高等职业学校05高职机电一体化毕业论文
4 各模块方案选择和论证
3.1 抢答器显示模块
在步进电机控制过程中，系统需要对运行的时间和转向、相数做必要的显示。我们考虑有以下两种显示方案。
方案一：使用液晶屏显示时间。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。
方案二：在使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
静态显示，电路图中所示。显示器由9个共阳极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。9个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连，每片的并行输出作为LED数码管的段码74LS164的引脚图如图6所示：
74LS164为8位串入并出移位寄存器，1、2为串行输入端，Q0-Q7为并行输出端，CLK为移位时钟脉冲上升沿移入一位；MR为清零端，低电平时并行输出为零。
根据以上的论述，采用方案二。
图6
3.2 控制器模块
控制器主要用于各模块控制对显示、抢答、音乐、计分等。控制器的选择有以下两钟方案。
方案一：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，
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减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：采用ATMEL公司的AT89C51作为系统控制器的CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析拟订方案二。 3.3 电源方案的选择
系统需要多个电源，AT89C51使用5V稳压电源，驱动芯片需要5-50V电压驱动，步进电机等需要12V稳压电源。
方案一：采用升压型稳压电路。用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流崭波调压，得到5V和12V的稳压输出。只需使用两节电池，既节省了电池，又减小系统体积重量但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。
方案二：采用三端稳压集成7805与7812分别得到5V和12V的稳定电压。利用该方法方便简单，工作稳定可靠。
综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。
3.4 枪答器键盘的选择
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
方案一：独立式键盘
键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了8根I/O口线，该键盘就有8个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘
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012中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。如图7。 最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。 3P14567独立式键盘 图7 独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。 方案二：行列式键盘 行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是M*N个。这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，列线接P1.0~P1.3行线接P1.4~P1.7，行列适用于按键输入多的情况。 CPU对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式，即只有在CPU空闲是时才去扫描键盘，响应操作人员的键盘输入，但CPU在执行应用程序的过程中，不能响应键盘输入，对键盘的扫描可以采用定时方式，即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘扫描一次，这样控制方式，不管键盘上有无键闭合，CPU总是定时的关心键盘状态。 在大多数情况下，CPU对键盘可能进行空扫描。为了提高CPU的效率而又能及时响应键盘输入，可以采用中断方式，既CPU平时不必扫描键盘，只要当键盘上有键盘闭合时就产生中断请求，向CPU申请中断后，立即对键盘上有键盘进性扫描，识别闭合键，并做相应的处理。 根据以上的论述，采用方案一，在本系统中采用了独立式键盘，其按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。如图8所示。 图8 FEDCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.732107654BA98行列式键盘- 18 -
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3.5 计分器显示模块
显示模块必须要显示三位数为一组,本系统设计为八组,共要显示27位数。采用静态显示，其方案如下：
方案一：不带锁存方式。显示器由9个共阴极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。9个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连，74LS164为8位串入并出移位寄存器，1、2为串行输入端，Q0-Q7为并行输出端，CLK为移位时钟脉冲上升沿移入一位；MR为清零端，低电平时并行输出为零。实验证明在显示位数超出6位，数码管有闪烁的现象。
方案二：带锁存方式。采用带有锁存功能的移位寄存器74LS595芯片，74595的数据端：QA--QH: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。QH': 级联输出端。我将它接下一个595的SI端。SI: 串行数据输入端。74595的控制端说明：SRCLR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常接Vcc。SRCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级）RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。(通常我将RCK置为低电平，) 当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级），更新显示数据。13脚: 高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。与164只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。
根据以上论证，采用方案二。
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3.6 计分器键盘的选择 方案一：行列式键盘 行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是M*N个。这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，列线接P1.0~P1.3行线接P1.4~P1.7，行列适用于按键输入多的情况。 方案二：独立式键盘 键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了16根I/O口线，需要占用比较多的I/O口线这种类型的键盘， 根据以上论证，采用方案一。 4 模块的最终方案 主控制器模块：采用AT89C51单片几机控制 抢答器显示模块：数码管显示 电源方案的选择：采用三端稳压器电路 枪答器键盘模块：独立式键盘 计分器显示模块：采用带有锁存功能的移位寄存器74LS595芯片 计分器键盘模块：行列式键盘 5 电子智能抢答器系统的硬件电路设计 5.1 计分器的电路设计 主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes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，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。 5.1.1计分器系统的硬件电路 计分器的工作原理是采用最小系统，用4x4键盘来输入是选手需要加减进行分数的加减输入。主板上的6个数码显示，加几分的数，按确定键后分数值从串口p3.0，p3.1传到计分器显示模块上再通过数码管驱动模块显示。原理图如图- 20 -