人體反應速度測試儀 畢業(yè)設計-

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1、 第一章 課題綜述 1.1 課題背景 速度素質(zhì)是指人體進行快速運動的能力，即在單位時間內(nèi)迅速完成某一動作或通過某一距離的能力。反應速度是指人體對刺激發(fā)生反應的快慢。從生理機制分析，反應快慢取決于“反射弧”的五個環(huán)節(jié)：感受器—傳入神經(jīng)—神經(jīng)中樞—傳出神經(jīng)—效應器。下面以MCS-8051單片機為核心，設計出測試人體反應速度的儀器用以測試人的反應時間。我們學習的是單片機理論知識，而課程設計則是對我們學習的理論知識的實踐和鞏固。 1.2 設計要求 基于MCS-8051單片機的人體反應速度測試儀設計要求如下： 1.按下“開始”按鈕，紅燈亮，按鈕一直保持按下狀態(tài)。

2、 2.紅燈持續(xù)點亮一段隨機時間，然后熄滅，燈熄滅時人松開按鈕。 3.計算燈熄滅的時間和按鈕被松開的時間之差，顯示出來。 4.若測試者在紅燈熄滅之前松開按鈕，則顯示出錯信息。 1.3 面對的問題 1.對MCS-8051單片機的了解和應用。 2. 對八段數(shù)碼管的特性的了解和使用。 1.4 需解決的關鍵技術 課題主要通過控制紅燈的狀態(tài)，通過測試按鈕的狀態(tài)來間接計算人體反應速度。要了解每一段數(shù)碼管與MCS-8051單片機的連接，數(shù)碼管顯示數(shù)字的段碼，各個芯片的輸入輸出關系，單片機內(nèi)部定時器的原理與控制，必須通過查閱資料確定。必須了解數(shù)碼管顯示器的顯

3、示原理。 第二章 系統(tǒng)分析 2.1 涉及的基礎知識 通過學習和查閱資料，本課題需要掌握和了解如下知識： 1.MCS-8051單片機各輸入輸出端口的功能特性。 2.MCS-8051單片機復位電路工作原理及設計。 3.MCS-8051單片機晶振電路工作原理及設計。 4.測試按鈕、測試燈電路設計。 5.驅(qū)動器74LS244、反相器74LS04的特性及使用。 6.數(shù)碼管顯示器的特性及使用。 7.MCS-8051單片機引腳。 8.單片機內(nèi)部定時器原理及使用。 9.單片機C語言及

4、程序設計。 2.2 MCS-8051單片機簡介 隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，在一個集成電路芯片上集成了中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、各種I/O接口等，構成了一個計算機，稱為單片機。也就是說，單片機是集成在一塊集成電路芯片上的計算機。單片機以其較高的性價比、較高的集成度、較高可靠性、較強控制功能以及低電壓、低功耗、偏于攜帶等優(yōu)點收到廣大用戶的青睞。 MCS-51系列單片機以其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富指令系統(tǒng)，堪稱為一代“名機”，為以后的其他單片機發(fā)展奠定了基礎。MCS-51系列單片機具有

5、品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富等特點，因此應用非常廣泛，直到現(xiàn)在MCS-51系列單片機仍為單片機中的主流機型，也是高檔單片機的基礎。 8051是MCS-51系列單片機中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個專用控制寄存器、4KB的程序存儲器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4組8位的并行口、兩個16位的可編程定時/ 計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。8051中集成了完善的各種中斷源，用戶可十分方便的控制和使用其功能，使得它的應用范圍加大，可以說它可以滿足絕大部分的應用場合。 2.3 MCS-8051單片機引腳圖 MCS-8051單片機采用40條引腳的雙

6、列直插式封裝，引腳配置如圖2—1所示。 單片機電源引腳接入單片機的工作電源：VCC引腳接+5V電源，VSS引腳接地。 單片機時鐘由引腳XTAL1和XTAL2接外部時鐘配置電路組成。 單片機復位，當振蕩器運行時，在RST引腳加上兩個機器周期的高電平使單片機復位。 MCS-8051單片機具有4個8位的輸入/輸出口，P0、P1、P2和P3口。 P0口是雙向8位三態(tài)I/O口，此口常作為地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可帶8個LSTTL負載。 P1口是8位準雙向I/O口，可帶4個LSTTL負載。 P2口是8位準雙向I/O口，常作地址總線高8位使用

7、，可驅(qū)動4個LSTTL負載。 P3口是8位準雙向I/O口，為雙功能復用口，可驅(qū)動4個LSTTL負載。 2.4 數(shù)碼管顯示器 2.4.1 數(shù)碼管顯示器的特性 1.發(fā)光響應快，亮度強，高頻特性好；而且隨著材料的不同，數(shù)碼管還能發(fā)出紅、黃、綠、藍、橙等多種顏色的光。 圖2—1 MCS-8051單片機引腳圖 2. 機械性能好，體積小，重量輕，價格低廉；能與COMS和TTL電路配合使用；使用壽命長。 3. 工作電壓低，驅(qū)動電流適中。每段電流為5~10mA，一只數(shù)碼管的8段LED全亮需要電流35~70mA。這樣打的電流需要由驅(qū)動電路提供，因此，使用時要注意數(shù)碼管的驅(qū)動問題

8、。 在使用中，為了給發(fā)光二極管加驅(qū)動電壓，他們應有一個公共的引腳，公共的引腳有如下兩種鏈接方法：一、共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連接在一起構成陰極公共引腳，使用時公共引腳接地，這樣陽極引腳上加高電平的發(fā)光二極管就導通點亮，而加低電平的則不亮。二、共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連接在一起作為陽極公共引腳，使用時陽極公共引腳接+5V。這樣陰極引腳上加低電平的發(fā)光二極管即可導通點亮，而加高電平的則點不亮。本課題采用SR410561K四位一體數(shù)碼管，為共陽極接法，位選信號位高電平有效，段碼信號為低電平有效。 2.4.2 數(shù)碼管的顯示原理 并排使用的多位數(shù)碼管組成數(shù)碼管顯示器。數(shù)碼管顯示

9、器多采用動態(tài)顯示方式，全部數(shù)碼管共用一套段碼驅(qū)動電路，各位數(shù)碼管的同段引腳短接后再接到對應段碼的驅(qū)動線上。顯示時通過位控制信號采用掃描的方法逐位地循環(huán)點亮各位數(shù)碼管。動態(tài)顯示雖然在任一時刻只有一位數(shù)碼管被點亮，但是由于人眼具有的視覺殘留效應，看起來與全部數(shù)碼管持續(xù)點亮的效果完全一樣。 數(shù)碼管顯示器的動態(tài)顯示需要為各位提供段碼以及相應的位控制，此即通常所說的段控和位控。把數(shù)碼管顯示器段碼表預先存放在存儲器中，使用時通過查表就可以得到段碼。段碼輸出后送到公共端碼線上，也可稱為段控信號。而通過并行口輸出的相互獨立的位碼則是起選通作用的，也稱位控活掃描信號，用于選擇顯示位。 動態(tài)顯示具有硬件簡單

10、，功耗低和顯示靈活性強等優(yōu)點。但動態(tài)顯示增加了驅(qū)動軟件的復雜性，且顯示亮度較低。 2.4.3 數(shù)碼管顯示器段碼 SR410561K四位一體數(shù)碼管采用共陽極接法，單個數(shù)碼管如圖2—2所示。 圖2—2 八段數(shù)碼管 則數(shù)碼管段碼如表2—1所示。 表2—1 數(shù)碼管段碼 顯示數(shù)字 Dp g f e d c b a 段碼 0 11000000 c0 1 11111001 f9 2 10100100 a4 3 10110000 b0 4 10011001 99 5 10010010 92 6 10000010 82 7 11111

11、000 f8 8 10000000 80 9 10010000 90 A 10001000 88 b 10000011 83 C 11000110 c6 d 10100001 a1 E 10000110 86 F 10001110 8e 2.5 定時器 2.5.1 定時器工作原理 在MCS-8051單片機內(nèi)集成了兩個16位的定時器/計數(shù)器T0和T1，其基本工作原理是加1計數(shù)，即對指定的脈沖信號進行加1操作，直到出現(xiàn)溢出為止。當T0和T1作為定時器使用時，其計數(shù)脈沖信號取自單片機內(nèi)部的時鐘信號，每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，使計

12、數(shù)器加1。 T0和T1分別有兩個8位的計數(shù)器組成，其中T0由特殊功能寄存器TH0與TL0組成，而T1則由特殊功能寄存器TH1與TL1組成。這四個寄存器用來存儲定時或計數(shù)使用的初值，所以也被稱為時間常數(shù)存儲器。特殊功能寄存器TMOD和TCON完成對定時器/計數(shù)器的控制功能。 2.5.2 定時器的控制 MCS-8051單片機的定時功能是由特殊功能寄存器TH0,TL0,TH1,TL1,TMOD和TCON完成的。 特殊功能寄存器TMOD用于確定定時器的工作方式，格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 G

13、ATE C/T M1 M0 其中，前4位用于控制T1的工作方式，后四位用于控制T0的工作方式。本課題僅使用T1作為定時器，選擇工作方式為方式1，即為選擇T1為16為定時器。則TMOD的值應設置為00010000B，即TMOD=0x10。 特殊功能寄存器TCON用于用于控制定時器的啟動和停止技術，同時包含了定時器的狀態(tài)，可進行位尋址。格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 本課題中用到的控制位有TI的控制位TR1和TF1，無需中斷控制。TR1為

14、T1運行控制位，若TR1=1，允許T1計數(shù)，若TR1=0，禁止T1計數(shù)。TF1為T1計數(shù)溢出標志值，當T1被允許計數(shù)后，T1從初值開始加1計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時，TF1由硬件置1，TF1的信息可由軟件查詢。 2.5.3 定時器初值的設定 本課題中，設置初值使T1的定時周期為1ms。當紅燈熄滅后，定時器開始工作，每1ms定時器產(chǎn)生一次溢出，使數(shù)碼管要顯示的反應時間以毫秒為單位加1，達到使數(shù)碼管顯示人體反應時間的目的。 T1采用工作方式1定時，時鐘頻率采用6MHz，則計數(shù)初值： x=216-6106110-3/12=65536-6000/12=65036 化為二

15、進制x=1111111000001100B，則計數(shù)初值應為TH1=0xfe ,TL1=0x0c。 第3章 總體方案設計 3.1 總體方案 數(shù)碼管的顯示電路中采用動態(tài)數(shù)碼管顯示。采用MCS-8051單片機的P0端口（P0.0~P0.7端口）控制段碼，低電平有效。P2.0~P2.3端口控制4位數(shù)碼管的位選擇，高電平有效。（P2.3端口控制第1個數(shù)碼管，P2.2端口控制第2個數(shù)碼管，P2.1端口控制第3個數(shù)碼管，P2.0端口控制第4個數(shù)碼管)。 各個數(shù)碼管的段碼都是P0端口的輸出，即各個數(shù)碼管輸入

16、的段碼都是一樣的，為了使其分別顯示不同的數(shù)字，可采用動態(tài)掃描的方式，即先只讓最低位顯示，經(jīng)過一段延時，再只讓次低位顯示，以此類推。由于視覺暫留，只要延時時間足夠短，就能夠使得數(shù)碼的顯示看起來非常穩(wěn)定清楚。 3.2 功能模塊框圖 人體反應速度測試儀的功能模塊框圖如圖3—1所示。 硬件電路由MCS-8051單片機、電源電路、測試按鈕和測試燈電路、晶振電路、復位電路、驅(qū)動電路、反相電路以及數(shù)碼管顯示電路組成。 電源電路 測試按鈕和測試燈電路 數(shù)碼管顯示電路 MCS—8051 單片機 復位電路 驅(qū)動電路 反相電路

17、 晶振電路 圖3—1 人體反應速度測試儀功能模塊框圖 第4章 系統(tǒng)硬件設計 4.1 硬件連接圖 4.1.1 測試按鈕與測試燈電路 MCS-8051單片機的P1.0端口控制一個發(fā)光二極管，即為測試紅燈。發(fā)光二極管加限流電阻接+5V電源，當單片機的P1.0端口輸出低電平時，紅燈亮，輸出高電平時，紅燈滅。P1.1端口接“開始”按鈕，按鈕另一端接地。若按鈕按下，則P1.1口輸入低電平，否則輸入高電平。 4.1.2 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管采用SR410561K四位一體數(shù)

18、碼管。MCS-8051單片機的P0口的8個端口（P0.0~P0.7）控制數(shù)碼管的八段數(shù)碼顯示。 P0口8位輸出經(jīng)限流電阻接入到數(shù)碼管顯示器的段碼端口。數(shù)碼管采用共陽極接法，低電平有效。限流電阻的接入是由于在應用數(shù)碼管進行顯示時，首先需要考慮的問題是驅(qū)動電流，與發(fā)光二極管相同，數(shù)碼管的發(fā)光段也需要串聯(lián)限流電阻，串聯(lián)限流電阻的組織越大，電流越小，亮度越低；電阻阻值越小，電流越大，亮度越高。在使用限流電阻時需要在每一個線段上都串聯(lián)限流電阻，而不要在公共端上串聯(lián)一個限流電阻，否則在顯示不同的數(shù)字時，會造成數(shù)碼管亮度的不同。 單片機P2口的P2.0~P2.3控制4位數(shù)碼管的位選，P2口輸出經(jīng)限流電阻

19、后需進行反相，反相之后經(jīng)驅(qū)動電路接入到數(shù)碼管顯示器的位選端。 4.1.3 晶振電路 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的運行。單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能正常工作。MCS-8051單片機的時鐘可以由內(nèi)部方式或外部方式產(chǎn)生。本課題采用內(nèi)部方式的晶振電路，如圖4—1所示，一般選用石英晶體振蕩器。利用 MCS-8051單片機內(nèi)部的震蕩電路，并在XTAL1和XTAL2兩腳間外接晶體以及電容C1和C2構成的并聯(lián)諧振電路，使內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩。組成時鐘電路的晶體振蕩

20、器的頻率大小決定了單片機系統(tǒng)的工作頻率，即決定著單片機的工作速度，本課題時鐘頻率采用6MHz。 圖4—1 晶振電路 4.1.4 復位電路 采用上電自動復位電路，工作原理是：通電瞬間，RC電路充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效復位。當晶振頻率選用6MHz時，C取22uF,R取1k歐，如圖4—2所示。 圖4—2 復位電路 4.1.5 驅(qū)動電路 用四個PNP數(shù)碼管作為每一位數(shù)碼管的驅(qū)動電路，這樣使得數(shù)碼管電流更大，亮度更亮。P2.0~P2.3控制數(shù)碼管顯示器的四個位，當相應的端口變?yōu)楦唠娖綍r，經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，?qū)動相

21、應的三極管會導通，+5V通過相應的驅(qū)動三極管給數(shù)碼管相應的位供電，這時只要P0口送出相應的顯示段碼，數(shù)碼管就能顯示出所需數(shù)值，即顯示定時器的計時數(shù)值。 4.1.6 反相電路 由于程序中設置P2口輸出的位選信號為高電平，使驅(qū)動三極管導通應使用低電平，即在位選信號輸出線路中限流電阻后應接入反相器。本課題反相器采用74LS04反相器。74LS04芯片為6非門(反相器)，內(nèi)部含有6個coms反相器，74LS04的作用就是反相。反相器輸出三極管驅(qū)動電路接入到數(shù)碼管位選端口。74LS04如圖4—3所示。 圖4—3 74LS04反相器 4.2 實現(xiàn)方法 主程序采用查詢方式，當按

22、鈕按下時，MCS-8051單片機使LED燈亮起的同時調(diào)用隨機函數(shù)產(chǎn)生一個隨機時間，單片機利用產(chǎn)生的這個隨機時間計時。計時時間到，MCS-8051單片機輸出使P1.0端口為高電平，LED測試燈熄滅，MCS-8051單片機進行新的一輪計時，當測試者松開按鈕時，計時時間停止，單片機把這個計時時間送往數(shù)碼管顯示電路顯示。 當MCS-8051單片機第一輪的計時時間還未到時，若按鈕松開，則單片機輸出錯誤提示，使數(shù)碼管顯示為9999。 4.3 詳細流程圖 圖4—1 詳細流程圖 第五章 程序代碼編寫 5.1 按鈕電路的實現(xiàn)

23、 描述：讀取按鈕當前的狀態(tài) byte bot(void) //按鈕狀態(tài)，若按鈕被按下則返回0，否則返回1 { if(key==0) return 0; else return 1; } 5.2 四位數(shù)碼管顯示電路的實現(xiàn) 描述：數(shù)碼管進行顯示反應時間 void display(word ms) //數(shù)碼管上的顯示反應時間 { byte posi=0x01,i,j,temp; //posi初始化選擇為最低位 disp[3]=ms/1000;

24、 //1s disp[2]=(ms%1000)/100; //100ms disp[1]=(ms%100)/10; //10ms disp[0]=ms%10; //1ms for(i=0;i<4;i++) //數(shù)碼管顯示 { temp=disp[i]; temp=table[temp]; for(j=0;j<200;j++) {

25、 P2=posi; //P2口進行位選擇 P0=temp; //P0口進行段選擇 } posi=posi*2; //posi二進制向左移動一位，選擇下一位 } } 5.3 隨機函數(shù)的實現(xiàn) 描述：用隨機函數(shù)產(chǎn)生一個隨機數(shù)，為隨機時間，即按鈕按下到紅燈熄滅的時間 unsigned long random(void) //生成隨機數(shù) { word rt; srand

26、 (50000); //產(chǎn)生的隨機數(shù)的范圍為0-50000 rt=rand(); //產(chǎn)生一個隨機數(shù) return rt; } 5.4 定時器程序的實現(xiàn) 描述：定時器初始化程序 void INIT_T1(void) { TMOD=0x10; //定時器1為工作方式1 TH1=0xfe; //定時器1的周期為1ms TL1=0x0c; T

27、R1=1; //啟動定時器1 } void lms(void) //1ms產(chǎn)生一次溢出 { INIT_T1() ; while(1) { if(TF1==1) //等待定時器1溢出 { break; } } } 5.5 主函數(shù)的實現(xiàn) #define led P1^0 #define key P1^1 void main(void

28、) { unsigned char code table[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82, 0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e} byte k=0; k=bot(); //獲取按鈕情況，k=0為按鈕被按下 word mstime=0; P1=0xff; //P1口預制高電平，

29、紅燈熄滅（P1.0） while(1) { word mstime=0,j; word r，j; while(bot()); //等到按鈕被按下，循環(huán)條件為0，跳出該循環(huán) led=0; //按鍵被按下后，燈亮 r=random(); //產(chǎn)生隨機時間 for (j=r;j>0;j--)

30、 //使紅燈在該時間內(nèi)為亮 { lms(); k=bot(); if (k==1) //如果測試者在紅燈熄滅前松開按鈕按鈕 { mstime=9999; //使數(shù)碼管顯示9999出錯信息 led=1 ; //紅燈熄滅 goto loop;

31、 } } led=1; //隨機延時結束，紅燈熄滅 INIT_T1(); //定時器1初始化 while(1) { if(TF1==1) //定時器每1ms產(chǎn)生一次溢出 { TH1=0xfe; TL1=0x0c; TR1=1;

32、 TF1=0; //溢出位復位 mstime=mstime+1; //計時時間增加1ms } if(bot()) break; //測試者松開按鈕，計時結束 } loop: while(1) { if(k==1) //按鍵彈開后始終顯示時間 { k=bot();

33、 display(mstime); } else //若按鍵按下，重新開始測試 { mstime=0; P2=0xff; break; } } } 5.6總程序 #define led P1^0 #define key P1^1 byte bot(void) { if(key==0) return 0;

34、else return 1; } void display(word ms) { byte posi=0x01,i,j,temp; disp[3]=ms/1000; disp[2]=(ms%1000)/100; disp[1]=(ms%100)/10; disp[0]=ms%10; for(i=0;i<4;i++)

35、 { temp=disp[i]; temp=table[temp]; for(j=0;j<200;j++) { P2=posi; P0=temp; } posi=posi*2; } } unsigned long random(void) { word rt;

36、srand (50000); rt=rand(); return rt; } void INIT_T1(void) { TMOD=0x10; TH1=0xfe; TL1=0x0c; TR1=1; } void lms(void)

37、 { INIT_T1() ; while(1) { if(TF1==1) { break; } } } void main(void) { unsigned char code table[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82, 0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e} byte k

38、=0; k=bot(); word mstime=0; P1=0xff; while(1) { word mstime=0,j; word r，j; while(bot()); led=0;

39、 r=random(); for (j=r;j>0;j--) { lms(); k=bot(); if (k==1) { mstime=9999; led=1 ; goto loo

40、p; } } led=1; INIT_T1(); while(1) { if(TF1==1) { TH1=0xfe; TL1=0x0c; TR1=1; TF1=0;

41、 mstime=mstime+1; } if(bot()) break; } loop: while(1) { if(k==1) { k=bot(); display(mstime); } else

42、 { mstime=0; P2=0xff; break; } } } 第六章 結論 經(jīng)過兩周的制作，完成了人體反應速度測試儀的設計，達到了預定的要求。這次課程設計給我們提供了一個應用自己所學知識去勇于創(chuàng)新和實際的平臺。一開始做人體速度測試儀的設計是覺得看起來會比較簡

43、單，但是真正做起來才發(fā)現(xiàn)其實還是比較困難的，畢竟在這一方面的技術有限。第一周前兩天進行了資料查閱了解，第三天開始編輯說明書，同時進行電路圖的構思理解。從通過理論設計，再到確定具體方案，成型。整個過程都需要充分利用所學的知識進行思考、借鑒?？梢哉f，這次課程設計是對前面所學知識進行的一次比較綜合的檢驗?？偟膩碚f，這次課程設計雖然很累，但卻是苦中有樂，非常充實。在這次實習中，正確的思路是很重要的，只有你的設計思路是正確的，你的設計才有可能成功。 這次能那么成功的完成我的設計，要感謝老師和同學們的幫助，李老師、胡老師能在百忙之中來知道我，每當我遇到棘手的問題，老師總能給我最好的建議，教我改進

44、的方法，不厭其煩的指出我在設計中存在的問題和錯誤，是我更好的完成設計。在理解程序的時候也請教了同學，他們也很熱情的回答我的問題，讓我在這次實習中不會覺得那么孤立無援。這次的實習也讓我學到了很多東西，對很多單片機方面的知識有了更深的了解，并且能夠運用到實踐中了。原來實習不盡可以鍛煉我們的動手能力，而且能夠讓我們學到更多的理論知識，也覺得很充實。 最后我還要感謝學校給我這次實習的機會，和同學老師一起走過的這段時間深深地刻在我的腦海里。希望自己以后對待別的事情也可以這么認真。 參考文獻 1. 張淑清，單片機原理及應用技術，國防工業(yè)出版社，2010 2. 潭浩強，C語言程序設計，清華大學出版社，2005 3. 李華，李東，MCS51/98系列單片機原理與應用，機械工業(yè)出版社，1997 17