毕业设计论文基于单片机的无线抢答器的设计.docx
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毕业设计论文基于单片机的无线抢答器的设计
浙江工业大学
毕业论文(设计)
题目:
基于单片机的无线抢答器的设计
学院名称:
浙江工业大学成教学院
******
专业班级:
07电气自动化技术
完成时间:
2009年12月20日
浙江工业大学夜大、函授
毕业设计(论文)任务书
专业电气自动化技术班级2007级学生姓名苏飞
一、设计(论文)题目:
基于单片机的无线抢答器的设计
_______________________________________________________________________________
二、原始资料:
由指导教师提供或推荐5篇以上相关文献,推荐与课题相关的期刊杂志、
图纸数据或网上资料等作为学生参考资料。
《单片机原理与应用》《MCS-51系列单片机实用接口技术》《单片机在控制系统中的应用》《51系列单片机系统设计与应用技巧》《电子技术》
三、要求:
1、学习无线遥控知识;2、选择单片机作为控制器的核心部件,完成系统的硬件设计和单片机控制器的软件设计;3、完成实物的制作;4、完成调试工作。
四、毕业设计(论文)工作内容:
1.设计(论文)说明书(根据大纲要求)
2.设计(论文)图纸________________________________________________________
___________________________________________________________________________
五、毕业设计(论文)工作期限:
任务书发给日期:
2009年9月20日
设计(论文)工作自2009年9月20日至2009年12月20日
教研室(学科组)主任吴兰娟
设计(论文)指导教师黄清锋__
_________________
系主任_________________
设计(论文)答辩人_________________
_________________
摘要
传统的抢答器都是导线布线,受现场环境影响很大。
本文介绍了一种用51系列单片机的数码显示无线四路抢答器的电路组成、设计思路及功能。
该抢答器除具有基本的抢答功能外,还具有计时和报警功能。
主持人通过时间预设开关计算抢答时间。
系统将完成自动倒计时。
若在规定的时间内有人抢答,则计时将自动停止;若在规定的时间内无人抢答,则系统中的蜂鸣器将发响,提示主持人本轮抢答无效,实现报警功能。
关键字:
智能抢答器无线编解码单片机报警
前言
抢答器又称第一信号鉴别器,应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。
普通抢答器存在以下缺陷:
1)在一次抢答过程中,当出现超前违规抢答时,只能处理违规抢答信号,而对没有违规的有效抢答信号不能进行处理。
因而,使该次抢答过程变为无效。
2)当有多个违规抢答时,普通抢答器只能“抓住”其中一个,出现“漏洞”。
3)当同时出现多个有效抢答信号时,普通抢答器或采用优先编码电路选择其中一个;或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。
对于后者,由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定,各路抢答信号的“竞争”能力也被固定,因而本质上也具有优先权。
普通抢答器因而存在不公平性。
本文介绍一种以单片机为控制核心的智能型抢答器,它对采样获得的各路抢答信号进行分柝,识别超前违规信号、有效抢答信号,并对它们进行处理。
使每一次抢答过程都有效。
利用存储器记忆多个违规信号,克服“漏洞”现象。
当同时出现多个抢答信号时,利用程序软件随机选择其中一个,十分公平。
具有倒计时、验键、违规显示等功能。
而随着技术的进步,单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。
本设计就是基于单片机设计抢答系统,通过串口通信动态传输数据,使抢答系统有了更多更完善的功能。
单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”,而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”,使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。
1设计的依据
1.1课题的提出
学校在开展文娱活动时一般都会有抢答一项,需要用到抢答器。
而市场上,一般的抢答器都需要几百块,价钱比较贵。
本人设计的抢答器,电路简单,成本较低,操作方便,灵敏可靠。
而且一般学校都有计算机,利用计算机就可以很方便地构成一台功能强大而价格十分低廉的抢答器。
1.2设计目的
在电视和学校中我们会经常看到一些智力抢答的节目,如果要是让抢答者用举手等方法,主持人很容易误判,会造成抢答的不公平,比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者,所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。
为了使这种不公平不发生,只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
1.3设计的内容
(1)、进一步熟悉和掌握单片机的工作原理和结构功能,熟悉其基本的振荡和复位电路原理。
(2)、熟悉单片机I/O口的基本输入输出功能以及I/O口的扩展使用。
(3)、掌握单片机内部功能模块的应用:
如定时器、计数器、中断系统等。
(4)、掌握用可编程接口芯片I/O口的特性、使用与控制方法。
(5)、掌握按键与单片机连接的使用以及数码管接口电路设计。
(6)、熟悉PCB板的布线、腐蚀和元器件的焊接的流程和方法,进一步掌握电路板的检测顺序和方法。
(7)、掌握程序的下载以及调试方法。
2总体方案确定
如图2-1所示为总体方框图。
其工作原理为:
接通电源后,主持人将开关拨到"清零"状态,抢答器处于禁止状态,定时器显示设定时间;主持人将开关置;开始"状态,宣布"开始"抢答器工作。
定时器倒计时,扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时,单片机完成:
优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答、显示器显示按下的时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图2-1总体方框图
3STC89S52芯片简介
3.1STC89S52芯片简介
STC89S52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大STC89S52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
STC89S52芯片引脚结构如图3-1所示:
图3-1STC89S52
3.2主要性能参数
·与MCS—51产品指令和引脚完全兼容
·8k字节可重擦写Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·全静态操作:
0Hz—24MHz
·三级加密程序存储器
·256×8字节内部RAM
·32个可编程I/O口线
·3个16位定时/计数器
·8个中断源
·可编程串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
3.3时序
1.时钟电路M田—51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路,XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
采用内部方式时,在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器,振荡频率的选择范围为1.2—12MHZ在使用外部时钟时,XTAL2用来输入外部时钟信号,而XTALI接地。
2.时序MCS51单片机的一个执器周期由6个状态(s1—s6)组成,每个状态又持续2个接荡周期,分为P1和P2两个节拍。
这样,一个机器周期由12个振荡周期组成。
若采用。
12MHz的晶体振荡器,则每个机器周期为1us,每个状态周期为1/6us;在一数情况下,算术和逻辑操作发生在N期间,而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。
对于单周期指令,当指令操作码读人指令寄存器时,使从S1P2开始执行指令。
如果是双字节指令,则在同一机器周期的s4读人第二字节。
若为单字节指令,则在51期间仍进行读,但所读入的字节操作码被忽略,且程序计数据也不加1。
在加结束时完成指令操作。
多数Mcs—51指令周期为1—2个机器周期,只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令,它们需4个机器周期。
对于双字节单机器指令,通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节,但Movx指令例外,Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令,在执行Movx指令期间,外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。
下面是51单片机的振荡电路图3-2所示:
图3-2振荡电路
3.4功能特性概述
AT89S51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory),256字节内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,一个6向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.5引脚功能说明
·Vcc:
电源电压。
·GVD:
地。
·P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
·P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。
·P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
·P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
·RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
·PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
·EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
·XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
4硬件电路
4.1复位电路设计
单片机STC89S52作为主控芯片,控制整个电路的运行。
单片机外围需要一个复位电路,复位电路的功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤消复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
该设计采用含有电阻的复位电路,复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降等引起的问题,在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电,一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
复位电路的设计图如图4-1示:
图4-1复位电路
4.2显示电路的设计
图4-2LED数码管
用单片机驱动LED数码管有很多方法,按显示方式分,有静态显示和
动态(扫描)显示,按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能,单片机将所要显示的数据送出后就不再管,直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据,显示数据稳定,占用很少的CPU时间。
动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新,显示数据有闪烁感,占用的CPU时间多。
这两种显示方式各有利弊;静态显示虽然数据稳定,占用很少的CPU时间,但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路,使用的硬件较多;动态显示虽然有闪烁感,(但这里只用到三个数码管,闪烁频率很快,基本上看不出来,几乎和静态一样的效果),占用的CPU时间多,但使用的硬件少,能节省线路板空间。
还有硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成,CPU只要送出标准的BCD码即可,硬件接线有一定标准。
软件译码是用软件来完成硬件的功能,硬件简单,接线灵活,显示段码完全由软件来处理,是目前常用的显示驱动方式。
现在驱动LED数码管流行采用单片机设计电路,但发现一些显示(LED数码管)电路设计复杂,没有充分利用单片机的电器特点、没有采用“硬件软化”的方法。
直接用单片机的8位数据口作为数码管的8段显示驱动口。
这种显示方式虽然简便,电路也最简单,但显示的位数很少(最多三位)。
但已经满足了此次设计要求,所以选用此种方式如图4-2。
4.2.1NPN型三极管驱动LED数码管
①三极管的电流放大原理:
晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管,两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
晶体三极管(NPN)的结构,图4-3是NPN管的结构图,它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成,从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。
当b点电位高于e点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C点电位高于b点电位几伏时,集电结处于反偏状态,集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
图4-3PNP结构原理图
在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,这样,一旦接通电源后,由于发射结正确,发射区的多数载流子(电子)极基区的多数载流子(控穴)很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是电子流,这股电子流称为发射极电流Ie。
由于基区很薄,加上集电结的反偏,注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic,只剩下很少(1-10%)的电子在基区的空穴进行复合,被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给,从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得:
Ie=Ib+Ic这就是说,在基极补充一个很小的Ib,就可以在集电极上得到一个较大的Ic,这就是所谓电流放大作用,Ic与Ib是维持一定的比例关系,即:
β1=Ic/Ib
式中:
β--称为直流放大倍数,集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为:
β=△Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数,由于低频时β1和β的数值相差不大,所以有时为了方便起见,对两者不作严格区分,β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件,但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用,通过电阻转变为电压放大作用。
②输出特性:
常温时硅管的Icbo小于1微安,锗管的Icbo约为10微安,对于锗管,温度每升高12℃,Icbo数值增加一倍,而对于硅管温度每升高8℃,Icbo数值增大一倍,虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈,但由于锗管的Icbo值本身比硅管大,所以锗管仍然受温度影响较严重的管,放大区,当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时,Ic随Ib近似作线性变化,放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时,Ic基本上不随Ib而变化,失去了放大功能。
根据三极管发射结和集电结偏置情况,可能判别其工作状态。
三极管的输入特性与输出特性
截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域,三极管和导通时,工作点落在饱和区,三极管截止时,工作点落在截止区。
4.2.2三极管的主要参数
①直流参数:
1)、集电极一基极反向饱和电流Icbo,发射极开路(Ie=0)时,基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流,它只与温度有关,在一定温度下是个常数,所以称为集电极一基极的反向饱和电流。
良好的三极管,Icbo很小,小功率锗管的Icbo约为1~10微安,大功率锗管的Icbo可达数毫安,而硅管的Icbo则非常小,是毫微安级。
2)、集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流)基极开路(Ib=0)时,集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。
Iceo大约是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)IcbooIcbo和Iceo受温度影响极大,它们是衡量管子热稳定性的重要参数,其值越小,性能越稳定,小功率锗管的Iceo比硅管大。
3)、发射极---基极反向电流Iebo集电极开路时,在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流,它实际上是发射结的反向饱和电流。
4)、直流电流放大系数β1(或hEF)这是指共发射接法,没有交流信号输入时,集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值,即:
β1=Ic/Ib
②交流参数:
1)、交流电流放大系数β(或hfe)这是指共发射极接法,集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比,即:
β=△Ic/△Ib
一般晶体管的β大约在10-200之间,如果β太小,电流放大作用差,如果β太大,电流放大作用虽然大,但性能往往不稳定。
2)、共基极交流放大系数α(或hfb)这是指共基接法时,集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比,即:
α=△Ic/△Ie
因为△Ic<△Ie,故α<1。
高频三极管的α>0.90就可以使用
α与β之间的关系:
α=β/(1+β)
β=α/(1-α)≈1/(1-α)
3)、截止频率fβ、fα当β下降到低频时0.707倍的频率,就是共发射极的截止频率fβ;当α下降到低频时的0.707倍的频率,就是共基极的截止频率fαofβ、fα是表明管子频率特性的重要参数,它们之间的关系为:
fβ≈(1-α)fα
4)、特征频率fT因为频率f上升时,β就下降,当β下降到1时,对应的fT是全面地反映晶体管的高频放大性能的重要参数。
③极限参数:
1)、集电极最大允许电流ICM当集电极电流Ic增加到某一数值,引起β值下降到额定值的2/3或1/2,这时的Ic值称为ICM。
所以当Ic超过ICM时,虽然不致使管子损坏,但β值显著下降,影响放大质量。
2)、集电极----基极击穿电压BVCBO当发射极开路时,集电结的反向击穿电压称为BVEBO。
3)、发射极-----基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时,发射结的反向击穿电压称为BVEBO。
4)、集电极-----发射极击穿电压BVCEO当基极开路时,加在集电极和发射极之间的最大允许电压,使用时如果Vce>BVceo,管子就会被击穿。
4.2.3LED数码管的结构原理
发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。
简称LED(LightEmittingDiode)。
LED数码管结构简单,价格便宜。
八段LED显示管有八只发光二极管组成,编号是a、b、c、d,e,f和SP,分别和同名管脚相连。
七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP,其它和八段LED相同。
在给每个二极管通电后,二极管发光后表示要显示的数字的一部分,当组成这个数字的所有二极管都发亮时,才能正确的显示这个数字。
LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。
它是由若干个发光二极管组成的,当发光二极管导通时,相应的一个点或一段笔画发亮。
控制不同组合的二级管导通,就能显示出各种字符。
使用LED显示器的时候,为了显示数字或是字符,要为LED显示器提供代码,因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的,因此称之为段码,如下表所示4-4所示。
表4-47段LED的段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0H
B
7CH
83H
1
06H
F9H
c
39H
C6H
2
5BH
A4H
d
5EH
A1H
3
4FH
B0H
E
79H
86H
4
66H
99H
F
71H
8EH
5
6DH
92H
P
73H
8CH
6
7DH
82H
U
3EH
C1H
7
07H
F8H
T
31H
CCEH
8
7FH
80H
y
6EH
91H
9
6FH
90H
H
76H
89H
A
77FH
88H
L
38H
C7H
LED显示器工作原理
由N个LED显示块可以接成N位LED显示器。
N个LED显示块有N根位选线和8*N根段选线。
根据显示方式的不同,位选线和段选线的连接方法也各不同。
段选线控制显示字符的字型,而位选线为各个LED显示块的公共端,它控制该LED显示位的亮,暗。
①LE
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- 毕业设计 论文 基于 单片机 无线 抢答 设计