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基于单片机的现象投票计的设计
摘要
本设计主要是基于AT89C51单片机设计的投票计。
它最多可以实现99人的投票选举表决。
本设计采用键盘接口完成按键扫描编码工作，其专用芯片为74C922，之后再通过AT89C51芯片来采集信息，连接显示器设备，不仅可以有效的统计投票表决的结果，还可采用四联数码管显示显示弃权和不同意、同意这三项相对应的数字。
该投票计设有上下翻查键，在投票期间或投票结束，可以通过上下翻键查看其投票结果。
该投票计使用一个按键开关控制开始投票，终止投票和清零。
投票开始后本投票计能够限制每人能且仅能投一次票，多投无效。
同时有LED和允许投票按键来控制投票的有效性。
另外，系统有一个红色的功能按键，负责启动和清除数据，投票结束后按下复位键，即可用于其它场合的投票。
在设计过程中，利用Proteus软件，在PC上自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能来完成输出硬件设计、系统调试和电路分析部分，同时利用Keil软件平台编制程序，进行下一步的编译和仿真，从而完成系统软件设计部分。
利用Proteus软件与Keil软件这两个软件进行整合，构建单片机虚拟实验平台，可以充分的提高设计的模拟以及验证设计的正确性。
关键词：
单片机，投票计，统计，显示器。
Abstract
ThisdesignisakindofvotingmachinemainlybasedonthedesignofthesinglechipofAT89C51.Itcancompletethevoteofatmost99personsandfinishthekeycodedscanningbyadoptingspecialkeyboardinterfacechip74C922.ThenitcancollectinformationthroughchipAT89C51.Afterconnectingthemonitor,itnotonlycanfinishthevotecountingtask,butalsocanshowtheattitudeofagree,disagreeandabstentionthroughtherelevantnumbersdisplayedbyfour-upnixietube.Peoplecancheckthevotingresultusingtheup-and-downsearchingbuttonduringthevotingprocessorafterthevotingended.Thisvotingmachineusesakeyswitchtocontrolthestart,terminationandtheresetofvoting.Whenthevotingbegins,everybodyisonlyallowedtovoteonce.Atthesametime,thevotingvalidityiscontrolledbytheLEDandtheallow-votingbutton.What’smore,thissystemincludesaredfunctionkey,whichisinchargeofstartingandclearingdata.Presstheresetkeywhenthevotingfinished,peoplecanusethisvotingmachineinanothervotingoccasion.InthedesignprocessusingProteussoftwarebuiltonPChardwarecircuit,andusethesystemtoprovidethefunctionofthecompletecircuitanalysis,systemdebugging,andoutputhardwaredesignpartofreality,intheKeilsoftwareprogrammingatthesametime,correspondingcompilationandsimulation,thesoftwaredesignpartofthecompletesystem.ProteussoftwareintegratedwithKeilsoftwarewasusedtoconstructsingle-chipvirtualexperimentplatform,isconducivetothecorrectnessofthesimulationandverificationofdesign.
Keywords:
singlechipmicrocomputer,voting,simulationsoftware,display.
1绪言
1.1设计背景
随着时代的不断发展，科技带动各方面技术的发展，其中包括计算机技术，而建立在计算机基础上单片机技术也得到了相应的发展，并且广泛应用于生活中的各个领域，例如在民用，工用，医用等众多领域上都有所应用。
单片机的出现具有一定的时代意义[1]，可以说是一场体积技术革命，它的出现使得很多复杂的电路和高成本电子元件被取代，取而代之的是一块体积小的芯片，使得现在很多科技产品的体积越来越小，携带越来越方便，在很大程度上促进了社会的发展。
目前在我们生活中得以广泛使用的各种智能卡、数码产品，工业自动化过程中的实时控制和数据处理，甚至是军用设备中涉及到的重要系统控制也离不开单片机。
正因为单片机技术应用范围十分的广阔，因此单片机技术的研究十分重要。
为此，国内外有很多学者倾心研究单片机技术，就现阶段而言，单片机技术已经获得了较大的发展。
单片机技术目前应用最常见最多的地方莫过于运用在投票计中，现在无论是公司竞选，学生班干部的选举，文娱节目，还是国家大型选举等众多地方都经常会用到投票器，尽管这些投票器样式和外观各式各样，功能或多或少，不尽相同，但它们的原理却是大同小异。
投票器,是投票反馈系统的终端设备[2]，它能够代替常规会议、会议和民主选举中的举手表决、举手投票和举手选举的一种装置。
随着现代社会的不断发展，高效无疑成为了人们追求的目标，在这样的社会发展下人为投票就显得不那么快捷和公平了。
为了投票的公平公正以及提高投票时的效率，在这样的情况下出现了投票计这样科技产品。
通过设计的研究，我们可以加深到对单片机技术了解和掌握，了解单片机的发展趋势以及应用前景，也可以在社会主义经济的高速发展道路上，能够大步向前，为此做出相应的贡献。
现在最常用的投票器系统主要由：
基站，软件，终端设备三大部分组成[3]。
可以实现实名投票与非实名投票，并且统计相应的结果。
投票计基本都具有“赞同”“反对”或者“弃权”等几种表决状态，相应的投票结果会在电脑中记录并实时显示的屏幕上，从而公平公正的展现出来。
目前，投票器基本分为两大类
1.有线投票器
2.无线投票器
随着时代的发展，有线投票器越来越不适用也越来越不方便，无线技术应运而生，有线投票器逐渐退出市场，无线投票器逐渐渗入人们的生活，并且的得到了广泛的推广与应用。
1.2研究此课题的目的和意义
投票器是人们日常生活工作中较为常见的。
无论在任何地方，如乡村干部的选举、公司项目的投标还是国家管理人员的选举和重大事件的表决都经常会因为征求大家的意见进行投票，但每次投票都很麻烦。
一般的投票选举流程是：
第一步发放纸条，第二步在纸条上写好表决意见或者是候选人名字，第三步收集纸质票、唱票、统票，得出统计结果。
这样的选举流程往往不是公平公正的，存在一些弄虚作假，而且效率不高，且浪费了很多的时间与精力。
随着现代微控制器、传感器技术和电子技术这三大技术的发展[4]，专家以及学者对投票器的研究和开发也越来越深入，投票计的功能也越来越强大，用途也越来越广泛。
利用单片机技术的投票器具备功能强大、成本低廉、通用性强等特点，正在迅速地普及到各种场合。
特别是在各式各样的选举活动中，投票器更必备的设备之一。
传统的投票方式主要有两种，一种是是举手表决，另外一种纸质投票。
而现在的投票方式多采用投票器技术与外部显示器系统连用，它是一种能够代替常规会议、会议和民主选举中的举手表决、举手投票和举手选举的一种装置。
随着社会的发展，人们越来越注重办事的效率，以及投票选举和表决的公平和公正，因此采用现代化技术实现科学选举具有重要的意义，它不仅可以保证投票的有效性，还能够提高投票的效率，确保选举快速公平公正有序的进行。
1.3国内外发展水平
投票计是现今人们生活中常见的一种意见表决器，现在运用的投票计包括有线投票计和无线投票计两种，自从2002年来第一个无线投票产品的出现，进一步促进了投票计的发展，使得投票计走上了更高的舞台。
现今无线投票计的信号传输采用的是双向数字RF无线通讯技术，不仅提高投票计的使用方便性，而且有助于投票信号的稳定传输更是提高了信号的传输速度。
现今运用的投票计具有很多优点也有很多缺点：
优点就是抗干扰能力强，能够多套同时配合使用，投票计体积小便于携带，使用时也很方便；缺点就是投票计的信号传输范围有限，同一台投票计的功能单一，投票计系统的容量的扩充具有局限性，电源使用时间短。
无论是国内还国外投票计的种类多非常的众多，结果显示也具有多样性，已经运用到了众多行业和企事业单位。
随着时代的发展，网络的普及和深入，投票已经不仅仅只限于会场上的投票，投票方式已经逐渐的走向了多元化。
例如美国总统选举就采用电子投票。
在2005年之前，国内并没有专业的投票网站，在新浪、网易下面有一些简单的投票的设置，但是都很简单，并不能满足人们的需求。
目前在市场上出现了一种名叫Quipol的应用，它是一个可以在网站上放置投票插件的网络应用，现如今主要用在微博等公众平台上，它能够简单快速的听取读者的声音，同时它简单的设置和定制模板又使得广大网民的喜爱。
随着网络的普及，网络也越来越深入人们的生活，关于在线投票技术的发展前景，被很多国内外的商家看重，并且花费巨资来开发和完善在线投票技术，例如微软公司目前投入4000万美元给在线投票公司，支持在线投票技术的发展。
1.4本设计主要做的工作
本设计主要是基于AT89C51单片机设计的投票计。
它最多可以实现99人的投票选举表决。
本设计采用键盘接口完成按键扫描编码工作，其专用芯片为74C922，之后再通过AT89C51芯片来采集信息，连接显示器设备，不仅可以有效的统计投票表决的结果，还可采用四联数码管显示显示弃权和不同意、同意这三项相对应的数字。
该投票计设有上下翻查键，在投票期间或投票结束，可以通过上下翻键查看其投票结果。
该投票计使用一个按键开关控制开始投票，终止投票和清零。
投票开始后本投票计能够限制每人能且仅能投一次票，多投无效。
同时有LED和允许投票按键来控制投票的有效性。
在设计中主要研究方案的可行性并对比可行性方案的优点，同时对整个系统的设计进行介绍，并对整个系统的所用芯片进行详细介绍和具体设计，在设计过程中，同时利用Proteus软件，在PC上自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能来完成输出硬件设计、系统调试和电路分析部分，同时利用Keil软件平台编制程序，进行下一步的编译和仿真，从而完成系统软件设计部分。
最后整个投票计的设计是以AT89C51单片机为核心，通过键盘电路控制信号通过单片机的I/O口进行投票，并在单片机中处理投票信号结果在通过LED数码管显示相关结果。
并以发光二级管的亮灭来显示输入信号的有效性，最终通过复位电路来复位单片机结束此次投票。
总结论文中的不足并且提出相关不足的改进方案，从这次论文中提高自己的思维方式，让自己能更好的设计整个论文并完成相关工作，提高自己的理论知识好动手能力。
2系统设计方案
2.1设计要求
在各种电子产品中单片机的应用已经越来越广泛，在这样的情况下我设计一款基于单片机现象的投票计，针对多路数据采集系统的要求提出了以下的方案：
设计一款能进行投票和统计票数的投票设备，
（1）设计一个投票系统，具有计票显示功能；
（2）可实现多人同时进行投票并将票数结果在显示器上显示出来；
（3）使用一个按键开关控制开始投票，终止投票和清零；
（4）投票开始后每人能且仅能投一次票，多投无效；
（5）每个投票计都设有同意、不同意、弃权三个按钮，采用单片机分别统计按这三种键的人数，并使用LED数码管，以动态显示方式分别显示同意和反对（不同意和弃权一起认为是反对）两种投票结果。
（6）设有复位键。
（7）本系统工作电压为直流5V。
（8）开机显示“--”。
2.2设计方案及设计框图
整个投票计的设计是以AT89C51单片机为核心，通过键盘电路控制信号通过单片机的I/O口进行投票，并在单片机中处理投票信号结果在通过LED数码管显示相关结果。
并以发光二级管的亮灭来显示输入信号的有效性，最终通过复位电路来复位单片机结束此次投票。
总体设计框图如图2.1所示。
本设计采用PDIP封装的AT89C51芯片为主控制器，该芯片正常工作电压为5V，支持的最高时钟频率为80MHz，程序存储器为8KB,RAM数据存储器为512B,内置看门狗电路，支持ISP/IAP。
本单片机具有以下优点：
（1）超低功耗。
a.掉电模式：
典型功耗为0.5uA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序[5]。
b.空闲模式：
典型功耗为2mA。
c.正常工作模式：
典型功耗为4mA-7mA。
（2）超强抗干扰。
a.I/O口、电源、时钟、看门狗、复位电路都是经过特殊处理。
b.宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为3.4–6V[6]。
c.高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V。
d.快速冲干扰。
图2.1系统模块组成方框图
2.3方案的对比及其优点
51系列单片机的历史悠久，应用范围广泛，内部结构简单，体积小，成本低，而且51单片机的硬件结构分别规范并相当合理，并且51单片机的算法非常全面。
在单片机的内部具有多重地址区间，可以处理多种字符和结构的相应处理，使得单片机的得到了更加灵活的应用，并且也使得多单片机的研究和应用更加得到人们的认可，应用起来和操作的时候对使用者更加得心应手。
而其他类型的单片机虽然在51系列单片机上拥有更高的性能，运算速度，甚至更低的功耗，但是相比这些优点，这些单片机更具有比51单片机不可忽视的缺点：
价格昂贵，内部寄存器功能单一，实用性不高，不利于在做小系统中的开发。
因此在这个设计中采用了51系列的单片机。
在这次设计中采用51单片机不仅是因为该单片机具有比其他类型单片机具有的那些优点：
内部硬件到软件有着一套完整的按位操作系统，直接具备了乘法与除法指令，这就使得在实际应用时，使用者不必额外编写相应的子程序以备调用，与其他系列单片机相比，51系列的单片机在编程操作方面的简便与实用性无疑上了一个新台阶。
更是因为该单片机的是我们常见的并且也是我们了解的最多，应用起来更加得心应手，在设计能够更加的完善。
2.4原理图简介
本设计主要是基于单片机技术设计参与人员不超过99人的投票计。
采用键盘接口完成按键扫描编码工作，其专用芯片为74C922，设3个按键（每个按键分别表示同意、不同意、和弃权等状态）构成的电路来完成键盘扫描，编码，再通过AT89C51芯片来采集信息，进行票数的统计。
由四联数码管完成显示投票中的票数，投票期间显示投票时的动态结果，查看结果时显示候选人的得票数。
每轮投票只能按一次键，从而控制有效投票，并采用发光二极管配合指示。
选举投票期间可以暂停投票，并翻看投票结果[7－９]，稍后可以继续投票，直至达到预设的最大相关投票人数全部投票为止，关闭投票系统。
如图2.2是以AT89C51为核心的控制模块，以LED数码管为中心的显示模块，以74C922芯片和键盘所构成的投票模块以及复位电路和控制电路一起组成了投票计的总原理图。
下表2.1是投票计设计模块中所要用的元件及其型号。
总原理图：
图2.2总原理图
表2.1元件清单
器件名称
器件型号
数量
备注
单片机
AT89C51
1
晶振
12M
1
键盘编码器
74C922
1
非门
74LS04
1
四联数码管
共阴型
1
发光二极管
1
按键
14
磁介电容
30pf
2
104pf
2
电解电容
22uf
1
电阻
1K
6
100欧
1
排阻511
1
导线
若干
电源
5V
1
3硬件电路的设计
3.1系统芯片的简介
3.1.1AT89C51芯片简介
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大不同阶段。
SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构,“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路，在开创嵌入式系统独立发展道路上，MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力，它所涉及的领域都与对象系统相关[10-15]。
在发展MCU方面，Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器[16]。
单片机的应用使得嵌入式系统走上了独立发展之路。
我国是从1982开始使用单片机，在短短五年时间内发展极为迅猛，当前世界上各大芯片制造公司都推出了各种各样的单片机，从8位、16位、32位以及现在应用较多的64位,它们各具特色,相辅相成,为单片机的应用提供更为广阔的天地，单片机，又称单片微电脑或单片微型计算机，它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等集中在一块芯片上[17-20]。
自1976年9月Intel公司推出MCS-48单片机以来，其他相关公司都争相推出了各自的单片机。
8位单片机已能够满足大部分应用需要，8位单片机能够应用到几乎所有应用单片机的领域中去，因此，推出高性能的新型8位单片机是时代发展的需要也是单片机发展的必然趋势，单片机在不断推陈出新过程中，Motorola公司推出了带A/D和多功能I/O的68MC11系列，Zilog公司推出了带有DMA功能的Suqer8，随后Intel公司也推出了带DMA和FIFO的UPI-452等等，都是8位单片机发展的代表。
目前在国际市场上8位、16位单片机系列已经有很多，但是，在国内使用较多和应用最广的依然是Intel公司的推出的MCS-51系列单片机，随着时间的过去单片机的应用不仅经久不衰，而且还在进一步发展和完善中，性能越来越好也越来越稳定[21]。
AT89C51是一种低电压,高性能CMOS8位单片机,采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元,功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性能比的应用场合,可灵活应用在各种控制领域。
如图3.1为AT89C51的引脚图。
图3.1AT89C51引脚图
单片机的应用大致可分如下几个范畴:
（1）在计算机网络和通信领域中的应用，例如现在的智能手机的核心处理器就是应用的单片机。
（2）在智能仪器仪表上的应用，例如功率计，示波器，各种分析仪等。
（3）在各种大型电器中的模块化应用。
（4）在家用电器中的应用，例如电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、音响视频器材、电子秤量设备等。
（5）单片机在汽车设备领域中的应，例如汽车中的发动机控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统；工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域。
（6）在工业控制中的应用，例如工厂流水线的智能化管芯片理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
（7）在医用设备领域中的应用，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等。
3.1.274C922芯片简介
74C922芯片有16键IC和20键IC，本设计采用的是16键的IC。
图3.2所示为4×4（16键）扫描式编码键盘原理图。
这种键盘的按键排成矩阵形式,以减少按键联线。
如图中有16个键，排列成4行4列，仅需8根引线，时钟发生器的输出送给4位计数器进行计数，计数器的低2位经译码后作为行扫描，高2位经译码后作为列扫描。
若没有检出有键闭合，则计数器周而复始反复计数,即反复进行扫描，一旦检出有键闭合，就发出一个脉冲使时钟振荡器停振，计数器随即停止计数。
单片机通过读取计数器的计数值来获取闭合键所在的行列位置，然后从真值表得到按键读数。
如果有两个键同时按下，则扫描到第一个闭合键时就停止扫描，把该键当作有效按键进行处理。
图3.2扫描式编码键盘
74C922芯片（16键IC）的引脚排列如图3.3所示：
图3.374C922引脚图
X1～X4：
列线。
Y1～Y4：
行线。
OSC：
接振荡电容0.1μF，以便扫描矩阵键盘。
KM：
键盘消除抖动电路，并发出两种信号。
（1）内部计数器停止计数。
（2）若有键按下,使DA脚由未按键时的低电平变为高电平,若按键未放开则一直保持高电平,当按键放开时,才转为低电平。
此引脚外接一个电容是OSC所接电容的10倍。
DA：
数据有效信号。
若无键按下,保持低电平。
若有键按下，变为高电平，直到键放开，才转为低电平。
/OE：
输出使能。
D～A：
按键值输出，按BCD码输出，具体输出情况如表3.1所示。
表3.1真值表
数据输出
0
Y1,
X1
1
Y1,
X2
2
Y1,
X3
3
Y1,
X4
4
Y2,
X1
5
Y2,
X2
6
Y2,
X3
7
Y2,
X4
8
Y3,
X1
9
Y3,
X2
10
Y3,
X3
11
Y3,
X4
12
Y4,
X1
13
Y4,
X2
14
Y4,
X3
15
Y4,
X4
A
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
D
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
3.1.374LS04芯片简介
74ls04是一六反向器，其功能表如表3.2，其引脚分布如图3.4。
Y=
表3.2功能表
输入
输出
A
Y
L
H
H
L
H为高电平
L为低电平
图3.474LS04引脚图
3.2主控制器模块的设计
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