基于51单片机的抢答器设计

毕业论文毕业论文 基于 51 单片机的抢答器设计 学生: 院系: 机电工程学院 班级:电气自动化 学号: 指导教师: 装订交卷日期: 1 摘 要 抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答 器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。作为一个单位，如果专门购 一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子 器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因此设计了本抢答 器。 本设计是以八路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用 AT89C51 单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理， 将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地 显示时间。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：在抢答中，只有 开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可 在 1-99s 设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢 答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁 定，在有效状态下，按键无效非法。 关键词：AT89C51 LED 数码管 抢答器 计时器 2 目 录 1绪 论 1 1.1 课题研究的相关背景和选题的目的 1 1.2 课题研究的内容 1 1.3 抢答器目前存在的主要问题 1 2抢答器的系统概述 .2 2.1 系统的主要功能 2 2.2 抢答器的工作流程 3 2.3 抢答器的工作过程 4 3系统总体方案的设计 .5 3.1 硬件电路的设计 5 3.2 总体原理图 6 3.3 显示电路的设计 6 3.4 发声电路 8 4软件设计 .9 4.1 主程序系统结构图 9 4.2 程序流程图 9 4.3 主要程序分析 .10 5总结 15 参 考 文 献.16 1 1 绪绪 论论 1.1课题的相关背景课题的相关背景和选题的目的和选题的目的 抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地 分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成， 能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型) 和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选 手得分显示等功能。 通过这次设计，掌握 51 单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌 握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题 设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实 践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计 算定时计数的各个单元电路。 1.2 课题研究的内容课题研究的内容 本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答 按钮。主持人有开始和结束、复位键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问 题的时间设置，原始状态下抢答时间为 20s，回答问题时间为 30s。通过加键和减键修 改上述时间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答 为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果 主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器 持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。 通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器 相比，首先，电路连接简单，大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工 作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创 新性。 1.3 抢答器目前存在的主要问题抢答器目前存在的主要问题 随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样， 抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但是目前多数抢答器存 在 3 个不足之处：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置， 每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接 2 线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响 了现场人员的走动。第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等 功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。 采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功， 但出现没有抢答被记录的问题。 2 抢答器的系统概述抢答器的系统概述 2.1系统的主要功能系统的主要功能 本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括 8 路抢答按纽、计时显示、 提示功能等、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等，除享有抢答 按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，主控系统的控制按钮做开 始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设 有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时 及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。 系统的主要功能模块方框图如图 1 所示。 AT89C51 单片机 4 位 七段 数码 管显 示 声音电路 = 8 路抢答 按键输入 复位电路 开始、结束 按键输入 加一、减一 按键输入 时钟 图 1 系统主要功能模块 本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢 答按钮。一共有 8 个按键输入，分别对应 8 路选手的抢答按键。 3 主持人有开始和结束键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间 设置，原始状态下抢答时间为 20s，回答问题时间为 30s。通过加键和减键修改上述时 间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效， 数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没 有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。 主持人可按键结束，新一轮抢答开始。 单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。它完成了时间参数的 设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。 2.2 抢答器的工作流程抢答器的工作流程 抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电 路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工 作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等 还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为：系统复位、 正常流程、违例流程等几部分，如图2所示，下面分别予以介绍。 4 加载程序 运 行 行 开始 开始数码管显 示 FFF 开始抢 按时间倒计时 开始前有选手抢按 显示违例选手号 码并伴有语音报 警 倒计时结 束，超时 有选手 抢按 显示 FFF显示选手号码，倒计 时时间,语音报警，答 题,答题时间倒计时 正常流程违规流程 若超过答题 时间，则数 码管显示 FFF 答题完毕 根据选手表现， 规 则由主持人减分 图2 抢答器工作流程 2.3 抢答器的工作过程抢答器的工作过程 1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态， 此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下“加 1s“键，如果想减 一秒按一下“减 1s”键，时间 LED 上会显示改变后的时间，调整范围为 099s， 0s 时 再减 1s 会跳到 99，99s 时再加 1s 会变到 0s。 5 2、主持人按“抢答开始“键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设 20s 抢答时 间） ，如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设 30s 抢答时间） ，不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于 5s 会每秒响一下提示音。 3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进 入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。 4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED 上不 断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停，直到按下“停止” 键为止。 3 系统总体方案的设计系统总体方案的设计 3.1 硬件电路的设计硬件电路的设计 本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离，为使硬件电路设计 尽可能合理，应注意以下几方面： (1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片， 随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总 和高。 (2) 留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少 有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被 迫进行全面返工。 (3) 程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用 AT89C51 单片机。 (4) RAM 空间，AT89C51 内部 RAM 不多，当要增强软件数据处理功能时，往往 觉得不足。如果系统配置了外部 RAM，则建议多留一些空间。如选用 8155 作 I/O 接口， 就可以增强 256 字节 RAM。如果有大批数据需要处理，则应配置足够的 RAM，如 6264，62256 等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算 法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。只 要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的 RAM 空间，哪 怕多设计一个 RAM 的插座，暂不插芯片也好。 (5) I/O 端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题， 而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输 入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一 些 I/O 端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。 6 3.2 总体原理图总体原理图 图 3 系统原理图 图中 U1 为单片机 AT89C51，U2 为芯片 74HC30，U3 为芯片 74LS04。K1K8 分 别为 8 路抢答按键，分别接到单片机的 P1.0P1.7 中。开始按键与结束按键分别接到单 片机的 10、11 脚，由于单片机的 10、11 脚既有串行接口 RXD、TXD 功能，又有 P3.0、P3.1 的 IO 端口功能，此处按键用到单片机 10、11 脚的 IO 端口功能。抢答时间 调整按键和回答时间调整按键分别接到单片机的 13、14 管脚，加一按键和减一按键分 别接到单片机的 15、16 管脚。4 位七段数码管段选 P0 口。4 位七段数码管的位选接 P2 口低 3 位，蜂鸣器输出为 P3.7 口。 3.3 显示电路的设计显示电路的设计 显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供 尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。 在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种： 一种是静态显示，一种是动态显示。动态显示相对静态显示而言占用端口资源少。在本 7 设计中根据实际情况采用的是动态显示的方法。 通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中 P0 口为字型码输入端，P2 口低 3 位 为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给 7 段数码管显示的数字，数码管显 示原理如下： MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0feH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET 4 位七段数码管显示电路如图 4 所示。 8 图 4 共阴极数码管 图 4 中数码管采用的是 4 位七段共阴数码管，其中 AH 段分别接到单片机的 P0 口， 由单片机输出的 P0 口数据来决定段码值，位选码 COM1、COM3、COM4 分别接到单 片机的 P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在图中还有八个 1K 的电阻，连接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉电阻，保证 P0 口没有数据输出时候处于高 电平状态。 3.4 发声发声电路电路 本文设计如图 5 所示。图中单片机的 14 脚输出具有复合功能，此处用到了单片机 17 脚的 IO 端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声 器发声。 图 5 发声电路 9 4 软件设计软件设计 4.1 主程序系统结构图主程序系统结构图 系统初始化模块 按键模块 非 法 抢 答 模 块 正 确 抢 答 模 块 调 整 抢 答 时 间 模 块 调 整 回 答 时 间 模 块 数码显示模块 图 6 软件系统结构图 4.2 程序流程图程序流程图 在本设计中包括了以下主要的程序：主程序，查询程序，非法抢答程序，抢答时间 调整程序，回答时间调整程序，倒计时程序，正常抢答处理程序，犯规处理程序，显示 及发声程序。主流程图如 7 所示： 10 显示 FFF 开始键 加一键 减一键 回答 时间 调整抢 答时间 抢 按 非法抢 答处理 显示 犯规 正常 抢答 显示抢答 号并倒计时 Y Y Y 初始化 图 7 程序设计流程图 4.3 主要程序分析主要程序分析 主程序： OK EQU 20H ;抢答开始标志位 RING EQU 22H ;响铃标志位 DATA0 EQU 36H ;抢答按键口数据存放地址 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTT0 11 ORG 000BH AJMP T0INT ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040H MAIN: MOV R1,#20 ;初设抢答时间为 20s MOV R2,#30 ;初设答题时间为 30s mov 38h,#60 ;启用锦囊时间从 60s 倒计时 MOV TMOD,#11H ;设置未定时器/模式 1 MOV TH0,#0F0H MOV TL0,#0FFH ;越高发声频率越高,越尖 MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H ;50ms 为一次溢出中断 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 ;允许二个中断,T0/T1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0 ;一开始就运行定时器,以开始显示 FFF.如果 想重新计数,重置 TH1/TL1 就可以了 非法抢答处理程序： FALSE1: MOV R3,#01H AJMP ERROR FALSE2: MOV R3,#02H AJMP ERROR FALSE3: MOV R3,#03H AJMP ERROR FALSE4: MOV R3,#04H 12 AJMP ERROR FALSE5: MOV R3,#05H AJMP ERROR FALSE6: MOV R3,#06H AJMP ERROR FALSE7: MOV R3,#07H AJMP ERROR FALSE8: MOV R3,#08H AJMP ERROR 正常抢答处理程序： TRUE1: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A ;抢答时间 R2 送 R6 MOV R3,#01H CLR OK ;因为答题的计时不再查询抢答，所以就锁了抢答 AJMP COUNT TRUE2:ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#02H CLR OK AJMP COUNT TRUE3:ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#03H CLR OK AJMP COUNT TRUE4:ACALL BARK 13 MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#04H CLR OK AJMP COUNT TRUE5: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#05H CLR OK AJMP COUNT TRUE6: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#06H CLR OK AJMP COUNT TRUE7: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#07H CLR OK AJMP COUNT TRUE8: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#08H CLR OK AJMP COUNT 14 犯规抢答程序： ERROR: MOV R0,#00H MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H MOV 34H,R3 ;犯规号数暂存与(34H) HERE: MOV A,R0 CJNE A,#06H,FLASH ;0.3s 向下运行-灭并停响 CLR RING MOV R3,#0AH MOV R4,#0AH MOV R5,#0AH ;三灯全灭 AJMP CHECK1 FLASH: CJNE A,#0CH,CHECK1 ;下面是 0.8s 的情况，响并显示号数并清 R0，重新计 SETB RING MOV R0,#00H MOV R3,34H ;取回号数 MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH ;显示 FF 和号数 AJMP CHECK1 CHECK1: JNB P3.1,QUIT1 ACALL DISPLAY AJMP HERE QUIT1: CLR RING CLR OK AJMP START 发声程序： BARK: SETB RING ACALL DELAY1 15 ACALL DELAY1 CLR RING ;按键发声 RET TO 溢出中断(响铃程序) ： T0INT: MOV TH0,#0ECH MOV TL0,#0FFH JNB RING,OUT; CPL P3.7 ;RING 标志位为 1 时候 P3.7 口不断取反使喇叭 发出一定频率的声音 OUT: RETI T1 溢出中断(计时程序)： T1INT: MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H INC R0 RETI 5 总结总结 本文研究与设计的八路多功能抢答器采用了通用的电子元器件，利用AT89C51单片 机及外围接口实现抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、 硬件有机地结合起来。理论联系实践，体现出大学生动手能力。通过查资料和搜集有关 的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求 知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可 能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自 己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。把握重点、攻克难关，学 到用到、活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处，硬件设 计已经完成，在软件设计中有些功能还尚未开发出来。但在以后的工作中，我们会严格 要求自己，追求完美。 16 在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东 西与在实际运用中的还是有一定的出入的，对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的， 主要是解决程序设计中的问题。而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题 的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时 间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关 键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。因此可以说单片机的设计是软件和硬件 的结合，二者是密不可分的。 但是，通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑 问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的计算机应用软件还不够多， 我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计， 我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！ 参参 考考 文文 献献 1 程相波,卫安军.基于 MCS-51 单片机的八路抢答器设计方法研究J.北京工业职业 技术学院学报,2007,(2). 2林凌,李刚,丁茹,李小霞.新型单片机接口器件与技术M.西安:西安电子科技大学出 版社,2005 年. 3李增生.对抢答器的改进J.电子制作,2000,(12). 4马轲瀛.八路数字抢答器系统J.华商，2007,(23). 5高伟.AT89 单片机原理及应用M.北京:国防工业出版社，2008 年. 6蔡朝阳.单片机控制实习与专题制作M.北京:北京航空航天大学出版社,2006 年. 7杨凌霄.微型计算机原理及应用M.江苏:中国矿业大学出版社,2004 年. 8丁建伟.抢答器电路设计J.兰州工业高等专科学校学报,2008,(04). 9 胡学海.单片机原理及应用系统设计M.北京:北京电子工业出版社，2005 年. 10王静霞.单片机应用技术（C 语言版） 北京：电子工业出版社 2009 年