单片机抢答器.docx

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单片机抢答器

河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计（论文）

题目＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

班级＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

姓名＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

指导教师＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

目录

摘要1

第1章绪论2

1.1单片机抢答器的背景2

1.2抢答器的意义2

第2章设计任务及系统功能简介3

2.1抢答器的工作原理3

2.2设计任务3

2.3基本功能3

2.4扩展功能4

第3章系统硬件电路设计5

3.1 AT89C51单片机硬件电路5

3.2原理及电路总框图5

3.3晶振复位及开始抢答电路6

3.4选手抢答题（矩阵式键盘）6

3.5显示器与显示驱动电路7

3.6蜂鸣器音频输出电路8

3.7发声电路的设计9

3.8蜂鸣器音频输出电路9

第4章系统软件设计11

4.1程序设计11

4.2主程序设计11

4.3硬件复位流程图12

4.4系统程序流程图12

4.5显示抢答违规流程图13

4.6抢答成功流程图13

第5章总结14

第6章致谢16

参考文献17

摘要

随着科技的高速发展，各种各样的新技术、新元件都应用到了实际的生产生活之中，加快了人们的生活节奏，也简化了人们的劳动过程。

随着人们对娱乐生活的质量的追求，作为娱乐项目中的工具—抢答器也一样在变化。

抢答器它可以由PLC、单片机、数字电路、模拟电路还可以由EDA技术做成，本次设计是采用PLC做主控制器，控制台灯、音响、数码管构成的电路。

开始抢答前，主持人首先通过复位按钮实现电路复位，在提问之后，打开选择开关启动定时器。

在抢答限时内，当某一组抢先按下抢答按钮后，对应的辅助继电器接通，同时切断其它抢答回路，实现互锁。

如一路抢先按下，则其他再按下将不会起作用。

抢答成功后，辅助继电器接通，启动音效电路和某分台指示灯，同时利用内部编码程序段控制输出点，驱动外部数码显示器显示抢答成功的组号。

抢答成功后，同时启动定时器，当定时器计时结束，将启动音效电路和指示灯提示回答时间到。

如果在限时内无人抢答，则启动音效电路和总台指示灯。

本抢答器系统可以通过修改程序方便地调整设置时间，显示部分采用控制器内部编码方式输出控制信号驱动外部数码显示器件，也可以外部连接编、译码器件实现，并且可以采用适当的输出信号驱动其它类型的显示器件。

如果对外部电路稍加修改，或者在系统程序中加入分支，可以把八路抢答器改为更多路的抢答器。

如果去除系统中的互锁和限时功能，可以把抢答器改为呼叫器，能够用在医院病房、宾馆客房、写字楼办公室、工厂生产车间等多种地方。

第1章绪论

1.1单片机抢答器的背景 

二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。

究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上[1]。

在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了更确切的知道哪一组或哪一位选手先抢答到题，必须要有一个系统来完成这个任务。

若在抢答中，只靠人的视觉（或者是听觉）是很难判断出哪一组（或哪一个选手）先抢答到题的。

利用单片机编程来设计抢答器，可以使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也能轻松的分辨出哪一组（或哪个选手）先抢答到题的。

本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。

1.2抢答器的意义 

本系统采用单片机作为整个控制核心。

控制系统的四个模块为：

显示模块、存储模块、语音模块、抢答开关模块。

该系统通过抢答电路键盘按键输入抢答信号；利用一个数码管来完成显示功能；用按键来让选手进行抢答，在数码管上显示哪一组先答题的，从而实现整个抢答过程。

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。

第2章设计任务及系统功能简介

2.1抢答器的工作原理 

抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用查询式键盘进行抢答。

采用动态显示组号。

主持人按下开始抢答键才可以抢答。

主持人没有按下开始抢答按纽（P3.2），有人抢答则抢答违规，报警并显示组号，主持人按下开始抢答开关重新抢答。

主持人按下开始抢答按纽（P3.2），蜂鸣响声提示，且数码管10秒倒计时（10秒内抢答有效），有人在10秒抢答，蜂鸣器响声提示并显示他的组号，3秒开始20秒倒计时（20秒内必须回答完问题）。

20秒后主持人按下复位开关为下一题的抢答做准备。

单片机最小系统、抢答按键模块（四位并行数码显示、4*4矩阵式键盘）、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、蜂鸣器音频输出模块。

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，单片机控制的智能抢答器。

2.2设计任务

1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。

2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3.抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。

5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00

2.3基本功能

（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。

（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（3）抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

2.4扩展功能

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。

（2）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00

第3章系统硬件电路设计

3.1 AT89C51单片机硬件电路 

单片机（SCM）是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称。

它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。

它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。

目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。

近年来，AT89C51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的ROM，并且ROM可以直接用编程器来擦写，使用起来比较方便。

本设计使用到的元器件包括：

AT89C51芯片、数码LED显示器、七段LED数码管的译码。

其中AT89C51是系统的核心，它主要负责控制各个部分的协调工作。

在其外围接上复位电路，上拉电阻，数码管，按钮以及振荡器，p1.3-p1.6为抢答输入键接口

3.2原理及电路总框图

图3.2抢答器总原理图

3.3晶振复位及开始抢答电路 

晶振的频率为12MHZ，提供89C51的时钟脉冲使89C51工作，复位电路是单片机初始化，使单片机重新开始执行程序。

当复位开关按下RST由低电平变为高电平，则程序从头开始执行，在此次课程设计电路中当一个问题结束主持人后按下复位开关后进行下一题的准备，数码管段选P2.0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.2口。

图3.3复位及开始抢答电路

3.4选手抢答题（矩阵式键盘）

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时不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作时空现象。

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繁琐，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。

这里采用常用的方法，即延时法的原理为：

因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几毫秒，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，否则为无效按键。

本次毕业设计中采用了独立键盘的方式，本设计有8个抢答器按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。

8个抢答器按键如图3-1所示分别接入单片机的P1.0-p1.7的值来判断当前输入的是8个抢答器按键中的哪一个。

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。

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I/O端口功能，单片机通过读取10、11脚的P3.0、P3.1的I/O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，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。

图3.4选手抢答器

3.5显示器与显示驱动电路

数码管的显示可以分为两种：

静态显示和动态显示。

静态显示的段选位和位选位均单独连接，因此占用的I/O接口多，无法扩展多个数码管。

而数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划的同名端连在一起，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

本次设计电路包括显示和驱动，显示采用数码管，驱动用三极管PNP。

数码管要显示抢答违规者编号、抢答10秒倒计时、正常抢答者编号和回答问题时间20秒倒计时，数码管采用动态显示。

驱动电路PNP发射极接+5V电压，当基极为低电平是集电极为高电平则能驱动数码管使其显示数字。

因为PNP是模拟器件而数码管为数字器件，PNP的集电极如果不接一个较大的电阻显示就会出问题。

所以在PNP的集电极接了一个10千欧的电阻。

图3.5显示器与显示驱动电路

3.6蜂鸣器音频输出电路

蜂鸣器是一种电子电路中常用的发声器件，蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。

提供蜂鸣器发声所需要较高的电流，单片机的I/O口驱动能力有限，而我们知道三极管有电流放大的作用，在这里就是利用三极管放大电流来使蜂鸣器获得足够的驱动电流。

蜂鸣器音频输出电路的功能是用来报警，当遇到报警信号时，发出蜂鸣声，以此来提醒操作者。

本电路通过控制不同频率的矩形脉冲来控制蜂鸣器发声。

此次课程设计中只需要一些简单的提示声音，如有抢答违规，开始抢答，抢答时间结束和回答问题时间到的提示声音。

本课程设计从P3.3口输出一个矩形脉冲来控制驱动器PNP集电极的高低电平时间来控制蜂鸣器的声音。

图3.6 蜂鸣器音频输出电路图

3.7发声电路的设计

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。

图3.7发声电路

3.8蜂鸣器音频输出电路

蜂鸣器是一种电子电路中常用的发声器件，蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。

提供蜂鸣器发声所需要较高的电流，单片机的I/O口驱动能力有限，而我们知道三极管有电流放大的作用，在这里就是利用三极管放大电流来使蜂鸣器获得足够的驱动电流。

蜂鸣器音频输出电路的功能是用来报警，当遇到报警信号时，发出蜂鸣声，以此来提醒操作者。

本电路通过控制不同频率的矩形脉冲来控制蜂鸣器发声。

此次课程设计中只需要一些简单的提示声音，如有抢答违规，开始抢答，抢答时间结束和回答问题时间到的提示声音。

本课程设计从P3.3口输出一个矩形脉冲来控制驱动器PNP集电极的高低电平时间来控制蜂鸣器的声音。

图3.8蜂鸣器音频输出电路图

第4章系统软件设计

4.1程序设计

程序设计（Programming）是指设计、编制、调试程序的方法和过程。

它是目标明确的智力活动。

在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。

在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。

数据处理包括：

数据的采集、数字滤波、标度变换等。

过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出[3]。

为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。

把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。

所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法。

模块程序设计法的主要优点是：

（1）单个模块比起一个完整的程序易编写、调试及修改。

（2）程序的易读性好。

（3）程序的修改可局部化。

（4）模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用。

（5）模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。

本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑键盘子程序、显示驱动子程序构成。

4.2主程序设计

为了能够达到抢答的公平、公正、合理，应该在主持人发布抢答命令之前必须先设定抢答的时间，因而在编开始抢答前的程序得先编写设定时间的程序，当时间设好了之后，主持人按开始键发布抢答命令，若在主持人未按开始键之前，有选手提前答题，则为违规抢答，蜂鸣器会发出警告声，并在显示器上显示犯规的选手编号。

当有选手抢答成功，则程序打开定时中断开始倒计时，然后调用键盘扫描子程序，编写键盘扫描程序，其他选手在此之后按键无效。

当在扫描到有人按下了抢答键，马上关闭T0、调用显示程序、封锁键盘。

4.3硬件复位流程图

图4.1硬件复位流程图

4.4系统程序流程图

图4.2系统程序流程图

4.5显示抢答违规流程图

图4.3显示抢答违规流程图

4.6抢答成功流程图

图4.4显示抢答违规流程图

第5章总结

在电路设计过程中要求用独立的三个共阴极七段数码管显示，但考虑到实现时接线比较复杂，容易出错，故采用七段码7SEG-MPX4-CC显示，它是由共阴极的高电平点亮，有四个七段数码管集成而成，由于本次课程设计需要三个数码管，所以接线的时候在电路上有一个管脚不接。

在现实生活中抢答器设计时，大多不考虑两人同时抢答的情况，应为两人同时抢答的概率很小，所以设计抢答器的时候不做考虑。

还有一种原因就是的如果使用单片机设计抢答器时，由于单片机内部本身就有优先级的设置，在选手进行抢答时绝对的公平是不存在的。

本文研究与设计的八路多功能抢答器采用了常用的电子元器件，利用AT89C51单片机及外围接口实现强大系统，利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理，将软、硬件有机地结合起来。

理论联系实践，通过查资料和搜索有关的文献，培养了自学能力和动手能力。

并且由原来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，但是通过毕业设计论文，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。

我想这对于自己的以后的学习和工作会有很大的帮助的。

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，书本上的理论知识与在实际应用中是有一定的出入的，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的，但怎样链接各个子程序是关键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。

因此可以说单片机的设计师软件和硬件的结合，二者是密不可分的。

通过这次毕业设计,我学到了很多书本上没有的实际的知识,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的灵活运用。

在设计及制作过程中，遇到过一些困难。

通过上网和去图书馆查资料解决之。

并且在网上搜集到了一些元器件及电路的相关资料对以后的学习及工作是很有帮助的。

最重要的是我学会了自学的方法，这将使我今后离开学校，踏上社会是相当有帮助的。

其次是进一步熟练地掌握和运用了相关的专业软件，提高了我们自身的专业素质。

这也是我们工科学生所必须掌握的基础技能。

同时也深深的体会到，我们书本上所学的知识和实际的东西相差甚远，我们所不懂的知识还有很多，因此今后我们要更加注重实际方面的锻炼和运用。

第6章致谢

在本次毕业设计过程中，胡老师对该论文从选题构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我得以最终完成毕业论文设计。

在学习中，老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。

这三年中还得到众多老师和同学的支持和帮助。

在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

另外感谢学校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

再一次对我的母校表示感谢。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人毕业答辩的各位老师表示感谢。

参考文献

[1]高伟.AT89单片机原理及应用【M】。

北京：

国防工业大学出版社，2008年。

[2]马轲瀛.八路数字抢答器系统【J】。

华商，2007年。

[3]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。

[4]谢自美.《电子线路设计.实验.测试》（第三版）【M】，武昌，华中科技大学出版社，2005年。

[5]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。

[6]李增生.对《抢答器》的改进【J】。

电子制作，200年12月。

[7]杨凌霄.微型计算机原理及应用【J】。

江苏：

中国矿业大学出版社，2004年。

[8]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。

[9]程相波，卫安军.基于MC-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，2007年2月。

[10]丁建伟.抢答器电路设计【J】。

兰州工业高等专科学校学报，2008年4月

指导教师评语及成绩评定

论文成绩：

指导教师（签字）：

年月日

答辩小组评语及成绩评定

答辩成绩：

毕业设计成绩：

答辩小组负责人（签字）：

年月日

答辩委员会审定意见：

答辩委员会主任（签字）：

年月日