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51单片机驱动的乒乓球游戏机设计详解
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更新于2024-06-24
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本篇学位论文主要探讨了基于51单片机的乒乓游戏机设计。研究背景部分强调了乒乓球作为中国的国球以及在全球的普及度,以及其在学生群体中的流行。研究目的是通过技术手段开发一款简易且娱乐性强的乒乓球游戏机,以满足大众对于休闲娱乐的需求,并借此提升学生的实践能力和对单片机应用的理解。 论文首先介绍了设计任务,明确了将采用51单片机作为核心控制器,通过硬件和软件的协同工作,构建一个能够模拟真实乒乓球比赛规则的游戏设备。硬件设计部分详细阐述了选择STC89C51单片机作为核心,包括其基本特性、端口分配,以及电源、时钟、复位、按键、模拟球台、显示等关键电路的设计。单片机的选择以其低功耗、易编程和集成度高等优点被考虑在内。 软件设计方面,作者构建了主程序,实现了球拍模拟、暂停/开始、发球、线路选择、LED点阵显示、回球控制和LCD显示等功能。通过对Proteus和KeiluVision4等开发工具的介绍,论文展示了软件的开发和调试过程,以及仿真和实物调试的结果分析,确保了游戏机性能的稳定性和准确性。 文章的亮点在于对比了基于51单片机与FPGA的方案,最后选择了单片机方案,强调了其实用性和成本效益。此外,论文还包含了详细的元件清单和设计源程序,以及系统的调试和分析结果,为后续类似项目的开发提供了宝贵的经验和参考。 这篇论文不仅深入探讨了乒乓球游戏机的硬件和软件设计,还展示了单片机技术在实际项目中的应用和优化策略,是一篇实用且具有教育价值的技术报告。
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乒乓游戏机设计
5
图 2.2 基于 FPGA 乒乓游戏机的系统框图
2.3 方案比较与选择
FPGA 的运行速度很快,适合高速场合,而单片机的运行速度低的多;FPGA 的 I/O
口多,容易实现大规模系统,方便连接外设,而单片机的 I/O 口较少,适合小规模系
统;FPGA 的内部程序是并行运行,具有处理复杂功能的能力,而单片机程序时串行
执行,程序需要执行完一条才能执行下一条,处理突发事件时只能调用中断资源;FPGA
包含单片机和 DSP 软核,即单片机和 DSP 能实现的功能,FPGA 一般都能实现。单片
机设计属于软件范畴,它的硬件即单片机芯片是固定的,通过软件编程语言描述在硬
件芯片上的执行的软件指令。FPGA 设计属于硬件范畴,它的硬件即 FPGA 是可编程的,
是一个通过硬件描述语言在 FPGA 芯片上自定义集成电路的过程。
由上可知,FPGA 具有很多优点,但是对本设计而言是大材小用,而且芯片造价
较高,因此选用单片机完成本设计。
在国内,有很多成熟且性价比高的单片机,以 51 单片机为主。本设计对芯片的
要求不高,因此选用性价比高的单片机 STC89C51。STC89C51 是 ISP 的系统可编程芯
片,可以直接将程序烧录到芯片中,方便程序的修改和实物调试。其工作电压要求低,
工作频率可达 48MHz。并且可通过串口直接下载程序,数秒即可完成下载。采用单片
机完成设计,可利用 Proteus 绘制电路原理图,用 Keil uVision4 进行编程,然后进
行仿真调试,减少出错。并且采用 C 语言编程,移植性强,使端口的程序控制变得简
单。
综上所述,采用方案一完成乒乓游戏机的设计。
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西南石油大学本科毕业设计(论文)
6
3 硬件电路的设计
3.1 硬件核心电路选择
乒乓游戏机设计选用单片机作为主控芯片,设计选用性价比高的 STC89C51 单片
机。STC89C51 与其它 51 单片机比较,具有成本低,性能好的优点,并且其具有在线
编程功能,可以直接将程序烧录到芯片中,不需要对硬件进行修改。就乒乓游戏机而
言,STC89C51 能通过程序的编写实现所需的功能。
3.1.1 单片机 STC89C51 简介
单片机 STC89C51 是宏晶科技推出的超强抗干扰/低功耗的单片机,指令代码与引
脚结构完全兼容传统的 8051 单片机。其最高工作时钟频率为 80MHz,片内含 8K Bytes
的可反复擦写 1000 次的 Flash ROM,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash
存储单元,具有在系统可编程特性,配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下
载到单片机内部,并且速度更快。
STC89C51 的芯片擦除特性:整个 PEROM 阵列与三个锁定位的电擦除可通过正确
的控制信号组合,并保持 ALE 管脚低电平 10ms 来完成。在芯片擦除中,代码阵列全
被写“1”,且在任何非空存储字节被重复编程以前,必须执行该操作。STC89C51 芯
片及其引脚如图 3.1 所示。
图 3.1 STC89C51 芯片及其芯片引脚图
3.1.2 单片机端口分配
乒乓游戏机需要八个端口接按键;16 个发光二极管则通过两个 3-8 译码器与单
片机连接,需要六个端口;LCD 显示屏需要 7 个端口;单片机时钟电路接两个端口;
复位电路接复位端口;暂停/开始按键需要两个端口;发球指示灯和暂停指示灯需要
两个端口。下面对所需端口进行介绍及分配:
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乒乓游戏机设计
7
P0 口(39~32 脚):P0.0~P0.7 统称为 P0 口。P0 口是一个三态双向口,每个
引脚可吸收八个 TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写“1”时,被定义为高阻输入。
P0 可用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在 Flash 编程
时,P0 口用作原码输入口。当 Flash 进行校验时,P0 输出原码,必须接上拉电阻。
P1 口(1~8 脚):P1.0~P1.7 统称为 P1 口.P1 口为准双向口,P1 口缓冲器能
接收四个 TTL 门电流。P1 口的管脚写“1”后,内部上拉为高,可用作输入。P1 口被
外部下拉为低电平时,因为内部上拉,将输出电流。在 Flash 编程和校验时,P1 口
接收低八位地址。
P2 口(21~28 脚):P2.0~P2.7 统称为 P2 口。P2 口为准双向口,缓冲器可接
收/输出 4 个 TTL 门电流。当 P2 口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作
为输入。作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,因为内部上拉将输出电流。当 P2 口
用于外部程序存储器或十六位地址外部数据存储器进行存取时,P2 口输出高八位地
址。在给出地址“1”时,利用上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,
P2 口输出单片机特殊功能寄存器的内容。P2 口在 Flash 编程和校验时接收高八位地
址信号和控制信号。
P3 口(10~17 脚):P3.0~P3.7 统称为 P3 口。P2 口为准,双向口可接收/输出
四个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”时,被内部上拉为高电平,并用作输入。当外部
下拉为低电平,因为上拉的缘故,P3 口将输出电流。
P3 口作为第二功能使用时各端口引脚的作用,如表 3.1 所示。
表 3.1 P3 口的第二功能
RST:复位输入。振荡器复位器件时,保持 RST 引脚两个机器周期高电平时间。
XTAL1:反向放大器的输入、内部时钟工作电路的输入。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD (串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0 (外中断0)
P3.3
/INT1 (外中断1)
P3.4
T0 (定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器1)
P3.6
/WR (外部数据存储器写选通)
P3.7
/RD (外部数据存储器读选通)
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