基于单片机的打地鼠实训总结报告.doc

编号：

桂林电子科技大学信息科技学院

单片机原理及串口技术
实训论文说明书

题 目： 打地鼠游戏机
系 别： 机电工程系
专 业： 机械电子工程
学生姓名： 朱子任
学 号： 145322
指导老师： 莫荣
职 称： 教授

√

题目类型：理论研究 试验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究

年 6月 20 日

独 创 性 声 明

本人郑重申明：所呈交学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得结果。除文中已经注明引用内容外，本论文不含任何其它个人或集体已经发表或撰写过作品结果。对本文研究做出关键贡献个人和集体，均已在文中以明确方法标明。本人完全意识到本申明法律结果由本人负担。

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导师署名： 日期：

摘 要

伴随电子科技飞速发展，单片机在电子及自动控制领域均得到了广泛应用。MCS-51单片机经历了几十年发展以后，现在在技术、配套教材及资料上均已十分成熟。经过对51单片机进行系统设计，同学们能够愈加好掌握单片机基础原理和设计开发过程。此次实训内容为打地鼠游戏机设计和制作，来实现：利用led灯亮灭表示“地鼠”进出地鼠洞，经过光敏元件代表锤子实现信号转化，并由单片机控制led亮灭，数码管显示。实训设计制作共耗时一周，实训作品可实现“地鼠”随机出现，数码管显示，光敏原件检测是否“击中”，单片机自行判定和通关等功效，作品运行稳定，完全达成了实训要求。经过实训，本人已对C51单片机基础了解，并有了较深刻认识。

关键词：led随机显示； 光敏原件； 数码管显示； 单片机；

目 录

引言……………………………………………………………………………2
1 方案设计……………………………………………………………………2
1.1 软件设计方案…………………………………………………………………2
1.2 硬件设计方案…………………………………………………………………2
2 总设计………………………………………………………………………2
2.1 软件设计……………………………………………………………………2
2.2硬件设计……………………………………………………………………3
3.硬件设计……………………………………………………………………2
3.1单片机系统设计………………………………………………………………2
3.1.1单片机选择………………………………………………………………2
3.1.2 单片机引脚功效………………………………………………………………4
3.1.3 单片机最小系统……………………………………………………………5
3.2数码管显示模块设计……………………………………………………………6
3.3“地鼠洞”模块电路……………………………………………………………7
3.4 信号转换模块电路…………………………………………………………………7
3.4.1 LM358电压比较器…………………………………………………………………7
3.4.2 光敏电阻…………………………………………………………………7
3.4.3光电信号转换…………………………………………………………………7
4.软件设计…………………………………………………………………8
4.1主程序设计…………………………………………………………………8
4.2程序展示…………………………………………………………………9
5.总结…………………………………………………………………11
辞谢…………………………………………………………………11
参考文件…………………………………………………………………11

引言
伴随电子科技飞速发展，单片机在电子及自动控制领域均得到了广泛应用。MCS-51单片机经历了几十年发展以后，现在在技术、配套教材及资料上均已十分成熟。经过对51单片机进行系统设计，同学们能够愈加好掌握单片机基础原理和设计开发过程。此次实训作品关键由：单片机最小系统、数码管显示模块、信号转换模块、“地鼠洞”模块组成。此次实训关键是C51单片机最小系统，以后是其它拓展模块。下面就从相关方面进行叙述。

1. 方案设计
将51单片机作为控制关键，倒数计时、关卡序号、分数由一个静态数码管显示。“地鼠冒出”信号由单片机P2端口输出到地鼠洞模块，以后对应led点亮。此时用一光敏元件进行光信号识别，（在这里推荐使用无极性光敏电阻），并发送给LM358比较器，再由比较器，将对应电位输送给单片机进行计算和显示。
具体操作步骤为：

1.1 软件设计方案
利用keil对51单片机编程，使其在显示“地鼠”前，先利用静态数码管显示一组3-1三秒倒数计时。以后，利用相关算法使“地鼠们”随即从洞里钻出（既led逐一点亮），同时LM358比较器比较光敏电阻电位从而判定“锤子”（光敏电阻）是否打到地鼠，并输出相关信号给单片机P1.0端口。单片机统计被打到地鼠个数，和对应时间以制作下一组“地鼠”冒出次序数组。当十个“地鼠”全部打完时，led停止显示，数码管显示分数。同时单片机依据打到地鼠个数选择是否过关。在负责输入信号按键按下后，下一关开始。

1.2 硬件设计方案
本实训设计“打地鼠游戏机”，由C51单片机最小系统、数码管显示模块、信号转换模块、“地鼠洞”模块组成。“地鼠”冒出又被打回或自动缩回原理是，在单片机控制下，led被作为“地鼠”依次点亮，看成为“锤子”光敏电阻接触到发光led上时候，光敏电阻组织发生改变，LM358感应电位改变并输出低电平给单片机P1.0端口。“地鼠”打完后，数码管显示分数，若分数足够，让独立按键选择是否进入下一关。
本硬件可分为四大部分：C51单片机最小系统、数码管显示模块、信号转换模块、“地鼠洞”模块。

2． 总体设计
2.1 软件设计

开始

单片机初始化

倒数计时

地鼠冒出
·

统计打地鼠时间
分数+1
是否打到地鼠
是

否
是否打满10只地鼠
否

是
显示分数

是否通关
分数是否够高
是 是

否
地鼠冒出时间减半

2.2 硬件设计

单片机最小系统

“地鼠洞”模块
信号转换模块
数码管显示模块

3 硬件设计
3.1 单片机系统设计
3.1.1 单片机选择
通常在系统设计当中，能否完成设计任务最关键就在于系统关键器件是否选择适宜，而单片机更是是系统控制关键，所以对单片机选择更是异常关键。假如选择了一个适宜单片机不仅能够最大地简化系统操作，而且其功效可能是最好，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。现在，市面上单片机种类繁多，而且她们在功效方面也是各自有各自特点。在通常情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑多个方面有[5]：
（1）单片机最基础性能参数指标。比如：实施一条指令速度、程序存放器容量，I/O口引脚数量等。
（2）单片机一些增强功效。
（3）单片机存放介质。比如：对于程序存放器来说，最好选择是Flash存放器。
（4）单片机封装形式。封装形式多个多样，比如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。
（5）单片机对工作温度范围要求。比如：在进行设计户外产品时，就必需要选择工业级芯片，以达成温度范围要求。
（6）单片机功耗。比如，假如信号线取电只能提供几mA电流，所以为了能满足低功耗要求这个时候选择STC单片机是最适宜。
（7）单片机在市面上销售渠道是否通畅、其价格是否廉价。
（8）单片机技术支持网站怎样，卖家提供芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。
（9）单片机保密性是否很好，单片机抗干扰性能怎样等。
51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面和标准52系列单片机能够完全兼容。51系列单片机实施速率快(最高时钟频率为90 MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户资源[5]。依据本系统设计实际要求，选择AT89S51单片机做为本设计单片机使用，它是由ATMEL企业生产高性能、低功耗CMOS 8位单片机。89S51单片机含有以下多个性能特点：4 k字节闪存片内程序存放器，128字节数据存放器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中止源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗闲置和掉电模式[5]。
单片机引脚功效图图3.1所表示。

图3.1 51单片机引脚功效图
3.1.2 单片机引脚功效
（1）电源引脚
Vcc（40脚）：正电源引脚，工作电压是5 V。
GND（20脚）：接地端。
（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
为了产生时钟信号，在89S51单片机芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器输出端 [5]。单片机使用工作方法是自激振荡方法，XTAL1和XTAL2外接是12 MHz石英晶振，使内部振荡器根据石英晶振频率频率进行振荡，从而就能够产生时钟信号。时钟信号电路图 3.2所表示。

图3.2 时钟信号电路
（3）复位RST（9脚）
当振荡器运行时，只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，假如将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不停地进行复位[5]。复位后P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功效寄存器将全部清零[5]。本课题设计单片机复位电路图3.3所表示。

图3.3 单片机复位电路图
（4）输入输出口（I/O口）引脚
P0口是一个三态双向口，既能够作为数据和地址分时复用口，又能够作为通用输入输出口[5]。P0口在有外部扩展存放器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正双向口；而在没有外部扩展存放器时，P0口也能够作为通用I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外，P0口输出级含有驱动8个LSTTL负载能力即输出电流大于800 uA[5]。
P1口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一个功效，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用[5]。
对于输出功效，在单片机工作时候，能够经过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平[5]。比如： 指令CLR是清零意思，CLR P1.0意思就是让单片机P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1意思，SETB P1.0意思就是让单片机P1.0端口输出高电平[5]。
P2口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，而且P2口含有驱动4个LSTTL负载能力[5]。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部Flash程序存放器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存放器时，P2口就送出高8位地址[5]。在访问8位地址外部数据存放器时，P2引脚上内容在此期间不会改变[5]。
P3口也是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门第二功效[5]。P3口作为通用I/O口接口时，第二功效输出线为高电平。P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部Flash程序存放器编程时，此端接控制信息[5]。P3口第二功效，如表3.1所表示[5]。
表3.1  P3口第二功效表
P3引脚
兼用功效
P3.0
串行通讯输入口（RXD）
P3.1
串行通讯输出口（TXD）
P3.2
外部中止0请求输入端（ INT0）
P3.3
外部中止1请求输入端（INT1）
P3.4
定时器0输入端(T0)
P3.5
定时器1输入端(T1)
P3.6
外部数据存放器写选通信号输出端（/WR）
P3.7
外部数据存放器写选通信号输出端（/RD）
（5）其它控制或复用引脚
（a）ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存放器时，ALE（地址锁存许可）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出低8位地址；在不访问片外存放器时候，ALE端仍以不变频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率1/6),而在访问片外数据存放器时，ALE脉冲会跳空一个,此时是不能够做为时钟输出[5]。对片内含有EPROM机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲/PROG输入端[5]。
（b）/PSEN（29脚）：片外程序存放器读选通信号输出端，低电平时有效。当89S51从外部程序存放器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以经过数据总线P0口读回指令或常数。但在访问片外数据存放器时，/PSEN将不会有脉冲输出[5]。
（c）/EA/Vpp（31脚）：/EA为片外程序存放器访选择端。当该引脚访问片外程序存放器时，应该输入是低电平，要使89S51只访问片外程序存放器,这时该引脚必需保持低电平；而在对Flash存放器编程时，用于施加Vpp编程电压[5]。
3.1.3 单片机最小系统
单片机最小系统是其它拓展系统最基础基础，单片机最小系统是指一个真正可用单片机最小配置系统即单片机能工作系统。对于80S51单片机，因为片内已经自带有了程序存放器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就能够组成了单片机最小系统了。单片机最小系统图3.4所表示。

图3.4 单片机最小系统原理图
3.2 数码管显示模块设计
发光二极管缩写是LED，在每个数码管里面全部有8只发光二极管，它们分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp是小数点，每一只发光二极管全部有一根电极引到外部引脚上，而另外一只二极管引脚就连接在一起一样也引到外部引脚上，此引脚就记作公共端COM。
市面上常见LED数码管有两种即共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极是数码管里面发光二极阳极接在一起作为公共引脚即公共阳极，在使用时此公共引脚接到电源正极。相反，共阴极就是数码管里面发光二极管阴极接在一起作为公共引脚即公共阴极，在使用时此引脚接到电源负极。
单片机对数码管显示能够分为静态显示和动态显示，静态显示能够稳定地显示数值，不过搭建电路时比较烦索，而动态显示是数码管轮番显示再利用人眼“视觉暂留”特征，这么看出来就是在显示不一样数值[8]。数码管动态显示比较实用，电路构建简单，所以本设计采取动态扫描方法显示测量距离，只要轮番显示速度足够快时候就能够实现测量数值显示。显示模块选择4位共阳极数码管进行动态扫描，此扫描方法能完全达成显示要求。此次试训数码管输出数据并不复杂，故可采取静态数码管。同时，为预防单片机管脚输出功率过低，我们能够接上一个74Ls573h来提升输出功率。
数码管显示模块电路图3.5所表示：

图3.5 数码管显示模块电路图
3.3 “地鼠洞”模块电路
“地鼠洞”模块电路，其工作原理和数码管显示模块电路大致相同。为了让单片机愈加好显示“地鼠”冒出，我们能够将led阴极联在一起，而阳极分别连接单片机P2端口。同时为预防单片机输出功率不够，我们能够再接一个74Ls573h来提升功率。“地鼠洞”模块电路图3.6所表示：

图3.6“地鼠洞”模块电路图
3.4信号转换模块电路图
信号转换器模块关键是LM358电压比较器和光敏电阻。
3.4.1 LM358电压比较器
电压比较器是对输入信号进行判别和比较电路，是组成非正弦波发生电路基础单元电路
电压比较器能够看作是放大倍数靠近“无穷大”运算放大器。
其功效关键是：比较两个电压大小(用输出电压高或低电平，表示两个输入电压大小关系)：
当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
电压比较器作用：它可用作模拟电路和数字电路接口，还能够用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率方波或矩形波。它可用作模拟电路和数字电路接口，还能够用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率方波或矩形波。在本实训中，我们关键使用它作为电压比较器功效。
3.4.2 光敏电阻
光敏电阻又称光导体，常见制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料含有在特定波长光照射下，其阻值快速减小特征。这是因为光照产生载流子全部参与导电，在外加电场作用下作漂移运动，电子奔向电源正极，空穴奔向电源负极，从而使光敏电阻器阻值快速下降。使得光敏电阻阻值展现入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一个入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大改变趋势。
光敏电阻器通常见于光测量、光控制和光电转换（将光改变转换为电改变）。常见光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成。光敏电阻器对光敏感性（即光谱特征）和人眼对可见光（0.4~0.76）μm响应很靠近，只要人眼可感受光，全部会引发它阻值改变。设计光控电路时，全部用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

3.4.3 光电信号转换
光电信号转换模块电路基础原理是利用光敏电阻将光信号转换成模拟电位信号，再经过LM358电压比较器（接在3号“+”输入端口上）将模拟电位信号同另一比较端（接在2号“-”输入端上）参考电位信号比较，若3号端口电位低于2号端口，则1号输出端就输出低电平。同时，为实现选择关卡，本人在另外连接了三个按键开关用于输出低电平信号。光电电位转换模块电路图图3.7所表示：

图3.7 光电信号转换模块电路图

4. 软件设计
本设计采取是模块化思绪来进行设计和编写程序，程序关键由系统主程序和延时程序组成。主程序完成单片机初始化，倒数计时、显示“地鼠”、计算“地鼠”被打下时间、计算下一只“地鼠”位置和显示分数等。延时程序负责延时，协同主程序实施。
4.1 主程序设计：
初始化过后，为了游戏可玩性，先在数码管上显示倒数计时3秒，以后显示关卡序号。此时P2端口经过while循环显示“地鼠”，同时利用循环变量和延时控制“地鼠冒出时间”，当“锤子”打到地鼠或循环变量为0时，退出循环。倘若在“地鼠冒出”并“缩回”期间， “锤子”打到“地鼠”，则循环变量非零。从而可经过此方法判定“地鼠被打倒”。若真打到“地鼠”，分数自增，并将循环变量%8运算结果作为下一只“地鼠”冒出位置，从而实现“地鼠”随机出现。当打完十只“地鼠”后，游戏停止，数码管显示得分，以后经过连接P1.0按键继续游戏，假如得分高于8分，则可分别经过P1.1、P1.2选择是否过关，若过关，延时时间取原延时时间二分之一，然后，进入下一关，继续游戏。
整个程序关键是“地鼠”随机出现。为了加强游戏可玩性，很多游戏全部选择使用用随机函数实现随机控制。生成随机函数关键有两种方法：
方法一：定时器直接随机取值
这是利用人工按下按键开启定时器中止方法，每次按键按下就开启定时计数器，从而生成一个随机数。这种方法优点是随机性高，程序相对简单，适适用于51单片机初学者，而其对外部硬件和人工操作依靠较强。
方法二：使用随机函数库random（）
随机函数库random（）是单片机内部专门用来产生随机数函数库。Random（）和srandom（）程序全部包含在头文件 include <stdlib.h>里。当需要使用时，只要调用random（）函数。Srand（）函数将设置起始值，并由random（）函数伪随机数发生器使用。随机数发生器产生同一序列伪随机数，并传给定值。从而得到随机数。这种方法优点在于：程序实施时只需要CPU自己计算，不需要人为控制。而缺点在于，这类函数使用复杂。且随机数常常相同，实用性较低。
介于以上两种方法，本人设计随机算法关键参考第一个方法。既，在显示“地鼠”时，使用了while循环语句，并设置一变量在其中用于计算while循环语句循环次数。同时利用循环变量和延时控制“地鼠冒出时间”，当“锤子”打到地鼠或循环变量为0时，退出循环。倘若在“地鼠冒出”并“缩回”期间， “锤子”打到“地鼠”，则循环变量非零，从而断定“地鼠被打倒”。若真打到“地鼠”，分数自增，并将循环变量%8运算结果作为下一只“地鼠”冒出位置，从而实现“地鼠”随机出现。

4.2 程序展示
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit hit=P1^2;
sbit yes=P1^0;
sbit no=P1^1;
uchar code table[8]=
{0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};      //地鼠控制数组
uchar code score[10]=
{0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //数码管段选码
uchar a=100,b=10,c,d=2,e=1,x=100,s=0,time;

void delayms(uint x) //毫秒级延时函数
{
 uchar i,j;
 for(i=x;i>0;i--)
     for(j=110;j>0;j--);
}

void delay1s() //一秒延时函数
{
  uint k,l;
  for(k=1000;k>0;k--)
      for(l=110;l>0;l--);
}

void main()
{
  while(1)
  { 

    c=x; //装入延时变量
P3=score[3]; //倒数计时
delay1s();
P3=score[2];
delay1s();
P3=score[1];
delay1s();
P3=score[e];
    while(b)
{

   x=c; //重装延时变量
       a=100;
       P2=table[d]; //显示地鼠
       while(hit==1&&a>0) //检测地鼠被打到时间
       {
         P2=table[d];
         delayms(x);
     x=c;
         a--; 
       }  
       P2=0x00; //地鼠被打回
      delay1s();
   if(a) //将地鼠被打到时间转变为下一只地鼠位置
     {
   s++;
   d=a%8;
 }         
       while(hit==0); //等候锤子低电平过去
       delayms(x);
       while(hit==0);
   b--;
}
    x=c; //
    while(hit) //在hit按下前显示分数
    {
      P3=score[s];
    }    
    b=10;
    P3=0xff;
if(s>=8) //假如得分高于8分，将有权过关
{
  while(no&&yes);
  if(yes==0) //选择是否过关，过关后，地鼠冒出时间为过去二分之一
  {
    delayms(10);
if(yes==0)
{
  x=x/2;
  e++;
}
  }
}
    s=0;   //得分置零

  }

}

5 总结
经过担心一周，我们实训最终做完了。即使，单片机调试并不如想象中那么顺利，但最终，作品稳定工作，证实我们实训最终成功了。
经过此次试训，我们对单片机了解更深了一步，也对C语言有了更深刻了解，尤其是在C语言编程，调试方面，我学会了将实训总功效分解为若干子功效；并根据前后循序进行排序，并逐一处理；从而逐步实现各个功效；最终实现全部功效方法。能够说，这次实训极大地提升了我独立思索，独立处理问题，距离成为合格程序员又近了一步。相信这将是我专业又一个关键里程碑。

辞谢

感谢我们导师莫荣对我们实训悉心教导。导师严谨扎实工作态度和科学思想方法极大地
帮助和影响了我们思维方法。对此，我们衷心对她关系和指导表示感谢。
在工作期间，机器人研究中心也给了我们很大帮助。文学，吴金帅等同学对我们论文和实训提出了很多宝贵意见。在此，我们对她们帮助表示感谢。
另外，我更要感谢我伙伴，感谢她帮助和支持。

参考文件
唐颖.单片机原理和应用及C51程序设计 北京：北京大学出版社 .8
郭天祥.51单片机C语言教程——入门、提升、开发、拓展全攻略 电子工业出版社 .1