乒乓游戲機設(shè)計畢業(yè)論文(最終)

1、目錄1緒論11.1木設(shè)計的研究背景和研究目的11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3木設(shè)計的任務(wù)和設(shè)計方法21.3. 1設(shè)計任務(wù)21. 3. 2設(shè)計方法22乒乓游戲機設(shè)計方案32. 1基于單片機的乒乓游戲機設(shè)計32. 1.1碩件設(shè)計32. 1.2軟件設(shè)計42. 2基于fpga的乒乓游戲機設(shè)計42.3方案比較與選擇53硬件電路的設(shè)計63. 1硬件核心電路選擇63. 1. 1單片機stc89c51簡介63. 1.2單片機端口分配63.2電源電路的設(shè)計83.3時鐘電路的設(shè)計93.4復(fù)位電路的設(shè)計93.5按鍵電路的設(shè)計103.6模擬球臺電路的設(shè)計113. 6. 1譯碼器簡介113. 6.2發(fā)光二極管簡介133.

2、 6.3模擬球拍電路的設(shè)計143.7顯示電路的設(shè)計143. 7. 1lcd 1602 簡介153. 7. 2顯示電路的設(shè)計163.8乒乓游戲機總電路的設(shè)計164乒乓游戲機的軟件設(shè)計及編程184.1主程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)194.2按鍵組的設(shè)計及功能實現(xiàn)194. 2. 1球拍模擬子程序204. 2. 2暫停/開始子程序204.3發(fā)球程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)204.4線路程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)214. 4. 1線路選擇子程序214. 4.2 led點陣子程序214.5回球程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)224. 6 lcd顯示程序設(shè)計及功能實現(xiàn)234.7設(shè)計源程序235系統(tǒng)調(diào)試及分析245.1仿真調(diào)試及分析245.

3、1. 1 proteus 軟件簡介245. 1.2 keil uvision4 軟件簡介255. 1. 3仿真調(diào)試255.1.4仿真調(diào)試的結(jié)果分析275.2實物調(diào)試及分析275. 2. 1制作實物的過程275. 2. 2進(jìn)行實物調(diào)試275. 2. 3實物調(diào)試的結(jié)果分析306結(jié)論與展望31iii辭 (acknowledge) 32參考文獻(xiàn)33附錄1：程序34附錄2：元件清單491緒論1.1本設(shè)計的研究背景和研究目的乒乓球，屮華人民共和國國球，是一種世界流行的球類體育項目。它的英語官方 名稱是"table tennis",即“網(wǎng)上桌球”。乒乓球的名字起源于1990年。乒乓球 的

4、比賽賽制是以11分為一局，采用五局三眺（團(tuán)休）或七局四眺制（單項）。比賽 分團(tuán)體、單項（男單、女單、男雙、女雙、混雙）。在中國，到處可見打乒乓球的人，以學(xué)生居多。因為，隨著人們現(xiàn)代化節(jié)奏的加 快，工作壓力的增大，傳統(tǒng)打乒乓球的方式受到運動設(shè)施、場地、環(huán)境的因索的影響, 讓人們對乒乓球運動減少了很多興趣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類進(jìn)入信息化社會， 信息社會的發(fā)展離不開電子產(chǎn)品的進(jìn)步?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品發(fā)展的越來越快，于是人們將 乒乓球與電子產(chǎn)品結(jié)合在一起，形成了乒乓游戲機。通過使用按鍵模擬球拍，發(fā)光二 極管模擬乒乓球，進(jìn)行乒乓球游戲的操作。乒乓游戲機的岀現(xiàn)解決了人類的很大難題。因為該產(chǎn)品不受運動設(shè)施、空

5、間、場 地、環(huán)境等因索的影響，在家即可進(jìn)行操作。操作的同時，讓操作者仿佛在真正的打 乒乓球。而冃該設(shè)計屈于一種益智類設(shè)計，讓人既可以鍛煉身體，也可以鍛煉智力。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第二次世界大戰(zhàn)以后，電子計算機技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。電子計算機一代 一代的更新的同時，軟件設(shè)計也迅速發(fā)展。于是，1971年，世界上第一臺電子游戲 機出現(xiàn)了。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子游戲機進(jìn)入了次世代，主要有三大游戲機 廠商。分別為：sony、微軟和任天堂。如今，大部分益智類游戲機屈于電子游戲機，乒乓游戲機就屈于電子游戲機。隨 著電子技術(shù)的突破，電子游戲機開始朝著“便攜式”和“家庭化”方向發(fā)展，彩色電 視的普及

6、使大型游戲機的顯像管和掃描版部分完全可以被彩色電視取代，使得微處理 機部分與現(xiàn)實屏幕實現(xiàn)了分離?，F(xiàn)在制成的游戲機只相當(dāng)于一個信號發(fā)生器。如今乒 乓游戲機已岀現(xiàn)3d類，體感類等等類型。乒乓游戲機不僅可以實現(xiàn)人們對乒乓球的熱愛，乂可以讓人們在玩耍的同時進(jìn)行 身體鍛煉和智力捉高，具冇明朗的前景。1. 3本設(shè)計的任務(wù)和設(shè)計方法1. 3.1設(shè)計任務(wù)如今齊種不同類型的游戲設(shè)備一直是消費領(lǐng)域的熱點，木設(shè)計耍求用低廉的成本 設(shè)計出符合耍求的游戲設(shè)備，耍求操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定度高。設(shè)計任務(wù)為：(1) 使用乒乓游戲機的甲乙雙方各在不同的位置發(fā)球或擊球。(2) 乒乓球的位置和移動方向由燈亮及依次點燃的方向決定，球移動

7、的速度為 0. 1is移動一位。游戲者根據(jù)球的位置發(fā)出相應(yīng)的動作，捉前擊球或?qū)缃缇惺Х帧?3) 比賽用11分為一局來進(jìn)行，甲乙雙方都應(yīng)設(shè)置各自的記分牌，任何一方先 記滿11分，該方就算勝了此局。當(dāng)記分牌清零后，又可開始新的一局比賽。1. 3. 2設(shè)計方法本設(shè)計是基于單片機的乒乓游戲機設(shè)計，分別進(jìn)行了硬件和軟件兩部分的設(shè)計。 硬件設(shè)計包括單片機電路、譯碼電路、發(fā)光二極管電路、按鍵電路、顯示電路等電路 的設(shè)計。軟件設(shè)計是使用ke訂uvision4軟件編寫與碩件模塊相應(yīng)的源程序。利用 proteus軟件對電路進(jìn)行仿真，最后通過制作實物實現(xiàn)設(shè)計。2乒乓游戲機設(shè)計方案口前，有兩種方案來設(shè)計乒乓游戲機設(shè)

8、計。方案一是基于單片機的乒乓游戲機設(shè) 計。方案二是基于fpga的乒乓游戲機設(shè)計。2.1基于單片機的乒乓游戲機設(shè)計方案一是基于單片機的乒乓游戲機設(shè)計，結(jié)果用lcd 1602顯示屏顯示。軟件方而, 使用kc訂uvisior）4進(jìn)行編程。硬件設(shè)計包含單片機電路、模擬球臺電路、按鍵電路、 顯示電路等電路的設(shè)計。軟件設(shè)計包括：主程序、按鍵組程序（球拍模擬和暫停/開 始子程序）、發(fā)球程序、線路程序（包括線路選擇和led點陣子程序）、回球程序、 lcd顯示程序。基于單片機的乒乓游戲機系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1基于單片機的乒乓游戲機的系統(tǒng)框圖2. 1. 1硬件設(shè)計電源電路設(shè)計：單片機正常工作電壓為+5v

9、,設(shè)計采用三端穩(wěn)壓集成電路輸出+5v 電壓。時鐘電路設(shè)計：單片機可以看成是在時鐘驅(qū)動下的時序邏輯電路，即單片機必須 在時鐘的驅(qū)動下才能工作。因此，單片機需耍時鐘電路支持，否則不能執(zhí)行程序。復(fù)位電路設(shè)計：單片機的復(fù)位電路使系統(tǒng)的所有功能部件都處于一個確定的初始 狀態(tài)，防止單片機執(zhí)行錯誤操作、發(fā)出錯誤的指令等失誤。單片機的復(fù)位方式有：手 動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。本設(shè)計采用手動按鈕復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位。按鍵電路設(shè)計：包含兩個按鍵組，一個是模擬球拍按鍵電路，一個是暫停/開始 和復(fù)位按鍵電路。模擬球拍按鍵分為左右兩邊，左右各四個。這四個按鍵其中三個是 對led點陣線路的操作，一個是進(jìn)行加速；暫停/開始和復(fù)位按

10、鍵是在運行任一程序 時，對游戲機進(jìn)行暫?；蜷_始或復(fù)位。模擬球臺設(shè)計：包括譯碼電路設(shè)計和發(fā)光二極管設(shè)計。譯碼電路設(shè)計：本設(shè)計中 采用16個發(fā)光二極管，而單片機的端口較少，因此采用3-8譯碼器節(jié)約端口。發(fā)光 二極管設(shè)計：由單片機控制74ls138譯碼器，74ls138譯碼器譯碼控制led點陣得點 亮順序和相應(yīng)點亮?xí)r間。顯示電路設(shè)計：設(shè)計屮采用lcd顯示屏顯示結(jié)果，左右兩邊分別用a、b表示。2. 1. 2軟件設(shè)計主程序：對乒乓游戲機進(jìn)行初始化，定時器設(shè)置，對led點陣輸入數(shù)據(jù)等，延時 掃描按鍵。按鍵程序：在回球和發(fā)球時，按鍵按卜給單片機傳入數(shù)據(jù)作出相應(yīng)處理。包括暫 停/開始子程序，對系統(tǒng)進(jìn)行暫停和開

11、始。發(fā)球程序：綠色指示燈亮起時，b得到發(fā)球球權(quán)，否則a得到發(fā)球球權(quán)。線路程序：游戲發(fā)球有8個線路選擇，ab分別4個線路選擇，共有16個回球線 路,存在數(shù)組b16中,包括led點陣子程序,由單片機線路和delay(t)控制 74ls138譯碼器，74ls138譯碼器譯碼控制led點陣得點亮順序和相應(yīng)點亮?xí)r間。回球程序：當(dāng)球在a邊時，a可在相應(yīng)dclay_l(t)中感應(yīng)a按鍵組的數(shù)據(jù)并作出 相應(yīng)處理；當(dāng)球在b邊時，同理。顯示程序：顯示游戲比分，當(dāng)a或b到達(dá)11分時進(jìn)入相應(yīng)win子程序。2. 2基于fpga的乒乓游戲機設(shè)計方案二是基t fpga的乒乓游戲機設(shè)計。因為學(xué)校具備專門的實驗箱，如果采用 方

12、案二只需編程便可實現(xiàn)。通過對各部分編寫vhdl程序，然后進(jìn)行編譯、仿真、邏 輯綜合、邏輯適配，最后進(jìn)行編程下載，并通過程序驗證結(jié)果。用16個發(fā)光二極管 代表乒乓球，在游戲機的兩側(cè)各設(shè)置兩個開關(guān)，一個是發(fā)球開關(guān)，一個是擊球開關(guān)。 甲方按動發(fā)球開關(guān)時，靠近甲方的第一盞燈亮，然后發(fā)光二極管由甲向乙依次點亮, 代表乒乓球在移動。當(dāng)球過網(wǎng)后，按設(shè)計者規(guī)定的球位乙方就可以擊球。若乙方提而 擊球或沒冇擊到球，則判乙方失分，卬方自動加分，重新發(fā)球比賽繼續(xù)進(jìn)行到一方記 分到11分，該局結(jié)束，記分牌清零，可以開始新的一局比賽。其系統(tǒng)框圖如2. 2所 /j i o圖2. 2基于fpga乒乓游戲機的系統(tǒng)框圖2.3方案

13、比較與選擇fpga的運行速度很快，適合高速場合，而單片機的運行速度低的多；fpga的1/0 口多，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，方便連接外設(shè)，而單片機的i/o 口較少，適合小規(guī)模系 統(tǒng)；fpga的內(nèi)部程序是并行運行，具有處理復(fù)雜功能的能力，而單片機程序時串行 執(zhí)行，程序需要執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條，處理突發(fā)事件時只能調(diào)用屮斷資源;fpga 包含單片機和dsp軟核，即單片機和dsp能實現(xiàn)的功能，fpga-般都能實現(xiàn)。單片 機設(shè)計屬于軟件范疇，它的破件即單片機芯片是固定的，通過軟件編程語言描述在碩 件芯片上的執(zhí)行的軟件指令。fpga設(shè)計屬于硬件范疇，它的硬件即fpga是可編程的, 是一個通過碩件描述語言在f

14、pga芯片上自定義集成電路的過程。由上可知，fpga具有很多優(yōu)點，但是對本設(shè)計而言是大材小用，而且芯片造價 較高，因此選用單片機完成本設(shè)計。在國內(nèi)，有很多成熟且性價比高的單片機，以51單片機為主。本設(shè)計對芯片的 要求不高，因此選用性價比高的單片機stc89c51o stc89c51是isp的系統(tǒng)可編程芯 片，可以直接將程序燒錄到芯片屮，方便程序的修改和實物調(diào)試。其工作電壓要求低, 工作頻率可達(dá)48mhzo并口可通過串口直接下載程序，數(shù)秒即可完成下載。采用單片 機完成設(shè)計，可利用proteus繪制電路原理圖，用keil uvision4進(jìn)行編程，然后進(jìn) 行仿真調(diào)試，減少出錯。并且采用c語言編程，

15、移植性強，使端口的程序控制變得簡 單。綜上所述，采用方案一完成乒乓游戲機的設(shè)計。3硬件電路的設(shè)計3. 1硬件核心電路選擇乒乓游戲機設(shè)計選用單片機作為主控芯片，設(shè)計選用性價比高的stc89c51單片 機。stc89c51與其它51單片機比較，具冇成本低，性能好的優(yōu)點，并冃其具冇在線 編程功能，可以直接將程序燒錄到芯片小，不需要對硬件進(jìn)行修改。就乒乓游戲機而 言，stc89c51能通過程序的編寫實現(xiàn)所需的功能。3. 1. 1單片機stc89c51簡介單片機stc89c51是宏晶科技推出的超強抗干擾/低功耗的單片機，指令代碼與引 腳結(jié)構(gòu)完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機。其最高工作時鐘頻率為80miiz,

16、片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫1000次的flash rom,芯片內(nèi)集成了通用8位屮央處理器和isp flash 存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程特性，配合pc端的控制程序即可將用戶的程序代碼下 載到單片機內(nèi)部，并且速度更快。stc89c51的芯片擦除特性：整個perom陣列與三個鎖定位的電擦除可通過正確 的控制信號組合，并保持ale管腳低電平10ms來完成。在芯片擦除屮，代碼陣列全 被寫“1” ,且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，必須執(zhí)行該操作。stc89c51芯 片及其引腳如圖3.1所示。t2/p1. 0t2ex/p1. 1pl. 2pl. 3pl. 4pl. 5pl. 6pl. 7rs

17、trxd/p3. 0txd/p3. 1 丞/p32 txt1/p3. 3t0/p3.1t1/p3.5w/p3. 6rd/p3.7xtal2xtal11234 5 6 7891oh1213141 5161 718m2039383736353133323 13029282726252-123222 1nnnnnnrimmhnnnnnnnvccp0 o/ado po. 1/ad1 po. 2/ad2 po. 3/ad3 po. 1/ad1 po.5/ad5 po.6/ad6 po. 7 ad7ale/prog psen p2.7/a15 p2. 6/a11 p2. 5/a13 p2.1/a12 p2

18、. 3/au p2 2/a10 p2.1/a9 p2 0/a8圖3. 1 stc89c51芯片及其芯片引腳圖3. 1.2單片機端口分配乒乓游戲機需要八個端口接按鍵；16個發(fā)光二極管則通過兩個3-8譯碼器與單 片機連接，需要六個端口； lcd顯示屏需要7個端口；單片機時鐘電路接兩個端口； 復(fù)位電路接復(fù)位端口；暫停/開始按鍵需要兩個端口；發(fā)球指示燈和暫停指示燈需要 兩個端口。下面對所需端口進(jìn)行介紹及分配：p0 口（3932腳）：p0.0p0.7統(tǒng)稱為p0 口。p0 口是一個三態(tài)雙向口，每個 引腳可吸收八個ttl 電流。當(dāng)p0 口的管腳第一次寫“1”時，被定義為高阻輸入。 p0可用于外部程序數(shù)據(jù)存儲

19、器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在flash編程 時，p0 口用作原碼輸入口。當(dāng)flash進(jìn)行校驗時，p0輸出原碼，必須接上拉電阻。p1 口（18腳）:卩10卩17統(tǒng)稱為卩1 口p1 口為準(zhǔn)雙向口，p1 口緩沖器能 接收四個ttl門電流。p1 口的管腳寫“1”后，內(nèi)部上拉為高，可用作輸入。p1 口被 外部下拉為低電平時，因為內(nèi)部上拉，將輸出電流。在flash編程和校驗時，p1 口 接收低八位地址。p2 口 （2128腳）:p2.0p2.7統(tǒng)稱為p2 口。p2 口為準(zhǔn)雙向口,緩沖器可接 收/輸出4個ttl |'1電流。當(dāng)p2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，冃作 為輸入。

20、作為輸入時，p2 口的管腳被外部拉低，因為內(nèi)部上拉將輸出電流。當(dāng)p2 口 用于外部程序存儲器或十六位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，p2 口輸出高八位地 址。在給出地址“1”時，利用上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時, p2 口輸出單片機特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2 口在flash編程和校驗時接收高八位地 址信號和控制信號。p3 口（1017腳）:p3.0p3.7統(tǒng)稱為p3 口。p2 口為準(zhǔn)，雙向口可接收/輸岀 四個ttl n電流。當(dāng)p3 口寫入“1”時，被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。當(dāng)外部 下拉為低電平，因為上拉的緣故，p3 口將輸出電流。p3 口作為第二功能使用時各端口引腳的作用

21、，如表3. 1所示。表3. 1 p3 口的第二功能端口引腳第二功能p3. 0rxd （串行輸入口）p3. 1txd（串行輸出口）p3. 2/into （外中斷0）p3. 3/int1 （外中斷1）p3. 4t0 （定時/計數(shù)器0）p3. 5t1 （定時/計數(shù)器1）p3. 6/wr （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3. 7/rd （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）rst：復(fù)位輸入。振蕩器復(fù)位器件時，保持rst引腳兩個機器周期高電平時間。xtal1：反向放大器的輸入、內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：反向振蕩器的輸出。本設(shè)計中,stc89c51單片機的管腳如下分配：p0.0p0.7 口用作按鍵輸入口, 接上拉電

22、阻;p1.0pl. 1 口作為暫停、開始按鍵輸入口;卩12卩15作為比0顯示 屏輸入口； p1.6作為發(fā)球權(quán)指示燈，p1.7作為暫停指示燈控制口； p2.0p2.7作為 譯碼器信號輸入口控制發(fā)光二極管；p3. 2p3. 4作為lcd顯示屏的控制端；rst引腳 為復(fù)位電路輸入口； xtalk xtal2分別作為片內(nèi)振蕩器的輸入和輸出。3.2電源電路的設(shè)計單片機stc89c51的工作電壓為+5v,因此需要一個電源電路來提供這一電壓。設(shè) 計通過固定三端穩(wěn)壓集器，輸出使單片機工作的+5v電壓。固定三端穩(wěn)壓器主耍冇78xx系列的正電壓輸出穩(wěn)壓器和79xx系列的負(fù)電壓穩(wěn)壓 器。兩個系列的固定三端穩(wěn)壓器，輸

23、出電壓有5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v等 規(guī)格，最大輸出電流為1.5ao這種三端穩(wěn)壓器內(nèi)部包含了過流、過熱和調(diào)整管的保 護(hù)電路，使用時組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件少，使用起來可靠、方便、快捷。7805的參數(shù)為：在25°c,輸入電壓為7.520v時，輸岀電壓為4. 8v5. 2vo 因此木設(shè)計采用三端穩(wěn)壓器7805輸出5v電壓。固定三端穩(wěn)壓器7805的1腳為輸入 端，2腳為接地端，三腳為輸出端。芯片7805及其引腳圖如圖3. 2所示。ccii2 vwgnd/ / /1. input12. gnd3. output圖3.2芯片7805及其引腳圖 3.3時鐘電路的設(shè)計單片機

24、，可以認(rèn)為是在時鐘驅(qū)動下的時序邏輯電路，即單片機必須在時鐘的驅(qū)動 下才能夠工作。單片機內(nèi)部含有一個可以構(gòu)成振蕩器的放大電路。在單片機內(nèi)部含時 鐘振蕩電路，外部一個振蕩源產(chǎn)生是送到單片機內(nèi)部，決定單片機的工作速度。此設(shè) 計選用內(nèi)部振蕩方式，即把放大器與振蕩器連接，構(gòu)成的內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩 時鐘脈沖。選用的元器件為一個12mhz的石英晶體振蕩器，兩個30pf的電容。此電 路在加點延遲10ms后振蕩起振，在xtal2引腳產(chǎn)生正弦時鐘信號。電路中的電容作 用有兩個：一是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)，二是幫助振蕩器起振。因為石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12miiz,即單片機的振蕩周期為lus,狀態(tài)周圖3.

25、 3時鐘電路圖3.4復(fù)位電路的設(shè)計單片機stc89c51第九引腳為偵件復(fù)位端。對該引腳程序4個機器周期的高電平 即口j實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機都恢復(fù)到初始化狀態(tài)。復(fù)位電路曲按鍵及電容，電阻構(gòu) 成。當(dāng)按下按鍵時，屯源經(jīng)屯阻rl、r2分壓，在復(fù)位管腳產(chǎn)生一個復(fù)位高屯平，此 時單片機處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)上電后，電容緩慢充電，單片機的復(fù)位管腳電壓由高向低 轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一定時間，復(fù)位管腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機復(fù)位完畢，系統(tǒng) 從0000h執(zhí)行程序。該電路使用了按鍵一個，10uf的電容一個，10kq和lkq的電阻 各一個。復(fù)位電路設(shè)計圖如圖3. 4所示。圖3. 4復(fù)位電路設(shè)計圖3.5按鍵電路的設(shè)計按鍵是一

26、種常見的控制電器元件，常用來接通或斷開控制電路，從而達(dá)到控制電 路的一種開關(guān)。按鍵共有4個引腳，當(dāng)未按下按鍵時，2引腳和3引腳是導(dǎo)通的，1 引腳和4引腳是導(dǎo)通的。當(dāng)按下按鍵時，1引腳和2引腳連通，3引腳和4引腳連通, 2引腳和3引腳連通，1引腳和4引腳連通。按鍵及其引腳圖如圖3. 5所示。2引腳.3引腳i圖3. 5按鍵及其引腳圖乒乓游戲機的按鍵電路包含兩個按鍵組，一個是模擬球拍按鍵電路，一個是暫停 /開始和復(fù)位按鍵電路。模擬球拍按鍵分為左右兩邊，左右各四個。這四個按鍵其屮 三個是對led點陣線路的操作，一個是進(jìn)行加速；暫停/開始和復(fù)位按鍵是在運行任 一程序時，對游戲機進(jìn)行暫?；蜷_始或復(fù)位。設(shè)計

27、屮模擬球拍按鍵與p0 口相連，同時p0 口接5kq的上拉電阻。當(dāng)發(fā)光二極 管亮?xí)r，按下按鍵進(jìn)行控制。當(dāng)按鍵按下的時候，相應(yīng)端口感應(yīng)輸入為低電平0。模 擬球拍按鍵電路設(shè)計圖如3. 6所示。pd.o/adop01/ad1p0.2/ad2 p0.3/ad3 p0.4/ad4 p0.5/aec p0.6/xm36 p0.7wd738373635343332mi16151413121110957 i2圖3. 6按鍵電路設(shè)計圖暫停和開始按鍵分別與單片機的p1. 0和p1. 1相連。復(fù)位按鍵與單片機復(fù)位端口相連。暫停和開始按鍵電路設(shè)計圖如圖3. 7所示。3.6模擬球臺電路的設(shè)計模擬球臺電路設(shè)計包括譯碼電路設(shè)

28、計和發(fā)光二極管設(shè)計。乒乓游戲機采用16個 發(fā)光二極管，單片機的端口有限，因此采用單片機的p2 口的5個端口控制74ls138 譯碼器進(jìn)行譯碼，節(jié)約端口。譯碼器74ls138的輸入電壓范圍為+3.5+5v。3. 6. 1譯碼器簡介木設(shè)計采用74ls138譯碼器進(jìn)行譯碼。74ls138為3-8線譯碼器，其中l(wèi)s指采用低功耗肖特基屯路。該譯碼器有3位二進(jìn)制輸入ao、al、a2,共有8種狀態(tài)的組合，即可譯出8個輸出信號y0-y7，輸出低電平冇效。此外，述設(shè)置了 e1、瓦和可 三個使能輸入端，為電路功能的擴(kuò)展提供方便。譯碼器74ls138的管腳及其功能如表 3. 2所示。表3. 2譯碼器74ls138管

29、腳功能管腳功能vcc電源正gnd地e1選通端"e2 /e3選通端（低電平有效）ao a3地址輸入端¥07:輸出端（低電平有效）74ls138譯碼器的工作原理為：當(dāng)一個選通端（e1）為高電平，另兩個選通端（應(yīng)）和 伍）為低電平時，可將地 址端（ao、al、a2）的二進(jìn)制編碼在對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。74ls138的引腳圖如圖3. 8示。a0a1a2e3e2e1(y7) y7gnd圖3.8 74ls138的引腳圖74ls138的功能真值表如表3. 3所示。表33 74ls138功能真值表輸入輸出e3e2a2a1aoyoyi丫2丫3¥4丫5丫6丫7xhxxxxhhhh

30、hhhhxxhxxxhhhhhhhhlxxxxxiihhhhhhhhllllllhhhhhhhhllllhiilhhhhhhhlllhlhhlhhhhhhlllhhhhhlhhhhhllhll11hhhlhhhhllhl1111hhhhlhhhllhhlhhhhhhlh11lliiiiii1111iiiiii1111l3. 6. 2發(fā)光二極管簡介發(fā)光二極管簡稱為led,是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件在1962 年出現(xiàn)，rflw (ga)與神(as)、磷(p)的化合物組成的二極管，電子與空穴復(fù)合 時能輻射出可見光。其中，磷砂化鐐二極管發(fā)紅光，磷化銖二極管發(fā)綠光，碳化硅二 極管發(fā)黃光。

31、發(fā)光二極管具有單向?qū)ㄐ?，即發(fā)光二極管只能往一個方向通電，這種 特性叫做正向偏置(正向偏壓)。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子 上，然后用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯片線的作用。發(fā)光二極管的核心部分是曲 p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的品片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層, 稱為pn結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的pn結(jié)中，注入少數(shù)載流子與多數(shù)數(shù)載流子復(fù)合時把 多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能轉(zhuǎn)換成光能。發(fā)光二極管的兩根引線較 長的一根是正極，需接電源正極。發(fā)光二極管及其構(gòu)造如圖3. 9所示。圖3. 9發(fā)光二極管及其構(gòu)造3. 6.3模擬球拍電路的設(shè)計單片

32、機p2. 0p2. 3控制兩個譯碼器的a, b, c端，p2. 4和p2. 7分別控制兩個譯碼器的e1端，且e2、e3兩個端口接地。單片機p2 口輸岀信號，從而達(dá)到控制發(fā)光二極管的熄滅與點亮。其電路圖如圖3. 10所示。3.7顯示電路的設(shè)計乒乓游戲機的數(shù)據(jù)較為簡單，只需要顯示比分和最終勝利的狀態(tài)，因此選用只顯 示字符和數(shù)字的lcd 1602顯示屏。3. 7. 1 lcd1602 簡介乒乓游戲機顯示電路設(shè)計米用lcd 1602顯示屏。lcd 1602為工業(yè)字符型液晶，能 夠同時顯示32個字符。它是專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。 由若干個5*7或5*11等點陣字符位組成。每個點陣

33、字符位都可以顯示一個字符，每 位z間有一個點距的間隔，每行z間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。lcd 采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其管腳功能如表3.4所示。表3. 4 lcd1602的管腳功能表管腳功能vss 電源地vcc 接5v電源電極vo(vee)液晶顯示器對比度調(diào)整端，接止電源對比度最弱，接地電源最高rs寄存器選擇。高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器rw讀寫信號線。高電平時讀取信息，低電平時進(jìn)行寫操作e(en) 使能端。高電平時讀取信息，負(fù)跳變時執(zhí)行指令d0d7 8位雙向數(shù)據(jù)端bla 背光正極blk 背光負(fù)極lcd 1602的特性：3.3v或5v工作電壓，對比度可調(diào)；內(nèi)含復(fù)

34、位電路，提供各種 控制命令；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器ddram；內(nèi)建有192個5*7點陣的字型的字符 發(fā)生器cgrom； 8個可由用戶自定義的5*7的字符發(fā)生器cgram；lcd 1602及其引腳圖如圖3. 11所示。vssrd vcc k%rs kur ijhoi4iii*?ini4r)ft5ih a bl kif n m n i 1 j- nffl 3. ii lcd1602及其引腳圖3. 7.2顯示電路的設(shè)計此設(shè)計屮的顯示模塊米用lcd來顯示乒乓游戲機的ab隊比分。lcd 1602的d4、1)5、d6、d7分別與單片機中的pl. 5、pl. 4、p1. 3、p1. 2相連，用于數(shù)據(jù)和地址

35、的傳 輸。lcd 1602的rs、rw、e分別與單片機中的p3. 4、p3. 3、p3. 2相連，用于寫入控 制。其電路設(shè)計圖如圖3. 12所示。圖3. 12顯示電路設(shè)計圖3.8乒乓游戲機總電路的設(shè)計本設(shè)計采用proteus繪制電路設(shè)計仿真圖，乒乓游戲機的碩件設(shè)計包括單片機電 路、譯碼電路、發(fā)光二極管電路、按鍵電路、顯示電路等電路的設(shè)讓。其仿真圖如圖3. 13所示。圖3. 13總電路設(shè)計圖乒乓游戲機的碩件包括單片機電路、譯碼電路、發(fā)光二極管電路、按鍵電路、顯 示電路等電路。其屮單片機電路包括：晶振電路，復(fù)位電路；由譯碼器接卩2的5個 i/o 口控制16個模擬乒乓球臺桌led燈；由單片機的p0

36、口接上拉電阻，感應(yīng)按鍵電 路的輸入；冇p1. 2到p1. 5給lcd進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入,p3. 2-p3. 3給lcd進(jìn)行寫入控制。4乒乓游戲機的軟件設(shè)計及編程本系統(tǒng)的軟件主要采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體的程序有主程序、按鍵組程序（球 拍模擬和暫停/開始了程序）、發(fā)球程序、線路程序（包括線路選擇和led點陣了程 序）、回球程序、lcd顯示程序。系統(tǒng)流程圖如圖4. 1所示。圖4. 1系統(tǒng)流程圖通過程序?qū)崿F(xiàn)的功能為：在主程序進(jìn)入初始化，lcd屏的清零，及初始化顯示設(shè) 置；然后進(jìn)入發(fā)球程序，綠色指示燈亮起時，b得到球權(quán)，否則a得到球權(quán)；當(dāng)發(fā)球 成功后，進(jìn)入線路模塊，在不同的情況進(jìn)入相應(yīng)的線路，依據(jù)線路的選擇

37、依次點亮線 路所包含的led燈；而后進(jìn)入回球程序，回球成功繼續(xù)進(jìn)入線路程序，回球失敗，對 手分?jǐn)?shù)加1,并進(jìn)入lcd顯示程序；當(dāng)ab隊任一隊11分后進(jìn)入相應(yīng)win子程序。 暫停/開始程序在定時掃描，當(dāng)暫停鍵按下時，游戲暫停，在游戲暫停時當(dāng)開始按下 游戲繼續(xù)。4.1主程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)主程序的功能是進(jìn)行初始化工作，并控制“乒乓球”游戲的開始。led燈組接單 片機的p2 口上，按鍵組接單片機p0 口上，lcd顯示屏由單片機控制。游戲開始時， 程序控制顯示上行a: 0;下行b: 0。void main()write_com(0x01) ;/顯示器清屏p2二o;/led點陣全部熄滅 fuwei ()

38、;/數(shù)據(jù)初始化 ea=1;ix (a 11 x x t t t e e e i ttm0d=0x01;tho= (65536-50000)/256;tl0= (65536-50000)%256;tro二1;/定式掃描初始化設(shè)置 qiuquano ; /跳轉(zhuǎn)到發(fā)球程序 wh訂e(l)/循環(huán)掃描并點亮相應(yīng)led mt t二 1000+w*1000;p2二qn;delay(l) ;/延吋處理程序 xianluo ;/線路控制程序4. 2按鍵組的設(shè)計及功能實現(xiàn)此程序貫穿了整個系統(tǒng)框圖中，包括球拍模擬了程序和暫停/開始了程序。4. 2. 1球拍模擬子程序單片機p0 口在相應(yīng)時間段內(nèi)感應(yīng)來自由按鍵組傳來的

39、數(shù)據(jù)，如果在dclayl(t) 中作出止確的選擇，進(jìn)入回球程序，否則對方加1分。圖4. 2按鍵組流程圖4. 2. 2暫停/開始子程序當(dāng)暫停鍵被按下后，程序進(jìn)入中斷，暫停燈亮起，當(dāng)按下開始按鍵時，程序繼續(xù)。其流程圖如圖4. 3所示。圖4. 3暫停/開始程序流程圖4. 3發(fā)球程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)綠色指示燈亮起時，b得到發(fā)球球權(quán)，否則a得到發(fā)球球權(quán)。 void qiuquan(void)w=l;/球速控制變量v=0; /發(fā)球控制變量辻(f>=3)/球權(quán)控制變量0-3循環(huán)。f 二0;elsef+;if(f<2)/當(dāng)f小于2時a得到球權(quán)ajiqiuo ;else/當(dāng)f大于2時b得到球權(quán)bji

40、qiuo ；4. 4線路程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)線路程序包括線路選擇子程序和led點陣子程序。4. 4.1線路選擇子程序游戲發(fā)球冇8個線路選擇，ab分別4個線路選擇，發(fā)球的4個選擇由線路b16 和初始點亮燈一起組成。冋球總的線路有16個，存在數(shù)組b16中。void xianlu(void)/線路程序按順序給led點陣輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)if(m>256)/m取自b 中得數(shù)據(jù)n=m/256;m=m%256;else if(m>16)n=m/16;m=m%16;else if(m<16&&m>=0)n=m;m=-l;else if(m<0)/當(dāng)m取完數(shù)據(jù)吋，按鍵都

41、沒做出正確輸入時，表明a或b冋球失敗。 p2=0;if(n<8)chang3 ();else if (n>=8)changl ();qiuquano ; 4. 4.2 led點陣子程序由單片機線路和delay_l (t)控制74ls138譯碼器，74ls138譯碼器譯碼控制led 點陣得點亮順序和相應(yīng)點亮?xí)r間。q16寄存數(shù)組，列如p2二q0時點亮a邊的第一 個燈，單片機將數(shù)據(jù)傳輸給74ls138進(jìn)行譯碼點亮相應(yīng)的led實現(xiàn)乒乓球的移動。4. 5回球程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)當(dāng)球在a邊時，a可在相應(yīng)dclay.l (t)屮感應(yīng)a按鍵組的數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)處理； 當(dāng)球在b邊時，同理。這里需要對1

42、6個燈(d2-d17)進(jìn)行處理。下面對其中一個燈 進(jìn)行解釋。w=p0 _3;/a的p0_3控制游戲的速度/d2if (n=0) /n=0 時 d2 燈點亮iif(x=13&&!p0_0)/當(dāng)線路為13時且p0_0按下時按以下處理。if (!w)x=3;elsex=0;while(!p0_0);m=bx;!if(x=8)/當(dāng)線路為8時只能按以下處理if(!po 0) x=3;while (!poo);m=bx;else if(!po_l) x=0;while (!p0 1);m=bx;4. 6 lcd顯示程序設(shè)計及功能實現(xiàn)lcd 1602與單片機pl 口相連，程序控制顯示上行a:

43、0;下行b:0。當(dāng)a或b到達(dá) 11分時進(jìn)入相應(yīng)win子程序。(0x80+2) ;/第一行隔兩位寫入以下字符'a'' ''0'write_data(，a");write_datac)；write_ data( ');write_data(，0);write_com(0xc0+2) ;/第一行隔兩位寫入以下字符'b''''o'write_ data( b");write_data(，：')；write_data ;write_ data( o');4. 7設(shè)計

44、源程序設(shè)計源程序見附錄lo5系統(tǒng)調(diào)試及分析5. 1仿真調(diào)試及分析乒乓游戲機設(shè)計利用proteus軟件設(shè)計原理圖,keil uvision4軟件進(jìn)行編程。5. 1. 1 proteus軟件簡介proteus軟件是英國labccntcr electronics公司出版的eda工具軟件。它不僅 具有eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。從原理圖布圖、代碼調(diào) 試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換至pcb設(shè)計，實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整 設(shè)計。其處理器支持的模型有:8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/d 是、pic33、 avr、arm、8086和msp430等。

45、在編譯方面,它也支持iar、ke訂和mplab等多種編 譯器。電路原理圖是生產(chǎn)電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，電路設(shè)計的最終口的是從電路原理圖到設(shè)計 出印制電路板圖，經(jīng)過焊接、組裝、調(diào)試得到合格的電了產(chǎn)品。利用proteus繪制原 理圖的基本流程如圖5.1所示。圖5. 1繪制原理圖的基本流程5. 1.2 keil uvision4 軟件簡介keil uvision4是德國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟 件開發(fā)系統(tǒng)。keilc51標(biāo)準(zhǔn)c編譯器為8051微控制器的軟件提供了 c語言環(huán)境，同 時保留了匯編代碼高效、快速的特點。它比以前的ke訂uvision系列的優(yōu)點是引入 靈活的窗口

46、管理系統(tǒng)。目前使用keil uvision4的產(chǎn)品有keil mdk-arm, keil c51, keil c166 和 keil c251。5. 1. 3仿真調(diào)試仿真調(diào)試的步驟：(1) 在kc訂中建立工程，輸入程序，進(jìn)行編譯，修改直至無錯，最后編譯并 保存。將保存的程序進(jìn)行編譯和生成.hex文件，如圖5. 2所示。 i f (n>=8&& i c2&8v) bhuiqiu();q3e(xt 3t»ew evq)ect hfhh qetxjojjvcst :target 18 0 source group* 1" startvpa51圖5.

47、2生成.hex文件(2) 在proteus中設(shè)計碩件原理圖。(3) 在proteus中導(dǎo)入hex文件，如圖5. 3所示。導(dǎo)入的方法:將鼠標(biāo)置于 電路圖stc89c51器件上,先右擊再左擊,即彈出導(dǎo)入框,再導(dǎo)入框中導(dǎo) 入乒乓球.hex文件。±jr inillid1o圖5. 3導(dǎo)入 乒乓球.hex文件(4) 點擊仿真盤框屮的運行按鈕，電路進(jìn)入仿真狀態(tài)，開始調(diào)試。如圖5.4 所示。f¥1p012016dio017圖5. 4仿真調(diào)試圖在調(diào)試過程屮，觀看lcd顯示屏的變化，由此得出設(shè)計是否正確。如果不正確， 按以上步驟進(jìn)行修改，直到達(dá)到設(shè)計要求。5. 1. 4仿真調(diào)試的結(jié)果分析對電路

48、進(jìn)行仿真調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)了一些問題。（1）led未按正常預(yù)期工作，發(fā)球與回球的程序存在共同部分，加入發(fā)球控制 參數(shù)后，止常工作。（2）發(fā)球程序出現(xiàn)問題，冇時候發(fā)球指示燈亮?xí)r，b卻不能成功發(fā)球，經(jīng)過修改 程序，解決這個問題。5. 2實物調(diào)試及分析5. 2. 1制作實物的過程根據(jù)原理圖焊接電路。在每焊接完成一個模塊時，檢查電路焊接是否正確、是否 連錯端】、是否有虛焊，確認(rèn)無誤后，完成焊接。如圖5. 5所示。焊接遇到的問題:（1）led燈接反，導(dǎo)致led點陣不工作，改止全部的點陣燈后，止常工作。（2）74ls138沒有接電源，開始一直不工作，改止后止常工作。5. 2. 2進(jìn)行實物調(diào)試用燒錄器將kc訂軟件

49、中生成的.hex文件燒錄到單片機stc89c51芯片中。燒錄 的步驟為:選項/串口設(shè)置、芯片型號選擇stc89c51rc.打開程序文件、選擇hex 文件、download/下載、擦除、查空、編程、校驗。燒錄程序圖如圖56所示。h stc-isp.exe 宏囲科技富方網(wǎng)站:vww.stcmcu.com 技術(shù)劉>j 3922805190（»t永平）v4.86st.pl/歩驟i select bcu type選擇單片機型號icu typ* a? ikeory rwc«stc89c51rc三 «»0- offf程序文件| 4- |串口助手i工程文件| pr

50、ogr "1電ffl址00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 oa ob x od oe ofstep2/步驟2 open file /打開文件攻件范國內(nèi)未用區(qū)««00)q打開文件甫看o緩沖廠彳丁開程斥文件一|fx open file(*.hexio r is-r廠每次下載前ii騎過當(dāng)目標(biāo)代碼發(fā)生stcps/步驟5 downlo< do<nload/t*$tsttp3/步驟 3 sxccom (ctik3 詢嘗試1?鬲最低液特車!000000000010000020000030000040i oooooooooooooooooooo

51、ooootnoooooo i oooooooooooooooooooooooooooooooo i oooooooooooooooooooooooooooooooo i oooooooooooooooooooooooooooooooo i oooooooooooooooooooooooooooooooo 匚fig功計數(shù) |52cl.trsw"步驟4:設(shè)査 double ipttd / ?x（h1$私冷bjpi o/pi 1 內(nèi)郁擴(kuò)jfaux-raw 你下ft用戶應(yīng)用5.6燒錄程序圖最后將芯片安裝到駛件電路中，接入5v穩(wěn)壓屯源，乒乓游戲機開始運行。調(diào)試初始狀態(tài)如圖5. 7所示。圖5.

52、7調(diào)試初始狀態(tài)ab雙方任一方為11分時，結(jié)束游戲，11分的一方獲得勝利。游戲勝利狀態(tài)圖如圖5. 8所示。圖5. 8游戲狀態(tài)勝利圖按下暫停鍵，游戲機暫停，同時暫停指示燈亮。暫停調(diào)試狀態(tài)圖如圖5. 9所示。圖5.9暫停調(diào)試狀態(tài)圖5. 2. 3實物調(diào)試的結(jié)果分析完成實物制作后，對總電路進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試屮遇到的問題：(1) 在按鍵操作過程中，發(fā)光二極管快速變化，與設(shè)定值不一樣。經(jīng)分析，原 因為程序屮的防抖動功能不完善。在實際的電路屮，機械式按鍵按下或釋放時，因為 機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。 可能在按下按鍵時，已經(jīng)對按鍵進(jìn)行了幾次操作，因此發(fā)光二極管快速

53、的變化。通過 對程序的修改，問題解決。(2) 發(fā)光二極管未按預(yù)期效果被點亮，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)實際屮與仿真的接線不 同，改止相應(yīng)參數(shù)后，止常運行。6結(jié)論與展望6. 1結(jié)論木設(shè)計根據(jù)乒乓游戲機的功能要求，本設(shè)計采用性價比高的單片機設(shè)計出操作方 便，系統(tǒng)穩(wěn)定度高的乒乓游戲機設(shè)計。本設(shè)計采用單片機stc89c51作為主控芯片，采用proteus軟件和keil uvision4 軟件分別進(jìn)行硬件仿真和軟件編程，最后制作實物，實現(xiàn)乒乓游戲機的雙人對打。本 設(shè)計釆用4x4的線路電路，乒乓球的位置和移動方向由燈亮及依次燈亮的方向決定 使用，乒乓游戲機的a、b兩方在各自不同的位置發(fā)球或擊球，分別有左、屮、右、 加

54、速四個按鍵作為模擬球拍。游戲者根據(jù)球的位置按下相應(yīng)的按鍵得分，最后通過 lcd顯示屏顯示數(shù)據(jù)。通過一系列的仿真調(diào)試和實物調(diào)試，已驗證本設(shè)計的開發(fā)方案是基本可行的。這 種成本低，操作方便，穩(wěn)定度高的設(shè)計，能很好的適應(yīng)乒乓游戲機的開發(fā)。此外，本次設(shè)計述冇以下一些可以加以改進(jìn)的地方：（1）設(shè)計線路復(fù)雜，如果可以采取無線的方式，則更加方便攜帶與玩耍。（2）選用更加好的lcd顯示屏，使界面更加美觀（3）娛樂效果過低，如果可以玩游戲的同時播放音樂，或動態(tài)顯示，則提高 娛樂性。6.2展望如今各種不同類型的游戲設(shè)備一直是消費領(lǐng)威的熱點，作為電子游戲產(chǎn)品，乒乓 游戲機的競爭i分激烈。在功能上，乒乓游戲機不應(yīng)只是一個益智，述可以提供娛樂 性，提供鍛煉身體的功能，比如游戲時添加咅樂，采用人體感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)人機互動， 釆用3d效果史加真實。讓人感覺不枯燥，冃具冇豐富的娛樂性。這些都將使乒乓游 戲