嵌入式课程设计 讲义

《嵌入式课程设计》讲义项目1 智能数字万年历一．项目指标分析项目指标要求如下：1. 显示年、月、日、时、分、秒和星期。

2. 实时显示温度。

3. 可手动调整时间。

4. 采用LCD显示。

基于以上要求，核心控制芯片选用STC89C51；时钟芯片选用DS1302；温度传感器选用DS18B20；液晶屏选用LCD1602；设置按键，以便于调整时间。

二．电路原理系统电路功能图如图1所示：图1 智能数字万年历电路功能图由图1可知，P2口控制LCD的数据端；P3.5、P3.6和P3.7控制着LCD的片选、读/写和寄存器选择信号；可调电阻RP2用于调节屏的显示对比度。

P3.4是温度传感器DS18B20的1-wire接口，即片选、时钟和数据信号均由P3.4口控制。

P0.5、P0.6和P0.7是时钟芯片DS1302的SPI接口，为使信号控制更稳定，这三个接口上都上拉了10KΩ电阻；为获得精准的时钟信号，选用频率为32.768KHz的外部晶振对DS1302提供振荡信号。

P0.0-P0.3控制着四个按键，以便于调整时间。

三．程序设计基于这个项目，程序的设计可分成各芯片驱动程序设计和控制算法程序两部分。

1.各芯片的驱动程序设计在写驱动程序时，首先通读芯片手册，以掌握主要技术指标；然后可按照以下3个步骤进行：（1）分清楚各芯片的通信属于哪种接口方式，例如：时钟芯片DS1302按照SPI 接口进行通信；温度传感器DS18B20按照1-wire接口进行通信；液晶屏LCD1602采用常规的并行数据传输方式。

（2）仔细分析芯片时序图，弄清楚片选信号是高电平有效还是低电平有效；数据是在时钟信号的上升沿还是下降沿时打入；数据前还是时钟前等。

（3）将功能程序函数化、驱动程序模块化。

2.控制算法程序设计这里的算法主要集中在如何设置按键识别程序，即便于调整时间，又不影响液晶屏的显示。

这里，提供两种思想以便参考。

（1）循环扫描方式流程图图2 循环扫描方式流程图（2图3 状态机方式流程图将图2和图3比较起来看，两种方式的最大差别在于“10ms消抖时间如何度过？”。

在循环扫描方式下，采用延时10ms去抖，这10ms 里，单片机什么也干不了，只能空耗时等待；而在状态机方式下，将按键状态分成3种：无键等待、有键确认和等待释放，每定时10ms检查一次，在不同按键状态下执行不同功能，执行完后立即返回液晶显示程序。

这样，10ms时间里有7ms以上是在执行按键判别以外的程序（这里是液晶显示程序），消抖所需的10ms也没浪费，单片机工作效率大大提高，更不用担心由于调整时间，会影响到液晶屏的显示。

四．电路制作与系统调试注意事项1.该系统所需的I/O口较多，电路布局时，要考虑接口引插方便，最好在插针周围贴上标签。

2.焊接电阻时，需要测量引脚的通断顺序，不能主观臆断。

3. 32.768KHz的外部晶振要靠近DS1302，以便时钟脉冲更准确、稳定；DS1302的SPI接口都要有上拉电阻，时钟信号问题多半是无上拉电阻引起。

4.若调试液晶屏时，屏上没有字符显示，可调节RP2，因为若液晶的对比度太低，也会造成显示不清晰的问题。

项目2 “贪吃蛇”游戏机一、功能说明：蛇长为3，移动超出点阵范围或蛇头碰触到其身体则游戏结束，按reset重新开始，果子随机产生，若果子被吃掉则立即产生新的果子，蛇也会长长一截，移动速度也会相应变快，并且在果子移动、吃果子和游戏结束时蜂鸣器都会发出不同的提示音，并且在游戏结束时能够显示所得分数。

二、总体方案设计：游戏开始时，蛇长为3，并且随机产生果子，按任意方向键蛇开始一格一格的移动，通过方向键控制蛇吃果子，若果子被吃掉则立即产生新的果子，蛇会长长一截，移动速度也会相应变快，移动过程中碰触到点阵边框或蛇头碰触到其身体则游戏结束，随即显示所得分数，然后自动回到开始界面，并且在果子移动，吃果子，游戏结束时蜂鸣器都会发出不同的提示音。

整个操作过程通过4块8*8点阵组成的显示屏观看。

三、单元模块设计：（1）程序架构本程序主要涉及硬件的操作：74LS154、8*8点阵，算法实现蛇的运动、吃食、死亡、放置新果子、给用户看的分数，以及不同阶段的提示音。

（2）具体实现a．蛇的数据结构i．蛇头标志（snake_flag），unsigned char表3：蛇头标志ii．蛇身长度(snake_len), unsigned chariii．食物位置，unsigned char, 高8位为Y,低8位为Xiv．蛇身每个部分的数据(snake_body[256]), unsigned char xdata高4位为Y 位置，低4位为X位置b．蛇行进、吃食、长大、死亡、分数显示和提示音子程序这部分程序主要功能有：运动：根据用户输入按键（保存在蛇头标志中）进行柔体传动。

往前进一格通过去掉蛇尾巴和加长蛇头来实现。

此功能用到move()函数吃食：置没有食物标志了，蛇长大一个点阵。

通过seek_food()实现。

放新食物：判断食物标志，如果没有食物，就要随机位置放食物，判断放的食物是否和蛇身重叠，是否放到了点阵边框，若是要重放。

其中随机数的产生来自时钟寄存器的数，通过C库函数rand()来实现。

死亡处理：判断是否在移动过程中碰触到点阵边框或自身，通过函数pd()和move()实现。

分数显示：通过fenshu()函数计算，蛇长长一截得一分，分数由两位数组成,最后通过调用相应预置的分数代码显示在点阵上。

提示音：当蛇在移动时、吃果子时、死亡时发出不同声音，这是通过函数buzzer()实现，主要是调节蜂鸣器的占空比，以及使用不同的延时时间。

c．键盘输入及定时器子程序按键：此设计用到四个输入按键，控制蛇的移动方向。

定时器子程序：此设计用到两个定时器，第一个定时器设定为1ms中断方式，主要对点阵屏进行实时刷新。

第二个定时器是对方向键的查询，使背景程序根据查询到的键值控制蛇的移动。

两个定时器共同作用实时显示蛇的游戏的状态d．对点阵的操作此设计用4个8*8点阵做成一个16*16点阵显示屏，分为16行，16列，为了设计方便规定：在点亮一个点时，提供高电平的引脚为行，提供低电平的引脚为列。

行由STC89C51的P1口和P3口控制，列由74LS154输出控制，而74LS154的四个输入有STC89C51的P2口的第四位控制，运行程序时，让相应的行提供高电平，相应的列提供低电平，实现特定显示。

（3）流程图图7 流程图①各单元模块功能介绍及电路设计；1 控制部分就是通过输入输出来控制蛇的运动2 逻辑部分进行判断蛇吃了没有是否撞墙同时把蛇的长度增加一节还要实现分数的计算3 图象显示部分就是将游戏显示出来②电路参数的计算及元器件的选择；③特殊器件的介绍；16X16点阵屏：16ｘ16的点阵LED图文显示屏，能够在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。

④各单元模块的联接，以一个模块为一个框，画出框的联接图并简要说明。

四、系统功能、指标参数：系统功能：通过联调后，设计的产品最终能够实现：游戏开机画面的显示、蛇正常的移动、果子的随机出现、蛇能够吃果子、蛇死亡操作、游戏结束画面以及移动、吃果子、游戏结束的不同提示音。

指标参数：定时器1的定时时间不能太长，最好在1ms左右，以此保证正常的显示，不然会影响屏幕显示的稳定性，图像闪动(刷新频率不够)，太短会使图像显示不完整，甚至是无法显示。

定时器2的定时时间不能太长，以此保证方向键的灵敏性，不然会造成按键反应的迟钝，严重时会失灵，影响游戏的娱乐性太短，会影响到点阵的正常显示(刷新)。

74LS154的输出经过PNP管在与相应的列相连，以此增加点阵显示的亮度。

六、设计总结：①对设计的小结；对于大部分单片机+点阵的游戏设计，基本采用前后台方式，就是一个台前中断，一个台后循环，点阵部分基本是以固定点阵形式设计。

贪吃蛇是一个柔体传动的游戏，也就是蛇身的每个节并不一定要同时朝一个方向运动。

在设计贪吃蛇的时候，只需要把蛇尾巴的那个点阵去掉，然后在蛇头的新方向放一个点阵就是了。

当然，这期间需要记录下每个蛇身的固定点阵的位置，并且在每次运动后刷新一次每个点的位置。

5．附：①系统原理图；1、利用C语言编写出贪食蛇的基本框架2、完善框架后，再对一些细节尽心补充，使程序更加完善，界面美化3、程序编写完成后，对其进行检查，改正编写过程中的差错。

分块电路设计：changef：实现32分频，产生贪吃蛇“步进”信号，由于原时钟为显示时钟当其为24hz时人眼无法分辨，因而可推断出贪吃蛇大概1秒走一步。

即贪吃蛇前进的频率为显示频率的1/24。

由于采用多级设计，若direct，first，second使用同一时钟，则产生的延时大大影响游戏的操纵感，因而采用单脉冲分频电路同时产生3个不同相位同频率的时钟信号，依次输出到后级。

direct：实现当前方向的确定，即在“步进”信号上升沿到来时依据输入directing 四位向量改变当前方向并输出。

first：根据输入的方向信号sel在步进信号上升沿进行显示点的转移，并判断蛇是否撞边死亡及吃鼠得分。

输出为四位二进制分数信号score，死亡信号death及当前蛇及鼠的位置。

second：根据输入的5个点（状态）在显示信号与步进信号作用下实现并串转换。

last：将接收到的状态译码为点阵控制信号。

在death信号为1时，点阵全亮示意蛇的死亡。

功能说明：蛇长为3，移动超出点阵范围则游戏结束，按reset重新开始，若未被吃掉则产生老鼠后六个步进上升沿后产生新的老鼠，若被吃掉则立即产生新的老鼠。

所用元器件清单：点阵，RC震荡电路，按键模块，拨码开关，故障及问题分析：1 在direct底层，本想实现异步的方向输入产生状态转移，即在下一个步进信号上升沿到来之前的方向输入（脉冲）会被记录下来并在上升沿到来时影响状态转移。

这一想法显然是不能通过边沿触发器来实现的，可能用RS触发器更易实现一些。

但事实上只要方向输入脉冲足够宽大于clk的周期即可，考虑到人的反应速度及clk的频率认为这一条件可以达到，而实际应用中也确如此。

启示是，对于高频电路，可认为时钟上升沿是连续出现的。

2 由于采用了多底层的设计思路，单一的步进信号会使输出产生严重时延，为解决这一问题采用了异步时钟，产生了三个同频的相位不同的步进信号。

而事实上参考过其他同学的程序后，发现如果不把模块细化到“原子”的程度，时延便不会如此严重。

3 最终还是没能解决计分的问题，这和first模块设计思路混乱又密不可分的关系。

2．1 行扫描驱动由于16x64点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中加入了一个4-16线译码器74LS154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它们的管脚示意图如图4所示。