基于单片机的16路数字抢答器.docx

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基于单片机的16路数字抢答器

1设计概述

1.1抢答器的工作原理

2系统硬件电路设计

2.1AT89C51单片机硬件电路

2.2晶振复位及开始抢答电路

2.3选手抢答键（矩阵式键盘）

2.4显示器与显示驱动电路

2.5蜂鸣器音频输出电路

3系统软件设计

3.1程序设计

3.2主程序设计

3.3系统流程图

3.3.1硬件复位流程图

3.3.2系统程序流程图

3.3.3显示抢答违规流程图

3.3.4抢答成功流程图

4系统仿真

5.

6.

10

1.0.

11

12

4.1PROTEUS软件介绍

12

4.2仿真电路设计

12

4.3仿真测试

12

4.3.1开始抢答仿真

1.2

4.3.2抢答犯规仿真

1.3

4.3.3抢答成功仿真

1.4

4.4仿真结果分析

.14.

5结束语

15

参考文献

17

附录A

系统电路图

1.8

附录B

原器件清单

1.9.

附录C

程序清单

20

1设计概述

1.1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系统硬件电路设计

2.1AT89C51单片机硬件电路

单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）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［2］。

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，p1.0-p1.7为抢答输入键接口，数码管段选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.0口。

2.2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。

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图2.1复位及开始抢答电路

2.3选手抢答键（矩阵式键盘）

89C51的P1口做一个4*4的行列式键盘。

P1.0至P1.3轮流输出低电平在软件查询P1.4至P1.7的电平变化来输入组号。

给每一个选手编号1至16，当选手按下按钮时，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

图2.2选手抢答电路

2.4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。

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图2.3显示器与显示驱动电路

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2.5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P3.0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。

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图2.4蜂鸣器音频输出电路图

3系统软件设计

3.1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。

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。

3.2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TO、调用显示程序、封锁键盘。

3.3系统流程图

3.3.1硬件复位流程图

开始

图3.1硬件复位流程图

332系统程序流程图

图3.2系统程序流程图

3.3.3显示抢答违规流程图

图3.3显示抢答违规流程图

334抢答成功流程图报警提示两次

响声提示

设定定时器初值并启动

显示抢答者且3秒后20秒倒计时

20秒回答问题时间到并响声提示

图3.4抢答成功流程图

4系统仿真

4.1Proteus软件介绍

在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。

Proteus运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对51、PIC、AVR、HC11、ARM等处理器的仿真软件。

4.2仿真电路设计

将单片机最小系统、显示模块、抢答开关模块和音频输出模块进行

PROTEUS设计。

打开PROTEUS的ISIS编辑环境，从PROTEUS中选取该电路所需要的元器件，放置元器件、放置电源和地，再点菜单栏工具下拉的电气规则检查，当规则检查出现：

NETLISTGENERATEDOKNOERCERRORDFOUND”，表示通过检查，电路设计完成。

4.3仿真测试

4.3.1开始抢答仿真

主持人按开始按钮后，进入抢答10秒倒计时，仿真结果如图4.1。

・

图4.110秒抢答倒计时开始

432抢答犯规仿真

若在主持人还未按开始按钮时，就抢答则为抢答犯规。

4号选手在主持人

未宣布开始时就抢答，从而造成犯规，犯规仿真如图4.2。

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图4.24号选手犯规抢答

433抢答成功仿真

主持人按开始按钮后，10秒内抢答则为成功抢答。

仿真图为15号选手成功

抢答，抢答后进入20秒倒计时答题时间，抢答成功仿真如图4.3o

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