毕业设计基于单片机人体反应速度测试仪.docx
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毕业设计基于单片机人体反应速度测试仪
工学院
毕业设计报告
题目：
基于单片机人体反应速度测试仪
院系：
信息与控制学院（黑三）
专业：
通信工程（黑三）
班级学号：
09304107（黑三）
学生：
三（黑三）
指导教师：
（黑三）
成绩：
2014年06月25日
摘要
本文是基于单片机人体反应速度测试描述，通过单片机测试人的反应速度。
在本设计中以AT89S52单片机为核心的人体反应速度测试仪，主要通过控制测试灯的状态，在测试按键的状态来间接计算人体反应速度。
正常情况下系统运行主程序一直处于空闲等待状态，知道测试者按下按键后，LED测试灯立即点亮。
AT89S52单片机在LED测试灯亮的同时开始计算一个随机时间，在一段随机时间结束后，AT89S52单片机把LED测试灯熄灭，并开始计时灯灭与测试者放开按键的时间差，此计时时间用于纪录被测试者的反应时间，并以毫秒为时间单位在4位数码管上显示。
如果在LED测试灯灭之前提前放开测试按键，则显示9999作为出错信息。
设计中采用AT89S52单片机，其以高性能低价格的优势成为全球使用围最广泛的单片机之一；显示部分采用LED数码管的显示方式，本套系统在不影响其测试性能的情况下，大大的节省了设计成本，是性价比较高的一款人体反应测试议。
和其他测试仪相比具有明显的价格竞争优势；同时，本设计作品的使用方法简单，只需按下按键即可完成测试，方便测试人员的测试使用。
关键词：
单片机；反应速度；AT89S52；LED；数码管
Abstract
Thisarticleisbasedonsinglechipmicrocomputerhumanreactionspeedtestsdescribed,throughthesinglechipmicrocomputertestresponsespeed.AT89S52MCUasthecoreinthedesignofthehumanbodyreactionvelocitytester,mainlybycontrollingthestateofthetestlamp,inthestateofthetestbuttontoindirectcalculationofhumanbodyreactionspeed.Systemnormaloperationofthemainprogramhasbeenidlewaitingstate,knowthetesterafterpressthebutton,theLEDtestlamplightupimmediately.AT89S52singlechipmicrocomputerinLEDtotestthelightsatthesametimebegantocalculatearandomtime,attheendofarandomtime,AT89S52singlechipmicrocomputertesttheLEDlights,andstarttiminglightsandtestersreleasebuttonlag,thistimerisusedtorecordthesubject'sreactiontime,andinmillisecondsastheunitoftimeinthefourdigitaltubedisplay.IftheLEDtestbeforethelightswentoutearlyreleasetestbutton,9999astheerrormessageisdisplayed.
DesignUSESAT89S52singlechipmicrocomputer,itstohighperformancelowpriceadvantagetobecomeoneoftheworldscopethemostwidelyusedmicrocontroller;DisplaypartadoptsLEDdigitaltubedisplay,thissetofsysteminthecaseofdoesnotaffectthetestperformance,greatlysavethedesigncost,isthehighcostperformanceofahumanreactiontest.Comparedwithothertesterhasobviouspricecompetitiveadvantage;Atthesametime,theuseofthisdesignmethodissimple,justpressthebuttontocompletethetest,theconvenienceforthetester'stest.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;ReactionSpeed;AT89S52;LED;Digitaltube
1硬件部分设计1
1.1硬件结构设计2
1.2硬件电路设计3
1.2.1硬件模块选择3
1.2.2硬件模块设计3
1.2.3控制计算公式5
2软件部分设计6
2.1开发环境7
2.2主体程序设计7
2.2.1主程序设计7
2.2.2中断程序设计7
3系统测试8
3.1软件测试8
3.2硬件测试8
结论9
参考文献10
附录A12
附录B13
附录C14
1硬件部分设计
本项目以AT89S52单片机为核心，实现对人体反应速度的测试，主要控制测试灯的状态，通过测试按键的状态来间接计算人体反应速度。
正常情况下系统一直处于空闲等待状态，直到测试者按下按键后，LED测试灯立即点亮。
AT89S52单片机在LED测试灯亮的同时开始计算一个随机时间，在一段随机时间结束后，AT89S52单片机把LED测试灯熄灭，并开始计时灯灭与测试者放开按键的时间差，此计时时间用于纪录被测试者的反应时间，并以毫秒为时间单位在4位数码管上显示。
如果在LED测试灯灭之前提前放开测试按键，则显示9999作为出错信息。
整体系统框图如图1.1所示。
图1.1单片机引脚图
1.1硬件结构设计
1.1.1AT89S52单片机的介绍
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器、计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。
与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz 、 三级加密程序存储器 、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
单片机引脚图如图1.2所示。
图1.2AT89S52单片机引脚图
1.1.2LED发光二极管的特性
（1）发光响应快，亮度强，高频特性好；而且随着材料的不同，数码管还能发出红、黄、绿、蓝、橙等多种颜色的光。
（2）机械性能好，体积小，重量轻，价格低廉；能与COMS和TTL电路配合使用；使用寿命长。
（3）工作电压低，驱动电流适中。
每段电流为5~10mA，一只数码管的7段LED全亮需要电流35~70mA。
这样打的电流需要由驱动电路提供，因此，使用时要注意数码管的驱动问题。
在使用中，为了给发光二极管加驱动电压，他们应有一个公共的引脚，公共的引脚有如下两种方法：
一、共阴极接法。
把发光二极管的阴极连接在一起构成阴极公共引脚，使用时公共引脚接地，这样阳极引脚上加高电平的发光二极管就导通点亮，而加低电平的则不亮。
二、共阳极接法。
把发光二极管的阳极连接在一起作为阳极公共引脚，使用时阳极公共引脚接+5V。
这样阴极引脚上加低电平的发光二极管即可导通点亮，二加高电平的则点不亮。
1.1.3LED数码管显示器显示原理
并排使用的多位数码管成为LED显示器。
LED显示器多采用动态显示方式，全部数码管共用一套段码驱动电路，各位数码管的同段引脚短接后再接到对应段码的驱动线上。
显示时通过位控制信号采用扫描的方法逐位地循环点亮各位数码管。
动态显示虽然在任一时刻只有一位数码管被点亮，但是由于人眼具有的视觉残留效应，看起来与全部数码管持续点亮的效果完全一样。
LED显示器的动态显示需要为各位提供段码以及相应的位控制，此即通常所说的段控和位控。
把LED显示器段码表预先存放在存储器中，使用时通过查表就可以得到段码。
段码输出后送到公共端码线上，也可称为段控信号。
而通过并行口输出的相互独立的位码则是起选通作用的，也称位控活扫描信号，用于选择显示位。
动态显示具有硬件简单，功耗低和显示灵活性强等优点，但动态显示增加了驱动软件的复杂性，且显示亮度较低。
1.2硬件电路设计
LED数码管的显示电路中采用动态数码管显示，在其中P0端口控制段码，低电平有效，P2.0~P2.3端口控制位码，高电平有效。
P2.3端口控制第1个数码管，P2.2端口控制第2个数码管，P2.1端口控制第3个数码管，P2.0端口控制第4个数码管。
各个数码管的段码都是P0端口的输出，即各个数码管输入的段码都是一样的，为了使其分别显示不同的数字，可采用动态扫描的方式，即先只让最低位显示0，经过一段延时，再只让次低位显示1，以此类推。
由于视觉暂留，只要延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常稳定清楚。
1.2.1硬件模块选择
硬件总体连接，用一只发光二极管模拟测试灯，以AT89S52单片机的P1.0端口控制这只发光二极管、发光二极管加限流电阻+5V电源，P1.0端口输出低电平时，测试灯亮，输出高电平时，测试灯灭。
P1.1端口接测试按键，P0端口控制LED数码管的七段数码显示，P2.0~P2.3控制4位数码管的选位。
本项目中的店铺单片机采用目前使用最广泛、成本最低廉的AT89S52，其性能在本设计中完全足够。
为了焊接上的方便，本设计中的LED数码管显示器采用四位共阳数码管。
数码管的共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图所示。
图中的8个LED分别与上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。
数码管的部示意图如图1.3所示。
图1.3数码管的部示意图
1.2.2硬件模块设计
1.单片机系统电路设计
单片机系统的设计主要包括单片机的电源设计、单片机时钟电路设计、单片机复位电路设计等。
时钟电路中采用11.0592MHz的晶振作为系统时钟，单片机复位电路采用上电自动复位和按键手动复位两种方式，在51单片机中单片机的复位都是采用高电平复位方式。
单片机最小系统图如图1.4所示。
图1.4单片机最小系统图
2.按键和指示灯设计
本设计的方案是通过人体去按下按键，由人体按下与松开按键的时间开判断人体反应速度的，所以设计中必须设计按键电路，为了操作者操作更明了，设计中增加了一个LED发光二极管作为按键指示。
设计电路如图1.5所示。
图1.5LED指示灯及按键电路图
3.数码管驱动设计
本设计中由于采用的是三寸共阳LED数码管显示器，所需的驱动电流不大，在本项目中采用低成本的8550PNP型三极管作为数码管的驱动，为了限制电流，防止电流过大对数码管烧坏，设计中在数码管的段选端分别串上一个100欧姆的电阻，数码管的驱动如图1.6所示。
图1.6数码管驱动电路图
1.2.3控制计算公式
在本系统中的计算主要是针对人体反应速度的计算。
在测试者按下按键后，LED测试灯立即点亮，在灯亮一个随机时间后就通过单片机控制灯灭，这时单片机定时器就开始计时，定时器初始值为Time1；在测试者看到LED灯灭时就释放按键，此时定时器的值为Time2，通过计算灯灭与测试者放开按键的时间差，得出测试者的反应速度。
具体计算公式如式（1.1）
V测试=Time2-Time1（1.1）
式中V测试为反应速度。
2软件部分设计
本系统使用AT89C51作为控制的单片机芯片，软件设计主要分为系统初始化、振铃检测计数、控制摘挂机、双音频信号分析处理、控制电器、密码处理（包括密码检测和密码修改）、信号音提示等部分，每个功能模块对于整体设计都是非常重要的，单片机AT89C51通过软件程序才能很好的对外部的信息进行采集、分析和决策。
系统的主程序流程图如图2.1所示。
图2.1主程序流程图
2.1开发环境
本设计采用KeilSoftware公司出品的集成开发环境进行编程，其版本为KeilμVision4。
KeilμVision4是2009年2月发布的最新版本，是针对Windows桌面平台所研发的一套完整的集成开发环境，具有可视化、灵活的Windows窗口管理。
该软件不仅给用户提供了丰富的库函数，而且提供了功能强大的开发测试工具；既支持C语言编程，也支持汇编语言编程；可以完成编辑、编译、连接、测试、仿真等整个开发流程；此外，在程序被编译之后，即可生成相应的汇编语言代码，使用户可以切身感觉到该款软件的生成目标的代码效率是相当高的，并且多数语句生成的汇编代码更为紧凑和容易理解，进而使得编程效率更为高效。
2.2主体程序设计
主程序采用查询方式，当按下T89S52单片机为核心的人体反应速度测试仪，主要控制测试灯的状态，通过测试按键的状态来间接计算人体反应速度。
正常情况下系统运行主程序一直处于空闲等待状态，知道测试者按下按键后，LED测试灯立即点亮。
AT89S52单片机在LED测试灯亮的同时开始计算一个随机时间，在一段随机时间结束后，AT89S52单片机把LED测试灯熄灭，并开始计时灯灭与测试者放开按键的时间差，此计时时间用于纪录被测试者的反应时间，并以毫秒为时间单位在4位数码管上显示。
如果在LED测试灯灭之前提前放开测试按键，则显示9999作为出错信息。
2.2.1设计流程
当整个系统上电时，进行一系列的初始化，初始化完毕后则通过查询的方式等待按键按下，当按键按下后LED测试灯立即点亮，同时单片机通过一个函数开始计算一个随机时间，在一段随机时间结束后，AT89S52单片机把LED测试灯熄灭，并开始计时灯灭与测试者放开按键的时间差，此计时时间用于纪录被测试者的反应时间，并以毫秒为时间单位在4位数码管上显示。
如果在LED测试灯灭之前提前放开测试按键，则显示9999作为出错信息。
2.2.2初始化编程
单片机上电后将首先进行的就是初始化，其中硬件初始化包括LED指示灯IO口的初始化、按键接口的初始化、LED数码管控制引脚的初始化；软件初始化包括中断的初始化、定时器的初始化等等。
2.2.2中断程序设计
定时器的定时时间是20ms，用作扫描数码管显示，在定时器开启时，定时器开始定时，此时主程序正常运行，当定时器的定时时间到时，主程序不在执行，开始进入中断程序，在中断程序中，若计时了1s就对时间进行处理且计数标志清零，赋值给相应的变量且second减1，若没有则计数标志count就进行加1，若倒计时的时间为零则重新赋值，中断程序执行完后返回主程序。
中断程序流程图如图2.2所示。
图2.2中断程序流程图
3系统测试
按照设计程序的分析，LED数码管的动态扫描的频率是1000HZ，在实际使用时完全没有闪烁。
在程序中，定时器20ms中断一次，变量 sec100自增，中断100次时，秒的显示自增，用定时器来定时，准确。
另外，用按键来开启定时器，按键具有暂停的功能。
当数码管上出现提示信息时，反应者按下按键，就可以测量出反应时间，并在数码管上显示出来。
按照正常的设计理念，整个系统是能够正常工作的。
3.1软件测试
软件调试是利用仿真工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可发现硬件故障。
由于我的P0.0~P0.7接A0~A7在电路中接反了，故将数码管的码表进行修改，然后才成功的。
3.2硬件测试
硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。
具体步骤如下：
（1）先排除硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障，一般原则是先静态后动态。
（2）利用万用表或逻辑测试仪器，检查电路中的各器件以及引脚是否连接正确，是否有短路故障。
发现有些焊点连到了一起，造成了短路，然后进行了修改。
（3）先将单片机AT89S52芯片取下，对电路板进行通电检查，通过观察看是没有异常，然后用万用表测试各电源电压，这些都没有问题，接上仿真机进行联机调试观察到各接口线路均正常。
该系统由5V电源来驱动，上电后，整机工作电流为65mA，电流稳定无大的波动。
经过测试与分析，此系统稳定可用。
结论
本文研究与设计的人体反应测试仪采用了通用的电子元器件，利用AT89S52单片机及相关的外围器件实现人体反应测试仪，利用单片机的定时器以及外部中断的原理，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测试结果。
控制程序的单片机部分利用C语言编写。
设计时，首先通过在线编程，然后具体焊接硬件作品、仿真，完全实现了设计功能。
本设计中，利用常规的数码管扫描方法，通过硬件电路的具体应用和系统的仿真研究得出，本设计不仅安装简单、成本低，更重要的是工作性能稳定，是一个实用、创新型的工程设计。
通过这次的毕业设计，我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使自己的动手能力和思考问题的能力得到了很大的提高。
在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高，知识的储备量也有所增加。
在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在离校之前得到了巩固。
我认为这是我在整个设计工程中得到的最好的回报。
整个设计通过了软件和硬件上的调试、仿真。
我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。
对于单片机设计，
其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题。
而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。
它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程部分时间是用在程序上面的。
可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。
但是，通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。
在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的计算机应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。
而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！
同时，该设计也有不足之处，缺少了答题计分等功能。
我将会在以后的学习中继续学习。
参考文献
[1]居义，尧，晓琴.单片机课程设计指导[M].：
清华大学，2009
[2]广弟，单片机基础（第3版）[M].：
航空航天大学，2007
[3]朝青，单片机原理及接口技术[M].：
航天航空大学出版色，2001
[4]家健，柏荣，汪志锋.单片机原理及应用技术[M].：
高等教育，2003
[5]潭浩强，C语言程序设计[M].：
清华大学，2005
[6]华，东.MCS51/98系列单片机原理与应用[M].：
机械工业，1997
附录A
整个系统电路原理图：
附录B
硬件实物图：
附录C
//描 述：
读取按键
byte bot（void） //读取按键，有按键被按下则返回0，否则返回1
{
if（key==0）return 0; else return 1;
}
//描 述：
将缓存区display[]中的整数译码后用数码管进行显示
void display（word ms） //数码管上的显示反应时间
{
byte posi=0x01,i,j,temp;
disp[3]=ms/1000; //1s
disp[2]=（ms%1000）/100; //100ms
disp[1]=（ms%100）/10; //10ms
disp[0]=ms%10; //1ms
for（i=0;i<4;i++） //数码管显示
{
temp=disp[i];
temp=table[temp];
for（j=0;j<200;j++） //延时
{
P2=posi; //显示xxxx秒形式
P0=temp;
}
posi*=2;
}
}
//描 述：
调用系统随机函数
unsigned long random（void） //生成随机数
{
word rt; byte k=0;
srand （50000）; //种下随机数种子，围0-50000
rt=rand（）; //生成随机熟
rt=rt*rand（）; //使随机数足够大，能够延时足够时间
return rt;
}
//描述：
定时器初始化子程序
void INIT_TMR1（void）
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