点，比如不能按到多次，且手动输入时间不能太长，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，因此我们采用以下方法。
利用单片机AT89S51，它是一种性能优良集成可编程单片机，其功能十分强大，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控制系统。
这样可以降低设计出来产品硬件成本，通过编程快速实现对不同密码值输出及控制。
多路抢答器系统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，声音输出以及对电脑串口通信等。
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。
主要系统电路有：
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。
该系统主要特点有：
⑴该产品互换性好，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该系统能用软件方式设计硬件，所以用软件方式设计系统向硬件系统转换是由有关开发软件自动完成，易操作。
⑶具有具体数字显示功能。
⑷可以从以前组合设计转向真正自由设计，所以设计移植性好，效率高。
可适合大规模现场制作。
⑸利用按钮进行输入，输入简单。
⑹具有智能报警功能，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章系统硬件设计
为使6路报警器能够具有更好实用性，并且具有更高性能，我们对该系统硬件进行精心设计。
在设计过程中，为了能掌握电路设计基本方法和步骤，论文首先对一些电源整流滤波和稳压电路一些参数进行分析及比较，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AT89S51工作原理及外围电路设计情况。
该系统硬件设计采用了整体系统设计方法。
按实现功能来分，可分为以下几个部分。
其中，AT89S51单片机是整个电路核心，它控制其他模块来完成各种复杂操作。
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设计及分析
在设计整个抢答器整个系统之前，我们应该先设计一个高精度电源，而我们首先对整流，滤波及稳压电路工作原理及其一些基本参数进行分析。
再根据其性质对电子密码锁电源进行精心设计。
2.1.1．整流电路工作原理及其参数分析
整流是把交流电变换成直流电过程，它基本原理是利用了晶体二极管单向导电特性。
整流电路负载上直流电压就是输出脉动电压平均值。
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峰值，Ui为其有效值。
桥式整流电路及信号输入、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）及（4）可知：
桥式整流电路输出直流电压比半波整流高一倍。
为了衡量整流电源这一特性好坏，常用纹波因数来表示。
即：
越小，输出脉动越小，表示整流电源性能越好。
2.1.2滤波电路工作原理及其参数分析
虽然整流电路输出电压包含一定直流成分，但脉动较大，须经过滤波才能得到较平滑直流电压。
常用滤波器有C型、型、型。
本实验只研究C型及（RC）型滤波器。
C2=100F，RL=1k，R=100）
经过电容滤波作用后，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峰值Uim，其输出直流电压范围为：
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集成稳压电路设计
经整流、滤波后产生直流电源，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，其对换气扇控制是通过继电器来完成。
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，因此在后面安装过程中，我们特别小心）。
2.1.4电源电路元件参数选择
⑴滤波电容选择
滤波电容C大小取决于放电回路时间常数。
RLC越大，输出电压脉动就越小。
作为滤波电路，电容容量越大越好，但容量越大电容其成本越高，使得设计出来整流电路生产成本也增高，为了达到在满足要求前提下，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（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容量：
C≥（3～5）T/RL=（3～5）0.02/RL
⑵整流二极管选择
当滤波电容进入稳定工作时，电路充电电流平均值等于放电电流平均值，因此，二极管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，二极管最高反向工作电压为：
URM≥1.414U=1.414×
9=12.7V
通过查找二极管参数手册，我们选择1N4007，其反向耐压为1000V，工作电流为1A，可以满足本系统要求。
⑶电源变压器选择
对于变压器选择，主要是对变压器功率和次级电压确定。
由式UO=（0.9~1.4）Ui
这里Ui是变压器次级输出电压，由上式可知：
Ui=UO÷
0.9=10V
系统功率为:
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电阻
因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定电压是十分重要，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环境都能正常工作。
第2.2节中央控制器---AT89S51
AT89S51-主要性能特点
1、4kBytesFlash片内程序存储器；
2、128bytes随机存取数据存储器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5、6个中断源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片内振荡器和时钟电路；
10、及MCS-51兼容；
11、全静态工作：
0Hz-33MHz；
12、三级程序存储器保密锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗闲置和掉电模式。
AT89S51-管脚说明
VCC：
电源电压输入端。
GND：
电源地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
PDIP封装AT89S51管脚图
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉缘故。
P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（T0定时器外部计数输入）
P3.5T1（T1定时器外部计数输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓读端口及读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部数据读入到内部总线。
89C51P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。
除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他功能。
RST：
复位输入端，高电平有效。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。
ALE/PROG：
地址锁存允许/编程脉冲信号端。
当访问外部存储器时，地址锁存允许输出电平用于锁存地址低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。
因此它可用作对外部输出脉冲或用于定时目。
然而要注意是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器选通信号，低电平有效。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
外部程序存储器访问允许。
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器输入端。
XTAL2：
片内振荡器反相放大器输出端。
2.2.2时钟电路设计及工作原理分析
8031/8051单片机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、快速起振作用，其电容值一般在5-30pF。
晶振频率典型值为12MHz，采用6MHz情况也比较多。
内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。
外部振荡方式是把外部已有时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机时钟及外部信号保持同步。
外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。
为了提高输入电路驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻TTL反相门后接入XTAL2。
2.2.3、单片机基本时序单位介绍
单片机以晶体振荡器振荡周期（或外部引入时钟周期）为最小时序单位，片内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
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