基于声光显示智力竞赛抢答器毕业设计论文

北京吉利大学2012届毕业设计毕业论文（设计）题目：基于声光显示智力竞赛抢答器学院：汽车学院专业：机电（机器人方向）班级：08机电本科班学号：0812260020学生姓名：郝龙指导老师：毕月云完成日期：2012-04-09北京吉利大学2012届毕业设计第1页摘要随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。电子智能抢答计分器在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题，利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决。即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组先答题。抢答组数可以在八组以内任意使用，本系统设计为模块形式采用九针插头进行连接，系统工作原理本系统采用AT89S51单片机作为核心，控制系统的五个模块分别为：单片机最小系统（六位并行数码显示、4*4矩阵式键盘）、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、音乐音频输出模块。关键词单片机；矩阵式键盘；显示；驱动；抢答北京吉利大学2012届毕业设计第1页目录北京吉利大学2012届毕业设计第2页第1章方案设计随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响彩灯效果，因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。1.1设计方案彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。方案一：根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图1-1所示。方案二：本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图1-2所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源）、按键控制电路、LED发光二极管和5V直流电源电路组成。振荡电路控制电路译码器LED显示电路计数器图1-1彩灯循环控制器硬件框图北京吉利大学2012届毕业设计第3页图1-2单片机彩灯循环控制系统硬件框图此设计方案中单片机的P1口接5路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机的P3.7引脚接上一个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种节拍实现花型的变换；单片机上的P2口接八路LED发光二极管组成彩灯电路，显示彩灯循环情况。1.2方案选择结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。AT89C51单片机时钟电路复位电路按键控制电路直流5V电源电路供电信号LED彩灯北京吉利大学2012届毕业设计第4页第2章硬件设计2.1直流稳压电源电路对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电源是电子设备的重要组成部分！本项目直流稳压电源为+5V。如下图所示：直流稳压电源的制作一般有3种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性集成稳压电源和开关稳压电源。下图稳压电源采用的是三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源。图2-1三端固定式集成稳压电源电路图AT89C51单片机的工作电压范围：4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。由于时间关系，此处用3节1.5V的干电池供电，在此不在赘述此稳压电源电路图原理。2.2单片机最小系统要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成。单片机最小系统如下图2-2所示。时钟电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz石英晶体振荡器和2个30pF微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机系统的复北京吉利大学2012届毕业设计第5页位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具有上电自动复位功能。电路如下图所示。图2-2单片机最小系统2.3LED彩灯显示电路LED彩灯显示电路(如图所示)实际上是由8个发光二极管和8个电阻构成的电路。发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的P2口上。通过软件编程对P2口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电压一般为1.7V以上，另外，他的工作电流根据型号不同一般为1mA到30mA，电阻选择范围100欧姆～3千欧姆在此我们这里选用560欧姆的电阻。北京吉利大学2012届毕业设计第6页图2-3LED彩灯显示电路2.4按键控制电路按键控制电路(如图2-4所示)是由6个按键开关构成的。他们分别接在单片机AT89C51的P1接口和P3.0口,Key1﹍Key5接在P1.0﹍P1.4,Key6接在P3.7上。为了一对一的控制LED灯的闪烁方式。当按下开关Key1时,LED彩灯系统闪烁第一种彩灯花型。当按下开关Key2时,LED灯系统闪烁第二种闪烁方式……当闭合Key6时，彩灯闪烁节拍变慢。图2-4键盘控制电路北京吉利大学2012届毕业设计第7页2.5串口电路串口电路为单片提供与PC机连接端口，为单片机提供下载程序到单片机程序存储器中。串口原理图如图2-5所示。串口也称串行通信接口，RS-232是目前最常用的一种串行通讯接口，由于其形状和针脚数量的原因，其接头又被称为DB9接头。RS-232针脚定义:2RXD←ReceiveData接收数据、3TXD→TransmitData发送数据、5GND—SystemGround系统接地，一般就用到这几个引脚。图2-5串口原理图MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。MAX23内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路：由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。北京吉利大学2012届毕业设计第8页第二部分是数据转换通道：由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道，其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道，8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出第三部分是供电：15脚DNG、16脚VCC（+5v）。在此，本系统的硬件电路已经全部设计完毕。北京吉利大学2012届毕业设计第9页第3章软件设计单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到多控制、多闪烁方式的LED灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。软件编程是多控制、多闪烁方式的LED灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重点和难点。下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的LED灯系统是如何实现8个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。本设计是以单片机AT89C51为核心控制8个发光二极管5种闪烁方式的变换。硬件电路如图附录1所示，八个发光二极管D1－D8分别接在单片机的P2.0－P2.7接口上，当给P2.0口输出“0”时，发光二极管点亮，当输出“1”时，发光二极管熄灭。可以运用输出端口指令MOVP0，A或MOVP0，＃DATA，只要给累加器值或常数值，同理，接在P2.1～P2.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的成流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到闪烁效果。程序设计流程如图3-1。程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含Key1～Key5的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的彩灯显示的花型模块，与此同时，当按键Key6有闭合时，程序中调用延时程序程序时，给延时参数赋值上另一个值，是延时程序延时时间发生改变，以达到不同快慢节奏闪烁的彩灯。具体程序流程如下图所示。北京吉利大学2012届毕业设计第10页判断有无按键按下YN开始当Key1-Key5有键按下时调用延时程序调用彩灯循环程序当Key6按下时设定相应的延时参数R5的值图3-1主程序流程图北京吉利大学2012届毕业设计第11页第4章系统仿真调试4.1系统仿真本设计使用的KeilC51软件来进行编程。KeilC51提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。图4-1仿真电路图4.2仿真调试本系统的调试是把在Keil里面写好的程序通过编译不出现任何错误后将生成的后缀名为.HEX的文件加载到AT89C51单片机中。接下来我们将在PROTEUS软件进行软硬件结合的调试。北京吉利大学2012届毕业设计第12页图4-2程序编译下面是在PROTEUS软件仿真系统中的调试结果，如表4-1：表4-1测试结果及状态分析经以上仿真上测试证实，能实现本设计系统要求的预期的功能。序号测试项目测试方法测试结果行状态分析1是否能正常工作打开仿真电路图，加载程序，点击开始运行。无任何错误提示仿真电路正常2彩灯花型控制运行仿真，随机按下任意按键，观察彩灯显示效果。对应按键按下，彩灯出现不同花型。本设计实现了多控制、多闪烁的LED彩灯循环。3节奏快慢控制按闭合Key6，观察彩灯循跳动节奏当闭合Key6是，彩灯循环闪烁变慢。本设计实现了用快慢两种节拍实现花型交换。北京吉利大学2012届毕业设计第13页总结在经过几周的不懈努力中，终于完成了毕业设计任务。通过本设计锻炼了我们的实践能力，也是对以后我们实际工作能力的训练和考察过程。现在是一个高科技的时代，单片机的应用无处不在，这更坚定了我要学好单片机的决心。本设计本身就比较简单，整个毕业设计的过程中每一步都是自己亲自做过的，在经过遇到问题，思索问题到解决问题的过程中，收获是最多的。以往没有注意到的问题，都在这一次的毕业设计中得以体现，这培养了我的细心，耐心和专心。我觉得能够在这次的毕业设计中学到很多的东西，以往不注意的细节，在这一次中是必须让自己去注