八路抢答器的设计

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。考虑到必须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1目 录一、绪一、绪 论论.11.1、课题研究的相关背景 .11.2、选题的目的和意义 .11.3、课题研究的内容 .11.4、国内外研究现状 .21.5、抢答器目前存在的主要问题 .3二、抢答器的系统概述二、抢答器的系统概述.42.1、系统的主要功能 .42.2、系统需求分析 .52.3、抢答器的工作流程 .52.4、抢答器的工作过程 .82.5、器件选型方案及详细清单 .82.6、AT89C51 特殊功能寄存器 .92.7、AT89C51 的功能及简介 .112.8、抢答器的优点及组成 .122.9、本章小结 .13三、硬件总体方案的设计三、硬件总体方案的设计.143.1、硬件电路的设计 .143.2、总体原理图 .153.3、时钟频率电路的设计 .163.4、复位电路的设计 .163.5、显示电路的设计 .173.6、键盘扫描电路的设计 .193.7、发声电路 .223.8、系统复位 .233.9、本章小结 .24四、软件设计四、软件设计.254.1、主程序系统结构图 .254.2、 软件任务分析.254.3、程序流程图 .264.4、主要程序分析 .274.5、本章小结 .29五、五、PROTEUS 仿真系列组图仿真系列组图.3025.1、复位图 .305.2、设置计时时间 .305.3、非法抢答并显示座号 .315.4、抢答成功并显示倒计时 .31六、总结与展望六、总结与展望.326.1、总结 .326.2、展望 .33七、致七、致 谢谢.34八、参八、参 考考 文文 献献.35基于单片机的八路抢答器 1一、绪 论1.1、课题研究的相关背景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。本课题利用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和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。系统达到要求：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是在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，时间完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。1.2、选题的目的和意义通过这次设计，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。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。1.3、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，各组分基于单片机的八路抢答器 2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，因为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。本论文章节的结构和内容如下：第一章：绪论。简要介绍了抢答器的发展现状，说明了本课题研究的内容。第二章：抢答器系统概述。说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。第三章：抢答器的硬件电路的设计。详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。第四章：抢答器的软件设计，并编程序。第五章：Proteus仿真，仿真出结果。第六章：总结。总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。1.4、国内外研究现状抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用2。基于单片机的八路抢答器 31.5、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。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专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。而且目前多数抢答器存在 3 个不足之处3：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。基于单片机的八路抢答器 4二、抢答器的系统概述2.1、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（根据需要可另设或多设相关功能） 、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能） 。参赛者系统，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，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；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 1.1 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图 1.11.1 系统主要功能模块系统主要功能模块基于单片机的八路抢答器 5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。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。本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。主持人依次按下复位键（RESET） ，开始键后开始抢答。可以抢按：超时数码管显示“FFF” ，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“FFF” 。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。2.2、系统需求分析1、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。2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在 199s 设定。3、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。4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。5、抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到 60s。6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。基于单片机的八路抢答器 62.3、抢答器的工作流程抢答器的基本工作原理4：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2.1所示，下面分别予以介绍。基于单片机的八路抢答器 7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图2 2 .1.1抢答器工作流程抢答器工作流程基于单片机的八路抢答器 82.4、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。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。总而言之，本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。2.5、器件选型方案及详细清单微控制器选用 ATMAL 公司生产的 AT89C51，该芯片货源充足，并且价格也比较便宜。如表 2.1 所示。基于单片机的八路抢答器 9表表 2.12.1 器件选型方案的详细清单器件选型方案的详细清单器件名称规格型号数量微处理器AT86C51174LS041芯片74HC301电阻3WTT10K8电容20PF3晶振12MHZ1按钮117 段数码管7SEG-MPX4-CA4扬声器12.6、AT89C51 特殊功能寄存器特殊功能寄存器也称专用寄存器5，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称 SFR（Special Function Register） 。特殊功能寄存器共含有 22个不同寄存器。它们的地址分配在 80HFFH 中，即在 RAM 地址中。这些寄存器的名称和地址见表 2.2。基于单片机的八路抢答器 10表表 2.22.2 AT89C51AT89C51 特殊功能寄存器列表特殊功能寄存器列表符号地址注释*ACCE0H累加器*BF0H乘法寄存器*PSWD0H程序状态字SP81H堆栈指针DPL82H数据存储器指针低 8位DPH83H数据存储器指针高 8位*IEA8H中断允许控制器*IPD8H中断优先控制器*P080H端口 0*P190H端口 1*P2A0H端口 2*P3B0H端口 3PCON87H电源控制及波特率选择*SCON98H串行口控制器SBUF99H串行数据缓冲器*TCON88H定时器控制TMOD89H定时器方式选择TL08AH定时器 0 低 8 位TL18BH定时器 1 低 8 位TH08CH定时器 0 低 8 位TH18DH定时器 1 高 8 位注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器基于单片机的八路抢答器 11虽然特殊功能寄存器地址在 80HFFH 之中，但在 80HFFH 的地址单元中，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。所以，用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的。2.7、AT89C51 的功能及简介AT89C51 单片机是 ATMAL 公司 89 系列单片机的一种 8 位 Flash 单片机。它最大特点是片内含有 Flash 存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用6。AT89C51 单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内 Flash 存储器、片内 RAM、并行 I/O 接口、定时器和串行 I/O 接口AT89C51 是 89 系列单片机的标准型，它是与 MSC-51 系列单片机兼容的。在内部含有 4KB 或 8KB 可重复编程的 Flash 存储器，可进行 1000次擦写操作。全静态工作为 0-24MHZ，有 3 级程序锁存器，内部含有128-256 字节的 RAM，有 32 条可编程 I/O 口线，2-3 个 16 位定时/计数器，6-8 个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。AT89C51 单片机内部由 CPU、4KB 的 FPEROM ，128B 的 RAM，两个 16 位的定时/计数器 T0 和 T1，4 个 8 位的 I/O 端 P0、P1、P2、P3 等组成。单片微机内部最核心的部分是 CPU。CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW，BCD 码运算调整电路等组成。基于单片机的八路抢答器 12外部定时元件复位中断电源系统时钟ROMCPU定时/计数器串行 I/O 口并行 I/O 口RAM图图 2.22.2 AT89C51AT89C51 单片机的内部结构图单片机的内部结构图为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图 3 所示。AT89C51 的主要性能包括：AT89C51 与 MCS51 控制器系列产品兼容，片内有 4K 可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory） ，存储器可循环写入/擦除 1000 次；存储器数据保存时间可达 10 年；工作电压范围宽：Vcc 可由 2.7V 到 6V；全静态工作可由 0Hz 到 16MHz；程序存储器具有 3 级锁存保护；128*8 位内部 RAM；32 条可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；中断结构具有 5 个中断源和 2 个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。2.8、抢答器的优点及组成在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的基于单片机的八路抢答器 13实际用途。系统工作原理本系统采用 AT89C51 单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；利用一个 4 位七段共阴数码管来完成显示功能。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制4 位七段共阴数码管和喇叭工作。在数码管上显示哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。2.9、 本章小结本章主要讲述了抢答器的工作原理和本设计系统的工作流程。在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；在说明系统的流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。抢答正常流程与违例流程的实现，以及如何进行抢答控制。同时也说明了抢答器的优点和 AT89C51 的功能及简介。基于单片机的八路抢答器 14三、硬件总体方案的设计3.1、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；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面7：(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。如有些新的基于单片机的八路抢答器 15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。3.2、总体原理图图图 3.13.1 系统原理图系统原理图图中 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8。基于单片机的八路抢答器 163.3、时钟频率电路的设计单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。时钟电路如图 3.2 所示。图图 3.23.2 外部振荡源电路外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振，在 XTAL2 引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容 C1，C2 的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。C1，C2 的典型值为20PF。单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，常用 fosc表示。图中时钟频率为 12MHz，即 fosc=12MHz，则时钟周期为1/12s。3.4、复位电路的设计基于单片机的八路抢答器 17单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端，只要将该端持续 4 个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图 3.3 所示：图图 3.33.3 复位电路复位电路图 6 中由按键 RESET1 以及电解电容 C3、电阻 R2 构成按键及上电复位电路。由于单片机是高电平复位，所以当按键 RESET1 按下时候，单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的 9 脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9 脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从 0000H 开始执行。值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能，该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位，所以设定了软复位功能。软复位实际上就是当程序执行完毕之后，将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。基于单片机的八路抢答器 183.5、 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。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。4 位七段数码管显示电路如图 3.4 所示。图图 3.43.4 共阴极数码管共阴极数码管图 3.4 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，由单片机基于单片机的八路抢答器 19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。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 RET3.6、键盘扫描电路的设计键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要基于单片机的八路抢答器 20妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几 ms，而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里我们取 10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有 8 个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。如图 3.5 所示。 基于单片机的八路抢答器 21图图 3.53.5 抢答按键及调整按键抢答按键及调整按键在图 3.5 中 8 个抢答按键分别接入单片机的 P1.0P1.7 端口，单片机通过读取 P1.0P1.7 的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个。抢答时间调整和回答时间调整接到单片机的 P3.3 和 P3.4 接口，加一及减一按键接到单片机的 P3.5 和 P3.6 接口。基于单片机的八路抢答器 22图图 3.63.6 开始、结束按键开始、结束按键在图 3.6 中，开始及结束按键接到单片机的 10、11 脚，这里用到了单片机 10、11 脚复合功能中的 IO 端口功能，单片机通过读取 10、11 脚的 P3.0、P3.1 的 IO 端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于 5ms，例如取 10-20ms。如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。K1K8 八个按键的输入电平靠 74HC30 输入与非门和 74LS04 反向器组成的电路改变输入电平。图 3.7 中电路就是由一个 74HC30 输入与非门和 74LS04 反向器组成的去抖电路。基于单片机的八路抢答器 23图图 3.73.7 去抖电路去抖电路3.7、发声电路我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高” “低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。本文设计如图 3.8 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。图图 3.83.8 发声电路发声电路基于单片机的八路抢答器 243.8、系统复位使 CPU 进入初始状态，从 0000H 地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过 CPU 外部的硬件电路给 CPU 的 RESET 端加上足够时间的高电位才能实现。上电复位，人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对片内通用寄存器的内容没有影响。但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H 地址开始执行。对各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。有的编程人员用 020000（LJMP 0000H）作为软件陷阱，认为直接转向 0000H 地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位，它将阻止同级中断响应。由于软件看门是高级中断，它将阻止说要中断响应，由此可见清除中断激活标志的重要性。在所有的指令中，只有 RETI 指令能够清除中断激活标志。出错处理程序 ERR 主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。程序一般先关中断，以便后续处理能顺利进行，然后用两个 RETI 指令代替两个 LJMP 指令，从而清除了两级中断激活标志。有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全部激活两个标志，这也无妨。有复位时系统的历史状况，可将复位分为“冷启动”和“热启动” 。 “冷启动”时，系统的状态全部无效，进行彻底的初始化操作；而“热启动”时，对系统的当前状态进行修复和有选择的初始化。系统初次上电投入运行时，必须是“冷启动” ，以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为“热启动”初次上电投入运行时，必须是“冷启动” ，以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为“热启动” 。为了使系统能正确决定采用何种启动方式，常用上电标志来区分，如图 3.9 所示。基于单片机的八路抢答器 25复位关中断，设定堆栈上电标志冷启自检全面初始化热启动恢复被破坏的信息部分初始化建立上电标志开始运转图图 3.93.9 系统复位策略图系统复位策略图3.9、 本章小结本章详细讲述了以 AT89C51 为核心元件的抢答器的硬件电路具体设计过程，分析了具体电路。在设计过程中，实现抢答功能的是通过编写程序的方法集成在 AT89C51 内部。接着将程序下载到硬件电路中，配合周边的时钟电路，复位电路等，制作出符合设计要求的抢答器。基于单片机的八路抢答器 26四、软件设计4.1、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调整回答时间模块数码显示模块图图 4.14.1 软件系统结构图软件系统结构图4.2、 软件任务分析软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了9。软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。从软件的功能来看可分为两大类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，基于单片机的八路抢答器 27计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义） 。在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。各执行模块规划好后，就可以监控程序了。首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。这如同当一名操作工人比较容易，而当一个厂长就比较难了。软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十 ms 甚至几百 ms 也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序） ，显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断） 。也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态” ，以利于系统节电和抗干扰。4.3、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 4.2 所示：基于单片机的八路抢答器 28显示FFF开始键加一键减一键回答时间 调整抢答时间去抖动非法抢答处理显示犯规正常抢答 显示抢答号并倒计时Y YY 初始化图图 42.42. 程序设计流程图程序设计流程图4.4、 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基于单片机的八路抢答器 29 AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTT0 ORG 000BH AJMP T0INT ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040HMAIN: 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 基于单片机的八路抢答器 304.5 本章小结本章是抢答器的软件设计，实现抢答功能主要是通过编写程序的方法集成在 AT89C51 内部。将程序下载到硬件电路中，实现抢答功能。基于单片机的八路抢答器 31五、Proteus 仿真系列组图5.1 复位图图图 5.15.1 复位显示三个复位显示三个 FFFFFF该图显示当单片机复位后，在 4 位七段数码管上显示的初始状态“F FF”字符。5.2、设置计时时间图图 5.25.2 计时时间为计时时间为 1717 秒秒该图显示通过加一按键操作后在 4 位数码管上显示的计时时间为 17秒。基于单片机的八路抢答器 325.3、非法抢答并显示座号图图 5.35.3 三号选手非法抢答三号选手非法抢答该图显示的是若三号选手非法抢答时候，第一位字符显示单片机判定的非法选手“3”号选手，在 4 位数码管上的后两位显示非法抢答字符“FF” 。5.4、抢答成功并显示倒计时图图 5.45.4 六号选手抢答六号选手抢答图中显示的是若 6 号选手抢答成功的时候，4 位数码管的第一显示是“6”号选手抢答成功，最后两位显示选手答题倒计时时间还有 25 秒。5.5、 本章小结基于单片机的八路抢答器 33本章是抢答器的系统仿真部分，并对抢答器的各个流程做出了具体仿真结果。从仿真图上可以进一步得出结论：利用单片机设计的抢答器工作性能稳定，延迟时间小，电路结构简单，是一个实用、创新性的电路设计。六、总结与展望6.1 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。整个设计通过了软件和硬件上的调试、仿真。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。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，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。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基于单片机的八路抢答器 34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！6.2、展望回头再看看该设计，还可以将设计的扩展功能增强：1、可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。2、增加记分模块，可以设定初始积分，并记录每次抢答完成后的积分。3、将抢答按键用无线实现，如红外线，使抢答者可以远距离进行抢答，并简化按键模块的线路布置。如果提供相应的器材及时间上的宽限，一定可以完成上述扩展功能，进一步完善作品。基于单片机的八路抢答器 35七、致 谢本课程设计是在我的导师的亲切关怀和细心指导下完成的，在设计过程中，自始至终凝聚着导师的心血。恩师那治学严谨的态度，渊博的学识感染着我。他那诲人不倦、宽厚朴实的作风给我们留下了不可磨灭的影响，是我学习的榜样，使我终生受益无穷。在此论文完成之际，特向恩师表达诚挚的谢意同时以最崇高的敬意。除此之外，在课题进行当中，还得到了其他老师的细心指导和诸多帮助。他们的无私帮助和耐心指导也是我得以完成本课题的关键。再此我向他们表示由衷的感谢和深切的问候。此间我还得到了同学等诸多指导，再此表示感谢。我还要感谢我的一些同学，他们在我最需要帮助的时候无私的伸出了援助之手，在此，对于他们无私的帮助我表示深深的感谢。可以说如果没有他们的帮助我就不可能顺利的按时完成毕业设计。真诚的感谢所有的帮助过我的老师们，同学们、家人和朋友们。感谢对本设计进行评审的老师们，感谢他们给我提出的宝贵意见和建议。基于单片机的八路抢答器 36八、参 考 文 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.