四位競賽搶答器實驗報告

1、電氣工程學院單片機課程設計實驗報告班 級： 姓 名：學 號： 設計題目：四位競賽搶答器設計時間：評定成績：評定教師：目錄摘要 11、 調試過程31.1 調試詳細步驟和過程31.2 軟件調試遇到的問題及解決過程說明51.3 軟件仿真運行和硬件實際驗證的區(qū)別62、 運行效果61、 Proteus 電路圖 62、 滑動變阻器在0%時，倒計時最大時間。 63、 滑動變阻器在50%時，倒計時最大時間 74、 滑動變阻器在100%時，倒計時最大時間 75、 選手進行搶答 86、 無人搶答，系統(tǒng)警告 97、 硬件仿真 10搶答、計分、計時結束 113、 系統(tǒng)優(yōu)化113.1 軟件設計 113.2 硬件設計 1

2、129摘要單片機自20 世紀 70 年代問世以來,在電子信息、電氣工程、工程自動化控制、機電一體化、智能儀器儀表、家用電器等諸多領域得到廣泛應用，已對人類社會產生重大影響。由于 Intel 公司的 8051 內核單片機獲得的巨大成功，以8051 內核技術為主導的單片機也是目前我國多數(shù)高校都在講授的機型。盡管各種新型的8 位、 16 位以及 32 位單片機不斷推出，但在目前的應用中，8 位單片機尤其是各種8051 內核的單片機仍站主導地位。本次設計利用了8051 芯片、 4*4 矩陣鍵盤（僅用2*3）、串行AD、 DA 轉換芯片 PCF8591、 8 位共陰極數(shù)碼管（僅用 4位） 、 音頻放大芯

3、片LM386 以及喇叭，實現(xiàn)四位競賽搶答單片機系統(tǒng)，可同時供4 名選手或4個代表隊參加比賽，每隊均有一個搶答按鈕，同時給節(jié)目主持人“搶答開始”及“系統(tǒng)清除”按鍵。本搶答器具有編號鎖存、搶答計分、時間顯示和音響提示等功能。本次課程設計讓我初步掌握了競賽搶答單片機系統(tǒng)的工作原理和基本思想，同時也讓我對書本所學到的知識了解更加深入。關鍵字： AT89C51 單片機； 矩陣鍵盤；數(shù)碼管；PCF8591； LM386； Keil5 軟件；Proteus仿真軟件調試過程.1調試詳細步驟和過程(1)在Keil中編好程序后，點擊編譯運行r .BMM-r,FEita2砒U2s r 力吧卜承軸 cl!BtFlT1

4、S,h>3 +立£五11>? uchai uiuiigDTd 7bav idC苫 ginrtint<- Sblt XL-NWJt Bbir rw-pl t.5 gbit Tm；中 ibit ri-Pt* nIO sbit V2=PI*1JTii ahit 9亡上1J gbit Bg-R%T，13 Bbdt的1251IC15 char =oi:- >lx3c 3|W1E ucJiar dlpUh/4- j Gr CF L1：IT udun tmmU1W。G iFIS ucitar 12 -( Oz 1Cd Ifr uchar. rCauEitdE'Tra

5、,2。GtHf WM 再盯21 lit elrf 44-Lp -taitr：ig-u, 健21 raid dl Ay54iB i 1;2C VOld11 i)25 - void Uu'E3工 m26 void i2e_atop I n打 vuldr29 wid匚2? void. 12c_zeaiHyte ' jcbir da.M void jQBdfir11 uciiar getciiiHIi/)2 udhdJL 12.c_tecByt«i 1 k f好 一 143jjJi i< ehz9k: "Kacpaic. 11Fl： 141 ML man JJ

6、HI-. Il MiSCL=XM&iflQ hia, fXL* 工；= '.'' Ctauu'iJlQpG*,-.toil«inWMF - / EtncIM：1 4 4«4冏BJJ.I口 Tl*t BItM+3 THkiE圖1編譯運行結果(2)編譯運行無錯誤后，還需要對項目進一步設置，以滿足要求圖2晶振頻率設置圖 3 勾選 Create HEX file圖4生成HEX文件 生成好HEX文件后，將其導入到Proteus里的AT89C51芯片中圖5導入HEX 文件至 AT89C51(4)點擊運行按鈕進行軟件仿真。仿真時，顯示數(shù)值與旋鈕抽頭

7、電壓相關，調動旋鈕，按下復位鍵，數(shù)值 改變，說明PCF8591工作正常。按下選手搶答按鍵，系統(tǒng)正常提示2s警告;主持人按下開始后，選手搶答正確計分與顯示編號，程序正常；主持人按下 系統(tǒng)清除按鈕，選手編號與分數(shù)消失，顯示倒計時最大時間，程序正常。 記錄軟件仿真結果，同時去機房進行硬件調試。1.2軟件調試遇到的問題及解決過程說明(1) PCF8591芯片與單片機通信發(fā)生錯誤,無論程序使用應答還是非應答, 在 I2C調試器里，都顯示進行的是應答，同時發(fā)送的數(shù)據最后一位均不正確。圖6 I2C調試器發(fā)現(xiàn)錯誤后經過仔細排查，發(fā)現(xiàn)代碼中的一處 for循環(huán)i=1 ,程序出錯，修改后，發(fā)送數(shù)據正確，但應答位仍然

8、不正確。再次進行排查錯誤，發(fā)現(xiàn)是Noack程序里，sda沒有設成1,修改為0后，I2C調試器顯示符合預期。(2)仿真后，發(fā)現(xiàn)音響完全沒聲音，無論給它什么頻率，都不發(fā)出聲音。LS2SOUNDER圖7使用該器件無聲音后檢查電路，發(fā)現(xiàn)電路沒有問題，想到可能是元器件的問題，后將其改為 SPEAKER,發(fā)現(xiàn)聲音正常發(fā)出，問題解決。(3)七段數(shù)碼管顯示錯誤，發(fā)現(xiàn)使用了不是實驗箱上的共陰極數(shù)碼管，修改位7SEG-MPX4-CC-BLUE 后，問題角單決。1.3軟件仿真運行和硬件實際驗證的區(qū)別Proteus仿真軟件使用起來十分順手，但是在程序比較復雜，定時器溢出頻率 高時，仿真容易卡、慢。Proteus仿真軟

9、件進行仿真時，不需要畫晶振電路和復 位電路，是有效減少工作量，還可以使用虛擬示波器、I2C調試器等器件進行問題查找、結果確認，十分方便與快捷。但其僅僅運行在理想的條件下，缺少了現(xiàn) 實里的許多因素影響，容易導致我們思考問題簡單化。硬件實際驗證時，發(fā)現(xiàn)了很多軟件仿真時沒發(fā)現(xiàn)的問題，執(zhí)行程序時，速度 比仿真軟件快很多，反應十分迅速，無論定時器溢出頻率多高，都不會卡、慢， 相比之下，結果更舒適。硬件實際驗證時，需要考慮到硬件的局限性，進行程序 與實際晶振頻率的匹配，I/O 口與相應模塊的連線，總體需要考慮更多因素，不 再是理想情況。二、運行效果1、Proteus電路圖圖8 Proteus接線圖2、滑動

10、變阻器在0%時，倒計時最大時間。Time=20+255*30/255=50Mslle-i*也也 -=-:一Pjl 40Pl 1 嶼；圖9倒計時最大時間3、滑動變阻器在50%時，倒計時最大時間Time=20+128*30/255=34i q ”-2ZM-*T 2加b”占MM- -m 2b制 lw.llrd PrPZ"4、滑動變阻器在100%時，倒計時最大時間Time=20+0*30/255=20rtjujWBT 加3他伊 f NJ =<i $ JM即2,中413 維&H 器必中 理訓11 IPT4AK3! E*“， 即匕修司環(huán)£褶 p I.TK& Fza

11、Tlffg nvnnPl rH15iHHbT<SL2ilCi # 1D1F5、選手進行搶答P3&WC- NTvhprifiMCC Pl IlHDI MMff n 2aJ4CC- Pl-kMM-也函曜K M FZaAID fljjnii 小皿 越段噂 EkM4圖10 一號選手搶到門”IsU4 A 14UJ總專_2_4L !np S'：嗡王圖11三號選手搶到n iiwiNTu«nE UU>蛻附HP2 4A17 F卬， PJWU FZTUHSiPI WD “ 1TW PTiifin- eMWTTMODF3 rflE'E 二C33-0aU4總TrF&

12、;rteg圖12三號選手第二次搶到6、無人搶答，系統(tǒng)警告也知E：*Pl ClIUX1 niTifiEE-plEE*陋iplhumPZ4UU7 BHU，2即“ PinM，p JmNl £2 4-圖13倒計時結束無人搶答，系統(tǒng)警告7、硬件仿真圖14旋鈕調到最小，顯示 20圖15調節(jié)旋鈕，時間改變計時結束搶答、計分、硬件仿真時，實際晶振頻率與程序中所使用的不同，導致倒計時的速度很快。 后修改程序，時間正常。三、系統(tǒng)優(yōu)化3.1 軟件設計剛開始設計時，在主函數(shù)里發(fā)送方波以驅動揚聲器發(fā)聲，后發(fā)現(xiàn)聲音頻率變化，可能是每次主函數(shù)執(zhí)行時間不同。后修改為使用定時器 T1產生方波信號來 驅動揚聲器發(fā)聲，修

13、改后，聲音頻率正常，仿真卻很卡。詢問老師后，了解到是 仿真軟件發(fā)出脈沖的時間變慢了，這沒法去除。本來準備使用獨立式鍵盤，后翻閱實驗指導書了解到，實驗箱上只有4個獨立按鍵可供使用，后調整為2*3矩陣鍵盤，修改相應程序以便完成硬件驗證。3.2 硬件設計一開始，使用Proteus里的電路圖進行硬件連接，連接好后硬件驗證發(fā)現(xiàn)數(shù) 碼管的a段一直亮，仔細檢查后發(fā)現(xiàn)是實驗箱I/O 口出現(xiàn)故障，之后連續(xù)換了三四個實驗箱，終于找到了一個實驗箱數(shù)碼管顯示正確，但卻有一個數(shù)碼管不亮，確認是I/O 故障后，將程序里的循環(huán)變量 0x7f改為0x77,將第一位線接到另 一個 I/O 口后，數(shù)碼管顯示正確。之后程序正常運行

14、起來，但是倒計時卻不符合要求，仔細檢查后，發(fā)現(xiàn)實驗箱晶振頻率為11.0592Mhz,我的程序里面用的是12Mhz,修改了各個定時器的初值，重新硬件驗證，現(xiàn)象變?yōu)檎?。由于實際的 運行有很多不確定的因素，因此軟件仿真不能完全符合實際要求，具體的優(yōu)化還需要進行實際電路驗證來完成。四、設計總結這次課程設計，成功的實現(xiàn)了四位競賽搶答器的功能，并對I2C 通信協(xié)議有了更深刻的理解，也更清晰的了解到了Proteus軟件仿真的局限性，以及硬件驗證的復雜性。本次課程設計，使用的AT89C51 芯片雖然已經較為老舊，但是也能實現(xiàn)像這種簡單而又實用的功能，也讓我明白了程序的書寫更為重要。其次也了解了 74LS24

15、4 和 74LS240 芯片的作用和用法，雖然在編寫程序過程中有很多不會的點，但通過查找資料和反復修改，最終成功的編寫出了源程序并實現(xiàn)了設計所要求的功能。對一些典型的算法及應用也有了更加深刻的理解，對之后的編程有著很大的幫助，大大促進了對單片機及C51 編程的學習。本次設計，我分了4 個模塊進行分析，第一部分是矩陣鍵盤的掃描、第二部分是倒計時功能的實現(xiàn)、第三部分是音響提示功能、第四部分是模數(shù)轉換功能。這四部分中，只有第四部分模數(shù)轉換比較困難，花費了我大量的時間，才得以完成， 其他三個部分單獨實現(xiàn)都比較簡單，但是組合起來實現(xiàn)時，各個程序之間的關系就變得復雜起來，這讓我花費了許多時間使其成功組合在

16、一起。過程中雖然出現(xiàn)很多問題但經過不斷調試分析，最終都解決了這些問題，系統(tǒng)的調試是一個很繁瑣的過程，需要有耐心，細心的進行調試。在代碼設計階段，我們最大的問題就是前期沒有總體把握，代碼冗余前后紊亂， 參考了大量的代碼后，我們改進了我們代碼的書寫方式如做成模塊方便調用，添加注釋，顯得干凈而整潔。代碼內部關于寄存器內部數(shù)據比較輸出等還有些問題， 尤其是對程序設計語句的理解和運用，不能夠充分理解每個語句的具體含義，這里有待更深一步的學習。經過這次課程設計后，我總結出繪制電路不僅要能實現(xiàn)功能，還要符合實驗箱上的硬件原理圖，以便于自己后面的硬件驗證，事實證明，我這樣做確實使我的硬件驗證比其他沒有按照原理

17、圖來連接的同學來說簡單了許多，沒有大面積修改程序。 如何根據想要實現(xiàn)的功能選擇合適的芯片模塊，實現(xiàn)正確的功能才是最重要的，這次的設計在設計之初也走了不少彎路，好在思路清晰：鍵號采集、模數(shù)轉換、I2C 通信、 CPU 處理、控制輸、音響提示，現(xiàn)在回想起來倒也不難。這次課程設計是自己安排時間使用Proteus 軟件獨立設計，老師給的參考圖完全依靠自己查閱資料，所以在設計開始的時候走了不少彎路，遇到了很多困難。開始時思路很不清晰，無從下手，經過一天的思考才具體的制定出一套理論上可行的方案，僅僅能實現(xiàn)矩陣鍵盤讀取數(shù)值，不能減計數(shù)和顯示等很多實際上的考慮。 設計電路中間我們也遇到很多原理性的問題，比如單

18、片機如何寫定時器工作代碼， 矩陣鍵盤如何讀取鍵值方便調用等。為了能解決這些問題，我重新溫習了一下課堂上學過的單片機知識，參考了很多芯片文件，并且在百度上查閱了許多文檔，使自己在這方面的知識逐漸的豐富了起來，水平有了明顯的提高。然而遇到問題還是很多沒有解決，在理論情況下能實現(xiàn)的功能，在硬件驗證情況下很難實現(xiàn)。存在的問題很多：源碼錯誤不斷、接線錯誤、不能實現(xiàn)功能等等情況， 都導致了實驗不能完全成功。而且， 經過這次實驗，我明白了以下兩點：一、前期的布局盡可能合理，這個可以為接下來的調試節(jié)省很大的精力；其次，在實驗時一定要細心操作，集中注意力，避免犯小錯誤；最后，并不是所有的實驗都是理論上可行實際上

19、就能運行的，學會調試找出其中的問題遠遠要比接線操作更重要。經過本次課程設計，我都單片機系統(tǒng)的設計與調試的過程有了更深刻的認識，明白了調試的先后順序，懂得了功能的模塊化實現(xiàn)，明白了問題的查找與解決方法，更重要的是，我明白了前期準備的重要性，前期準備的越充分，后面完成起來就更快捷、流暢。 本次課設，我從中學到了課堂上沒法傳授的知識，收貨頗豐。附件:#include <reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit X1=P1A0;sbit X2=PW1；

20、sbit Y0=P1A2;sbit Y1=P1A3;/2*3 矩陣鍵盤使用的端口/定義scl 端口/定義sda端口/定義音頻輸出的端口sbit Y2=P1A4;sbit scl=P3A0;sbit sda=P3A1;sbit sound=P3A5;char code dx5163 _at_ 0x003b;/硬件調試時必須加入的代碼uchar display4=10,10,10,10;/四位數(shù)碼管顯示的數(shù)組uchar score4=0,0,0,0;/記錄四位選手的分數(shù)uchar seg12=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xf

21、f,0xbf;/共陽極數(shù)碼管段碼 uchar keyval=10,countdown,t=20,ct=3;char buzzy;bit clrflag=0,startflag=0,keyflag=0,one=1,two=1;/ 定義各種標志位void delay5us();/函數(shù)聲明void i2c_init();void i2c_start();void i2c_stop();void i2c_ack();void i2c_noack();void i2c_sendByte(uchar data1);void send();uchar gettime();uchar i2c_recByte(

22、);void keyscan();void delay(uint x)/延時函數(shù)uchar z;while(x -) for(z=0;z<100;z+);void delay5us()/延時5us函數(shù)，用于模擬I2C通信_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/主函數(shù)/使用T0、 T1 方式一void main()uchar i,j=0x77;TMOD=0x11;TH0=19456/256;TL0=19456%256;TH1=64876/256;TL1=64876%256;ET1=1ET0=1PT0=1EA=1;send();docountdown

23、=gettime();while(ct -);while(1)keyscan();display2=countdown/10;display3=countdown%10;/開中斷/獲取PCF8591 的數(shù)據/鍵盤掃描/顯示到數(shù)碼管上for(i=0;i<4;i+) void keyscan() /動態(tài)顯示程序j=_crol_(j,1);P2=0xff;P0=segdisplayi;P2=j;delay(5);/數(shù)組的嵌套使用/鍵盤掃描程序delay(10);X1=0;X2=1;if(Y0=0) keyval=1;keyflag=1;if(Y1=0) keyval=2;keyflag=1;i

24、f(Y2=0) keyval=3;keyflag=1;delay(10);X1=1;X2=0;if(Y0=0) keyval=4;keyflag=1;if(Y1=0) startflag=1;if(Y2=0) clrflag=1;if(startflag)if(!keyflag) TR0=1;if(two) buzzy=2;TR1=1;two=!two;/按下開始，定時器T0 啟動/2s單音提示if(keyflag && one)display0=keyval;display1=11;scorekeyval-1+;/編號鎖存/分數(shù)記錄countdown=scorekeyval-

25、1;one=!one;TR1=1;buzzy=2;if(clrflag)/分數(shù)顯示/2s提示音/系統(tǒng)清除按鍵startflag=0;keyflag=0;TR0=0;one=1;two=1;countdown=gettime();display0=10;display1=10;TH0=19456/256;TL0=19456%256;t=20;clrflag=0; elseif(clrflag)/系統(tǒng)清除按鍵countdown=gettime();clrflag=0;if(keyflag)TR0=1;TR1=1;buzzy=2;keyflag=0;/選手違規(guī)搶答/2s 警告單音提示void tim

26、er0() interrupt 1/定時器T0 中斷服務子程序TH0=19456/256;TL0=19456%256;t-;if(t=0)t=20;if(buzzy>0) buzzy-;else TR1=0;if(startflag=0&&TR0=1) TR0=0;if(countdown>0&&startflag&&!keyflag) countdown -;if(countdown=0 && startflag )buzzy=2;TR1=1;/2sstartflag=0;void timer1() interrupt 3TH1=64876/256;TL1=64876%256;if(buzzy>0) sound=!sound; else sound=0;void i2c_init()/計時結束，未搶答，2s警告/定時器T1,確定聲音頻率/I2C 初始化程序scl=1;_nop_();sda=1;delay5us();void i2c_start()scl=1;sda=1;delay5us();sda=0;delay5us();scl=0;void i2c_s