基于单片机八路抢答器设计[1]

湖南工业大学本科毕业设计（论文）1第一章系统方案与论证(已看)1.1基本要求(basicrequirement)（1）系统容量：为满足竞赛抢答的要求，系统容量定位8路。（2）系统能完成：倒计时(count-down)指令发送与接收；抢答对别信息发送与接收；（3）抢答倒计时可在0-99秒内根据需要任意调整。（4）所有信息交换都采用无线通信。（5）抢答指令发出和抢答成功要有提示音。1.2系统方案选择1.2.1系统基本结构框（thebasicstructureofthesystembox）图1-1基本系统结构框图系统工作流程(workflow)：主持人电路通电后，2位数码管不断加1，以选手电路89C51控制输入数码显示电路蜂鸣器电路信号采集主持人电路湖南工业大学本科毕业设计（论文）2示电路可以正常工作。主持人按下控制开关后，电路进入倒计时预设状态，设置好后再按一下控制开关，则完成预设，数码管显示预设数。当主持人按下开始按钮后，选手可以抢答，同时数码管显示倒计时读秒，如有选手按下抢答键，数码管显示该选手的序号，同时封锁其他的抢答信号，蜂鸣器鸣叫10s，以示有人抢答成功。如读秒归零时还无人抢答，则蜂鸣器鸣叫10s,数码管显示为不断闪亮的“00”，以示抢答时间到。当抢答的选手回答完毕或读秒归零后，主持人按一下开始按钮，电路即可恢复到开始抢答，倒计时读秒状态1.2.2通信方案论证与选择要实现无线通信，可选用频分复用和时分复用两种形式。频分复用各信道独立，不考虑信号在时间上的重叠。但是在整个系统最少也需要8个信道，电路复杂，制作成本高，故不取。对实际问题进行分析，发现系统通信中，除抢答信号外，其他信号的传送都具有明显的分时性（即各信号的传送都不可能同时出现）。再对抢答信号进行深入研究，发现：（1）人对抢答信号的反应在毫秒级是很不灵敏的，人的反应速度是在0.2s-0.8s内随即出现。（2）在比赛现场，抢答题目一般在几十秒内。能做出回答决定的人也只在40%左右，坚决做出回答决定的占20%左右。根据系统满容量算20x20%=4,只有4个左右的人数进入0.2—0.8s反应比赛中。（3）按键反应速度也是有差异的，大概在20ms左右。根据以上三点分析，可以定性的得出抢答信号在一定的时间区间内具有随机分时的特性。另一方面，抢答信号信息量不大(只有对别信息)，可以做到在极短的时间内传完，因此，若保证每一个抢答信号传送时间2.1ms，那么在0.2s-0.8s的时间内任意两个对别信号在传送时间上重叠的概率就很小，因此可以实现抢答信号时分传送。又因时分复用只用一个信道，电路简单可靠性高，制作成本低，综合考虑选用时分复用方案。湖南工业大学本科毕业设计（论文）3第二章系统硬件设计(thedesignofsystemhardware)为了满足系统功能和系统的灵活性，本系统各部分均采用单片机作为核心器件。为了使电路结构简单，性能可靠，无线部分均采用性能良好的收发模块（315MHZ高频接收发送模块FST-3和CZS-3）。硬件系统是一个数、模、单片机混合电路。2.189C51单片机单片机为本系统的核心器件。这里我们选用89C51单片机，89C51具有低功耗、高性能的特点，且与80C51兼容，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器FlashROM给单片机的开发及应用带来了很大的方便，且芯片的价格非常便宜，因此近年来得到了及其广泛的应用。2.1.1功能特性描述89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低功耗、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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AT89C51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。而且在存储器的配置上采用所谓独立的“哈佛’结构,即在物理上具有独立的程序存储器和数据存储器。主要性能：⑴与MCS-51单片机产品兼容⑵8K字节在系统可编程Flash存储器⑶1000次擦写周期⑷全静态操作：0Hz～33Hz⑸三级加密程序存储器⑹32个可编程I/O口线⑺三个16位定时器/计数器湖南工业大学本科毕业设计（论文）4⑻八个中断源⑼全双工UART串行通道⑽低功耗空闲和掉电模式⑾掉电后中断可唤醒⑿看门狗定时器⒀双数据指针⒁掉电标识符2.1.2引脚结构（Pinstructure）图2-189C51引脚图2.1.3管脚说明（89C51芯片引脚介绍）VCC:电源GND:地EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND2089S52U1湖南工业大学本科毕业设计（论文）5P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表2-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR,A）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@Ri,A）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。表2-1P1口引脚及功能表引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI(在系统编程用)P1.6MIOS(在系统编程用)P1.7SCK（在系统编程用）P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表2-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表2-2P3口引脚及功能表湖南工业大学本科毕业设计（论文）6引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD(串行输出)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT0(外部中断1)P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（外部1外部输入）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）RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。/PSEN:外部程序存储器选通信号（/PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，/PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，/PSEN将不被激活。/EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，/EA必须接GND。为了执行内部程序指令，/EA应该接VCC。在flash编程期间，/EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。[3]2.2无线传输模块无线传输模块由发射模块和接收模块组成。FST-3和CZS-3是由专业生产厂家设计生产的无线传输发射模块和接收模块。用FST-3和CZS-3组成的无线传输系统具有很高的性价比。其传输距离远，在无障碍物的情况下可以传输300米；信号传湖南工业大学本科毕业设计（论文）7输可靠，能够传输0—10MHZ的调制信号；价格低廉，发射模块和接收模块的价格加起来不超过20元；此外，还具有不要调整即可使用的特点。(A)(B)图2-2无线发射模块FST-3和接收模块CZS-3的管脚功能图FST-3发射模块如上图2-2（A）所示，在VCC和GND间加上3—12V的直流电压即可使用，从天线发射出315MHZ的无线电波。而所需发射出去的信号可以加在DATA端，去调制315MHZ的无线电波，使其成为已调波从天线发出。在加5V电压时，实测FST-3发射模块的工作电流不超过15mA。CZS-3接收模块如上图2-2（B）所示，须在VCC和GND间加上5V的直流电压。从天线接收到的已调制无线电信号经过其内部解调，从其DATA端输出已解调控制信号，在无信号时DATA端输出高电平。CZS-3接收模块的静态电流为5mA，接收灵敏度为-103dBm。[12]2.3用555定时器组成的多谐振荡器多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器组成的多谐振荡器电路图如图4所示。VCCDATAGNDVCCDATAGND湖南工业大学本科毕业设计（论文）84835762555R1R2C0.01uFVCCV0Vc图2-3由555定时器组成的多谐振荡器电路图如上图2-3所示，接通电源后，电容C被充电，当cV上升到cc23V时，使0V为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降。当Vc下降到ccV/3时，V0翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为22tln20.7pLRCRC当放电结束时，T截止，ccV将通过R1、R2向电容器C充电，Vc由ccV/3上升到2ccV/2所需的时间为1212()ln20.7()pHtRRCRRC当Vc上升到cc23V时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下图5，其振荡频率为由于555定时