基于51单片机的8路抢答器Word文件下载.docx
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此表由主持答辩的同志填写。
答辩委员会（或小组）评语：
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月日
一、毕业设计的任务和具体要求：
毕业设计的任务：
1.使学生复习、巩固所学过的理论与专业知识，并予以适当的深化。
2.强调理论联系实际、严肃认真、高度负责的工作态度，从事电路设计和进行分析调试。
3.进一步训练学生的基本技能（如：
搜集资料、整理思路、绘制电路原理图仿真图及PCB图、
发现与分析问题、寻求解决问题的方案、撰写学术论文等）。
4.训练学生掌握计算机软件操作和单片机技术，运用计算机软件及相关专业知识汇编语言等较好完成该项设计任务。
具体要求：
1.抢答器可同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按键S1~S8进行抢答。
2.主持人可以通过复位按键重新开始另一轮的抢答。
3.初次上电后,系统开始抢答,抢答开始.当有按键按下时,数码管显示当前抢答成功的号数.一直到主持人按下复位后，才能开始下一轮抢答。
4.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按下按键，锁存相应选手的参赛号码，并在LED数码管上显示。
选手抢答实行优先锁存，其他按键者将不能响应，以便公平地选择第一个抢答者。
二、其他要求：
1．先用5V直流电源调试成功后再接电源部分。
2．焊接时注意不要出现不良焊接，以免造成短路。
3．尽量做到简化电路板，使其美观。
三、毕业设计的期限：
自2010年8月30日至2010年11月20日
四、毕业设计（论文）进度计划：
起至日期
工作内容
备注
2013.8.30-2013.9.5
2013.9.6-2013.9.19
2013.9.20-2013.9.26
2013.9.27-2013.10.10
2013.10.11-2013.10.17
2013.10.18-2013.10.24
2013.10.25.-2013.11.14
2013.11.15-2013.11.20
确认题目为《8路智能抢答器》
图书馆或上网查资料
去买相应的电子元器件
研究电子元器件的使用方法和用途
研究《8路智能抢答器》电路原理图
运用c语言编写相应的程序
焊接调试及测试元件
写论文进行总结
成员积极参与毕业设计，认真拟定毕业设计方案计划，在老师的精心指导下，不懈努力，从设计之初到设计完成，提高了动手实践能力，从中收获到了宝贵的经验。
摘要
此次设计提出了用AT89S51单片机为核心控制元件，设计一个简易的抢答器，本方案以AT89S51单片机作为主控核心，与晶振、数码管等构成八路抢答器，利用了单片机的按键电路、复位电路、时钟电路、定时/中断等电路，设计的八路抢答器具有实时显示抢答选手的号码，还有复位电路，使其再开始新的一轮的答题和比赛，同时还利用c语言编程，使其实现一些基本的功能。
本设计的系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。
它的功能实现是比赛开始，主持人读完题之后通电源，直到有一个选手抢答时。
关键词：
单片机、AT89S51、抢答器
目录
第一章前言１
第二章各模块的选择和论证２
2.1抢答器显示模块选择２
2.2控制器选择３
2.3键盘选择３
2.4时钟频率电路的设计５
2.5复位电路的设计６
2.6AT89S51单片机简单概述７
2.6.1AT89S51单片机的结构７
2.6.2AT89S51单片机管脚说明８
第三章模块最终方案的设计１１
3.1总体设计思路１１
3.2功能介绍１１
3.3抢答器的软件设计１１
3.4数码显示１１
第四章系统调试与仿真１２
4.1软件调试问题分析１２
4.2Proteus仿真１２
第五章电路板的制作与检查１４
第六章总结１５
6.1论文总结１５
6.2工作展望１６
参考文献、资料索引１７
致 谢１８
附录一主程序清单１９
附录三Proteus仿真原理图２１
第一章前言
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机按其内部中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）的字长分为1位机、4位机、8位机、16位机等。
从1976年8位单片机诞生以来，单片机领域中一直是以8位机为主流机型，预计这种情况还将继续下去。
因此我们以Intel公司的8位机为例来谈谈单片机的发展历史。
1．第一阶段——单片机阶段（1976年～1978年）。
这阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。
以Intel公司的MCS-48为代表，其CPU、存储器、定时器／计数器、中断系统、I/O端口、时钟以及指令系统都是按嵌入式系统要求专门设计的。
参与这—阶段探索的公司还有Motorola、Zilog等。
2．第二阶段——单片机的完善阶段（1978年一1982年）。
计算机的单芯片集成探索取得成功后，随后的任务就是要完善单片机的体系结构。
作为这一阶段的典型代表是Inlel公司将MCS—48向MCS—5l系列的过渡。
它在以下几个重要方面奠定了单片机的体系结构。
1.完善的外部总线。
有8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。
2.CPU外围功能单元的集中管理模式。
3.设置面向工控的位地址空间及位操作方式。
4.指令系统突出控制功能。
3．第三阶段——微控制器形成阶段（1983年一1990年）。
这一阶段单片机的主要技术发展方向是满足测控对象要求的外围电路的增强，如A／D转换、D／A转换、高速I／O口、WDT（程序监视定时器）、DMA（高速数据传输）等，强化了智能控制的特征。
4．第四阶段——微控制器全面发展阶段（1990年以后）。
即当前的单片机时代，其显著特点是百花齐放、技术创新。
单片机正在满足各个方面的需求．从玩具、小家电、工业控制单元到机器人、智能仪表，过程控制，个人信息终端等无所不能。
随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的发展，使单片微型计算机也得到迅速的发展，单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域故又称为微控制器。
第二章各模块的选择和论证
2.1抢答器显示模块选择
显示模块主要是显示抢答的时间，组别号码等。
考虑有以下两种显示方案。
方案一：
使用液晶屏显示时间。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。
但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。
在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。
方案二：
在使用传统的数码管显示。
数码管具有：
低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。
数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
根据以上的论述，我选择采用方案二。
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，本设计中根据实际情况采用的是1位七段数码管，显示电路如下图所示。
图2-14位七段数码管显示电路图
上图中数码管采用的是1位七段共阴数码管，其中A~G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，位选码直接串个电阻后接地。
在图中还有八个电阻，连接在P0口上，用作P0口的上拉电阻。
2.2控制器选择
控制器主要用于对显示、抢答模块进行控制。
控制器的选择有以下两钟方案。
采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
采用ATMEL公司的AT89S51作为系统控制器的CPU方案。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
基于以上分析，我选择采用方案二。
2.3键盘选择
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。
键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。
在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
独立式键盘
键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了8根I/O口线，该键盘就有8个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。
因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。
如图2-2。
最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。
独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。
图2-2独立式键盘
行列式键盘
行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上。
这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率行列适用于按键输入多的情况。
图2-3行列式键盘
由于按键少，故采用方案一。
图2-4抢答按键
2.4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。
时钟电路如下图所示。
图2-5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。
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。
图中时钟频率为12MHz。
2.5复位电路的设计
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，其电路图如下所示：
图2-6复位电路
2.6AT89S51单片机简单概述
2.6.1AT89S51单片机的结构
AT89S51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图2-8为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。
由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。
下面介绍几个主要部分。
图2-8单片机结构框图
2.6.2AT89S51单片机管脚说明
图2-9AT89S51单片机管脚图
ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。
采用40引脚双列直插封装形式。
AT89S51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。
P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
ALE/
：
当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号端。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/VP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。
第三章模块最终方案的设计
3.1总体设计思路
主控制器模块：
采用AT89S51单片机控制
抢答器显示模块：
数码管显示
电源方案的选择：
采用5V电源供电
抢答器键盘模块：
独立式键
3.2功能介绍
主持人按“复位”键，立刻进入抢答，如有选手抢答，会显示其号数。
当有选手按下时，其他选手按下无效。
3.3抢答器的软件设计
系统软件由主程序和INT0中断服务组成。
主程序由验键，显示等功能子程序组成，系统完成初始化后循环检查各个功能当用户使用某个功能时，按下相应的按钮（或开关）单片机进入相应的功能处理。
INT0中断服务程序完成抢答信号采样和识别处理。
该智能抢答器以AT89S51单片机为控制核心，控制精度较高，操作误差主要来自晶振自身所造成的误差。
其他外围电路包括复位电路、时钟电路、LED显示电路、抢答按键等。
该智能抢答器通过按键扫描输出按键信息，并通过单片机将它转化为在七段数码管上显示的字形符。
单片机的P1口为8组抢答按键的输入口，P0.0~P0.6为数码管的段选口。
3.4数码显示
数码显示管用来作为时间的显示输出，一般用7段数码显示管。
本次设计中采用7段共阴数码显示管应用简单、可靠性高、成本低，作为显示输出。
连接时段选信号接在P0口的P0.0～P0.6七个I/O口上，P1口是准双向I/O接口在输出驱动部分具有驱动4个TTL负载的能力，即输出电流不大于400μA，所以在接电阻时选择接1k限流电阻。
。
第四章系统调试与仿真
系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。
我们设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；
软硬件的配人情况以及是否达到设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终开发成实用产品。
硬件调试分单元电路调试和联机调试，单元电路试验在硬件电路设计时已经进行，这里的调试只是将其制成印刷电路板后试验电路是否正确，并排除一些加工工艺性错误（如错线、开路、短路等）。
这种调试可单独模拟进行，也可通过开发装置由软件配合进行，硬件联机调试则必须在系统软件的配合下进行。
软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。
程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；
也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，如果执行结果与预想的不一致，可以通过单步运行或设置断点的方法，查出原因并加以改正，直到运行结果正确为止。
这时该程序功能块已调试完毕，可去掉附加程序段。
其它程序功能块可按此法进行调试。
程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。
从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。
在联调中可能会有某些支路上的程序、功能块因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。
在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件、硬件全部调试成功为止。
系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。
4.1软件调试问题分析
数码管显示问题：
本次设计的最终方案是采用数码管显示屏实现显示功能，最初数码管显示不正常，出现闪烁现象。
通过调试发现这是由于延时时间选择不当会使人眼产生视觉暂留效果，每一次显示时都必须加入适当的时间延时。
由于一开始所选用的延时时间太短因此出现闪烁现象，在增加显示延时之后，数码管显示正常。
4.2Proteus仿真
Proteus软件是来自英国LabcenterElectronics公司的EDA工具软件,Proteus软件除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图,PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外,其革命性的功能是,他的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器,逻辑分析仪等,您不需要别的,Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境!
PROTUES的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。
该软件的特点：
1.全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。
2.具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；
有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
3.目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
4.支持大量的存储器和外围芯片。
总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，可仿真51、AVR、PIC。
第五章电路板的制作与检查
考虑到本系统所用元器件较少，大部分功能都是通过软件编程来实现，同时也出于对毕业设计成本的考虑，因此所用到的板子是自己手工制作的PCB板。
在电路板的制作中，首先要进行线路的排布。
利用PROTEL软件模拟实际电路板的线路走向，尽量避免线路出现交叉短路，电源线路尽量安排在电路板的最外圈。
PCB板刻录完成之后，开始进行焊接工作。
焊接完后进行电路板检查，将原线路图与实际焊接的电路板进行对比，由于线路不多，所以用万用表的欧姆档或是短路声响指示功能来做焊点的检测，如此可以避免焊接时漏焊、虚焊和配线错误的问题，同
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