1、毕业设计开题报告 电子信息工程 单片机设计八路抢答器 1 选题的背景、意义 电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时 /计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。 随着集成电路技术和工艺的飞速发展， 真正单片化的单片机已经成为主流产品。过去需要用到很多的外部设备来实现的功能，现在只要通过对单片机的
2、开发研制就可以实现。单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。单片机真正单片化，省去了大量的硬件开发调试工作和以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，大大地提高了工作效率；现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。单片机的应用 意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，也使电路简单化和微型化。它是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。经实验测试，实现
3、同样功能的系统，采用单片方式比总线扩展方式具有更多的优点。系统不仅功能强、性能可靠、成本降低，而且进一步微型化和便携化。 现代电子电路的快速发展，以及电子行业对现有电子工程技术的不断需求，特别是对实际操作实践的电子人才的需求越来越多，所以加强学生动手能力、重视实践应该是电子发展需求的必然趋向。实践动手能力的培养是一种综 合能力，这种能力当然是在一定难度的前提下完成的，通过一定数量的实践才能逐步形成的。因此在培养实践能力的同时，要通过实践来不断的发现问题和解决问题的途径和方法，从而提高实践能力。 近年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、
4、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色。单片机应用技术已成为一项新的工程应用技术。本次实习设计的题目为基于单片机的抢答器 1-3。 电子抢答器是以单片机作为控制核心。其工作原理是采用最小单片机系统，用独 立式键盘来进行抢答，采用四位动态数码显示。本次设计实现的功能为：允许 8组选手抢答；能显示抢答组号；设有抢答倒计时及答题时间倒计时；并且在答题过程中，如果选手求助，答题倒计时可以重置；同时如有选手犯规，能发出报警声并且显示犯规组号；比赛结束时，能发出报警声。 现实意义 :通过此次毕业设计的锻炼，可以增强我将知识综合运用的能力和适应实际的工作的能力，将课堂学到的知识与实际工作中的问
5、题结合起来，培养我们自己解决实际问题的能力，同时也增强了学生适应实际工作的能力，是迈向实际工作岗位前的一次重要的演练。同时可以 为我们以后步入社会打下坚实的基础。八路抢答器就是通过单片机技术的不断演变，设计出来的一种具有较高的灵活性和可靠性的产品。与传统的人为发出声音的命令方式来实现抢答相比它有着更加明显的优点。基于 MCS-51 单片机的八路抢答器是一种用数字电路技术实现抢答功能，单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发信号，然后返回到控制系统。面对现今的各种知识竞赛，电视台的娱乐竞赛或各类抢答游戏，公平性和正确度要求也随之增强，抢答器的应用越来越广泛。 本次通过设计八
6、路抢答器来研究单片机各项性能指标以及它在各方 面的影响。 2 相关研究的最新成果及动态 单片机诞生于 20 世纪 70年代末，经历了 SCM、 MCU、 SoC三大阶段。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SoC化趋势。随着微电子技术、 IC设计、 EDA工具的发展，基于 SoC的单片机应用系统设计有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置， 飞机上各种仪表的控
7、制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统 (GPRS)，录象机、摄象机，以及程控玩具等等，这些都离不开单片机 4。 单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产 厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术： EFT（ Ellectrical Fast Trans
8、ient）技术，低噪声布线技术及驱动技术，采用低频时钟。同时单片机在目前的发展形势下还表现出可靠性及应用越来越水平高和互联网连接，所集成的部件越来越多，功耗越来越低和模拟电路结合越来越多等发展趋势 5-7 。 单片机又称 单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一 个 计算机系统集成 到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行
9、总线，还有和硬盘作用相同的 存储器 件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过 10 元即可 .用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、 VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影！ .它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的 主要区别 8-9。 单片机是靠 程序 运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些
10、则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用 美国50 年代开发的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯 硬件 来搞定的话，电路 一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机， 电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群
11、移动通信，无线电对讲机等 10。 单片机发展现状及应用 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： （ 1）在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素 、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 （ 2）在工业控制中的应用 用单片
12、机可以构成形式多样的控制系统、 数据采集系统 。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 （ 3）在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 （ 4）在 计算机网络 和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机 、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日
13、常工作中随处可见的移动电话， 集群移动通信 ，无线电对讲机等。 （ 5）单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途 11。现在可以说单片机是 百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、 16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地 12-13。 单片机发展趋势 纵观单片机的发展过程，可以预示单
14、片机的发展趋势，大致有： （ 1）低功耗 CMOS 化 MCS-51系列的 8031推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金 属氧化物半导体工艺 )。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺 )和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺 )。 CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 （ 2）微型单
15、片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 (CPU)、随机存取数据存储 (RAM)、只读程序存储器 (ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时 钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D转换器、 PMW(脉宽调制电路 )、 WDT(看门狗 )、有些单片机将 LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD
16、(表面封装 )越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 （ 3）主流与 多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS公司的产品， ATMEL公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精简指令集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，
17、这种情形将得以 延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路 14-15。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 ( )抢答器的主体电路设计 抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码器 74148和 DFF锁存器可以完成上述功能。其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时， RS触发器的端为低电平，输出端（ 4Q 1Q）全部为低电平。于是 74LS48的 =0，显示器灭灯； 74148的选通输入端 =0， 74LS1
18、48处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端 7. 0输入信号，当有选手将键按下时 (如按下 S5)， 74LSl48的输出 =010， =0，经 RS锁存器后， CTR=l， =1， 74LS279处于工作状态， 4Q3Q2Q=101，经 74LS48译码后，显示器显示出“ 5”。此外， CTR=1，使 74l48的端为高电平， 74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其 它按键的输入。当按下的键松开后， 74LSl48的为高电平，但由于 CTR维持高电平不变，所以 74LSl48仍处于禁止工
19、作状态，其它按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关 S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。 ( )定时电路设计 原理及设计：该部分主要由 555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器 74LS192减法计数电路、 74LS48译码电路和 2个 7段数码管即相关电路组成。两块 74LS192实现减法计数，通过译码电路 74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。 74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，如果要设置为
20、 30S，就可以在计数器的预置数控制端输入 00110000。时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。 ( )报警电路 的设计 采用 555定时器和三极管构成的报警电路。 (4)时序控制电路设计 与门 G1 的作用是控制时钟信号 CP的放行与禁止，门 G2的作用是控制74LS148的输入使能端。工作原理是：主持人控制开关从 “清除 “位置拨到 “开始 “位置时，来自于图中的 74LS279的
21、输出 1Q,即 CTR=0，经 G3反相，输出为 1，则NE555产生的时钟信号 CP能够加到 74LS192的 CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则 “定时到信号 “为 1，门 G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态。当选手 在定时时间内按动抢答按键时， CTR 1，经G3反相，输出为 0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门 G2的输出 =1， 74LS148处于禁止工作状态。当定时时间到时，则 “定时到信号 “为 0， /ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门 G1处于关门状态，封锁时钟 CP信号，使定
22、时电路保持 00状态不变，此次抢答结束。 集成单稳态触发器 74LS121用于控制报警电路及发声的时间。 (5) 电源电路 电源电路采用三端集成线性稳压集成块， L7805CV，因为它的 外围电路比较简单，并且工作比较稳定，很适合 74系列的集成块。它的稳压精度为 2%，工作电流 1.5A，封装为 TO-220(A)，工作温度也很不错，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为 35V，能对电路的长时间工作有很大的保障。 4 研究工作详细进度和安排 1.第一学期 1月 10 之前完成文献综述和外文翻译 ； 2.第二学期第 1周完成开题报告； 3.其间完成完成毕业设计，毕业论文撰写 ,上交指导教
23、师评阅； 4.第 2学期 5月 27， 28， 29 毕业论文答辩 。 5 参考文献 1任致程 .经典集成电路 400例，机械工业出 版社， 2002 2刘法治 .常用电子元器件及典型芯片应用技术 ,机械工业出版社 ,2007 3胡汉才 .单片机原理及其接口技术 .北京：清华大学出版社， 1996 4张静，钟章队 .GSM 中的通用分组无线业务 GRRS.电信技术， 2002.2 5Goldberg A V， Harrelson C.Computing the Shortest Path:A* Search Meets Graph Theory C/Proc.16th Annual ACM-S
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