单片机课程设计-- 8路抢答器设计文档格式.docx

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2014年1月

任务书

8路抢答器设计

一、 设计任务

设计一个可供8组同时使用的抢答器。

1.设计系统的硬件和软件设计。

2.要求显示抢答的结果，并有45s的答题时间显示。

二、 基本要求

1、 设计系统的硬件和软件设计；

2、 撰写课程设计报告。

3、 课程设计报告由封面、设计任务书、目录、摘要、正文、参考文献、附录等部分组成。

4、 封面可自行设计，应包含课程设计名称及设计题目、专业、班级、姓名、指导老师、设计日期等内容。

5、 正文是设计报告的核心部分。

应包含以下内容：

（1）概述所做课题的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；

（2）硬件电路设计及描述；

（3）软件设计流程图及描述；

（4）源程序代码（要有注释）；

（5）体会和建议等。

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。

本文设计出以AT89C51单片机为核心的八路抢答器，采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想，它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号，最后通过LED数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒,也可分辨出是哪组优先按下的按键，充分利用了单片机系统结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

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;

有45s的答题时间显示；

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计时显示，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：

抢答器单片机LED数码显示管计时

1.概述 1

2.方案比较 2

2.1方案A 2

2.2方案B 3

3.硬件设计 4

3.1原理图的确定 4

3.2抢答器电路 4

3.3时序控制电路设计 5

3.4复位电路的设计 5

3.5晶振电路的设计 6

3.6报警电路设计 7

3.7选手抢答键（矩阵式键盘） 7

3.8显示与显示驱动电路 8

4.程序设计 8

4.1系统主程序设计 8

4.2显示抢答违规流程 10

4.3抢答成功流程图 10

4.4程序清单 10

5.调试结果 11

6.元件清单 12

7.小结 13

参考文献 14

附录一 15

附录二 23

摘要：

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。

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；

有45s的答题时间显示；

1.概述

单片机原理及应用课程设计是学生综合运用所学知识，全面掌握单片微型计算机及其接口的工作原理、编程和使用方法的重要实践环节。

通过独立或协作提出并论证设计方案，进行软、硬件调试，最后获得正确的运行结果，可以加深和巩固对理论教学和实验教学内容的掌握，进一步建立计算机应用系统整体概念，初步掌握单片机软、硬件开发方法。

根据单片机原理及应用课程的要求，主要进行两个方面的设计，即单片机最小系统和存储器扩展设计、接口技术应用设计。

其中，单片机最小系统主要要求

学生熟悉单片机的内部结构和引脚功能、引脚的使用、复位电路、时钟电路、4个并行接口和一个串行接口的实际应用，从而可构成最小应用系统，并编程进行简单使用。

存储器扩展设计要求学生掌握常用半导体芯片与单片机的接口，如EPROM存储器用作外部程序存储器时与单片机的连接关系，SRAM存储器用作外部数据存储器时与单片机的连接关系，E2PR0M存储器用作外部程序/数据存储器时与单片机的连接关系。

能合理分配和使用单片机的内部和外部存储器，编程实现正常的读写功能。

本文设计出以AT89C51单片机为核心的八路抢答器，采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号，最后通过LED数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出是哪组优先按下的按键，充分利用了单片机系统结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

2.方案比较

2.1方案A

该系统采用51系列单片机AT89C51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。

由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。

整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。

MCS-51单片机特点如下：

〈1＞可靠性好：

单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU,程序指令和数据都可以写在ROM里，许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高，易扩充。

〈2＞单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。

＜3＞控制功能强：

单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。

其原理框图如下：

#

2.2方案B

根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。

通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。

该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。

在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。

安全、可靠、省时、省力、价格便宜。

控制软件应用GXDeveloper编程软件，采用梯形图语言编写，工作系统自动控制流程框图（如下图），根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。

自动条件下，必须复位在满足自动条件下才能进行自动程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。

如下图，有主程序和若干子程序组成，其整体设计工作系统自动控制流程图如下图所示：

3

考虑到我们课程设计的目的之一是让我们更加熟悉单片机的汇编语言和结构规则，以及综合各种因素，我们选择了方案A作为我们的实验方案。

3,硬件设计

3.1原理图的确定

单片机实现抢答的原理图：

抢答电路的接口电路

3.2抢答器电路

参考电路如上图所示。

该电路完成两个功能：

一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；

二是禁止其他选手按键操作无效。

如有再次抢答需由主持人将s开关重新置，“清除”然后再进行下一次抢答。

4

复位电路原理图

该复位电路采用上电自动复位和手动复位两种复位方式，图中网络标号所指9连接到单片机的复位引脚。

要实现复位只需在，51系列单片机的RESET引脚

5

3.3时序控制电路设计

时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能：

A.主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答器电路和定时电路进入正确抢答工作状态。

B.当参赛选手按下抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

3.4复位电路的设计

外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。

复位电路如下图所示：

上加上5ms的高电平就可以了。

上电复位是利用电容的充电来实现的，即上电瞬间RESET端的电位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也逐渐增大,充电电流减小，RESET端的电位。

这样就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲的持续时间进行调节。

通常若采用12MHz的晶振时，复位元件参数为22uF的电解电容和10kQ的电阻。

按钮复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET端维持两个机器周期的高电平实现复位的。

3.5晶振电路的设计

MSC-51单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计中采用内部时钟方式。

单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。

时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。

一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，如图2-2所示。

加电以后延时一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，图中Y1为晶振，震荡产生的时钟频率主要由Y1确定。

电容Cl,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起微调作用，典型值为30pF。

晶振电路的设计如图2-2所示：

晶振电路原理图

报警电路图

3.6报警电路设计

报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。

一般喇叭是一种电感性图5报警电路图。

8951驱动喇叭的信号为各种频率的脉冲。

因此，最简单的喇叭驱动方式就是利用达林顿晶体管，或者以两个常用的小晶体管连接成达林顿架势。

在右图中电阻R为限流电阻，在此利用晶体管的高电流增益，以达到电路快速饱和的目的。

不过，如果要由P0输出到此电路，还需要连接一个10K的上拉电阻。

选手在设定的时间内抢答时，实现：

优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次作”清除'

'

和"

开始'

状态开关。

3.7选手抢答键（矩阵式键盘）

AT89C51的P1口做一个为选手抢答的输入按键引脚，P1.0至P1.7轮流输出低电位，给每一个选手编号1至8,当选手按下按钮时，P1口个端口的电平变化从P1口输入，经单片机处理后从P0输出由数码管显示抢答者编号。

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3.8显示与显示驱动电路

此电路包括显示和驱动，显示采用数码管，驱动用P2口，违规者编号、抢答30秒倒计时、正常抢答者编号