基于单片机控制的8路抢答器设计.docx

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基于单片机控制的8路抢答器设计

课程设计任务书

题目名称

（包括主要技术参数）及要求

设计要求：

（1）抢答器同时为8组选手分别提供抢答按钮，按钮分别为PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8；

（2）设置一个复位按钮PB9，实现系统电路的复位，由主持人控制；

（3）设置一个启动按钮PB10，由主持人控制；

（4）设置一个限时开关PB11，由主持人控制；

（5）当主持人打开启动开关PB10后，在设定时间T0内，如果某一组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路发出声响，指示灯L1亮，并且在七段LED显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其它组再按下抢答按钮为无效；

（4）如果在时间T0内，无人应答，则驱动音效电路发出声响，指示灯L2亮，表示抢答者均放弃该题；

（5）在抢答成功后，主持人打开限时开关PB11，启动定时器，显示倒计时时间，在设定的时间T1内回答有效，当到达设定时间T1时，驱动音效电路，指示灯L3亮，表示答题时间到。

完成资料：

设计说明书一份（10～15页），包括设计原理说明、控制原理图。

设计内容及工作量

设计内容：

1、根据设计要求选择单片机型号和外围电路的电子元器件。

2、设计硬件电路原理图。

3、编写单片机程序并调试。

工作量：

1周

主要参考资料

1．蒋辉平,周国雄.单片机原理与应用设计，北京：

航空航天大学出版社，2007。

2．文明月，基于AT89S52单片机的抢答器设计与实现，科技创新导报，2009年第28期。

3．王冬梅，张建秋，基于单片机的八路抢答器设计与实现佳木斯大学学报（自然科学版），2009年第3期  。

4．张瑞惜，智力竞赛抢答器设计，机电工程技术，2007年第8期。

进度计划表

阶段日期

计划完成

工作量

指导教师检查意见

备注

6.4

查阅资料，确定总体设计方案

6.5

绘制电路原理图

6.6

单片机及外围电路连接，初步调试

6.7

编写课程设计说明书

6.8

课程设计答辩

设计总结：

经过一周的忙碌，在老师和同学的讨论和帮助下,我成功地完成了八路抢答器的设计。

由于时间仓促，所以只列出了程序流程图，没有编写程序，也没有进行仿真，以后会注意加强这方面的练习。

通过此次的抢答器的设计，让我重新拾起了以前所学习的单片机和电子电路的知识，也使我加深了对单片机及接口技术的理解和应用。

这次课程设计我也发现自己的很多不足之处。

课堂上学到的东西并不能完全照搬到课程设计中来，还要结合实际问题，具体问题具体分析。

这对我来说既是一个挑战，也是一次难得的锻炼机会。

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，我将会在以后的学习中继续努力。

总之这次课程设计，让我受益匪浅。

最后感谢在这次课程设计中所有帮助过我的老师，还有和我一起探讨问题的同学。

考核成绩及评语

指导教师签字

年月日

系（教研室）意见

系（教研室）主任签字

年月日

摘要

随着科学技术的发展和普及，各种各样的竞赛越来越多，其中抢答器的作用也越来越重要。

本文设计出以AT89S51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。

本设计是以抢答为出发点。

考虑到依需设定限时回答的功能，利用89S51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；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数码显示管定时器/计数器扬声器

第一章绪论

数字技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路（SSI）发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。

相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集成电路（ASIC）设计。

目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。

例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。

随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。

随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。

通过这种综合性训练，我们要达到以下的目的和要求：

1.结合课程中所学的理论知识，独立设计方案。

达到学有所用的目的.

2.学会查阅相关手册与资料，通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析与解决问题的能力，对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。

抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。

选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。

第二章抢答器的概述

2.1系统设计的功能

定时抢答器的总体框图如下图：

2.1.1基本功能：

（1）同时供8名选手比赛，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。

2.1.2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。

在这段

（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。

2.2抢答器的需求分析

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是在1～99s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、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

2.3抢答器的硬件设计

抢答器电路

2.4抢答的工作过程

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0~99s,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20s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。

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上不显示任何结果，直到按下"停止"键为止。

第三章硬件电路的设计

3.1总电路原理

为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：

（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，AT89S51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。

（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。

P2.4为开始抢答[9]，P2.5为加分，P2.6为减分，P1.0-P1.7为六八抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P2.7口。

3.2时钟频率电路的设计

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。

MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的。

晶振的选择：

6MHz的晶振，其机器周期是2us。

12MHz的晶振，其机器周期是1us,也就是说在执行同一条指令时用6MHz的晶振所用的时间是12MHz晶振的两倍。

为了提高整个系统的性能我选择了12MHz的晶振。

振荡方式的选择：

内部振荡方式，MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。

这样就构成了内部振荡方式

外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。

在我的这个设计中没有也无需与外部时钟信号一致，所以我选择了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

晶振我选择了12MHz，相对于6MHz的晶振，整个系统的运行速度更快了。

电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值我选择了30pF。

内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。

图3-2时钟电路的设计

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。

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30PF。

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。

如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12µs。

3.3复位电路的设计

3.3.1复位电路的可靠性设计

计算机在启动运行是都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

MCS-51的复位输入引脚RST为MCS-51提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在MCS-51的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作。

只要RST保持高电平，则MCS-51循环复位。

只有当RST由高电平变低电平以后，MCS-51才从0000H地址开始执行程序。

本系统采用按键复位方式的复位电路。

MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振

后，该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平。

使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。

此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。

RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。

复位以后内部寄存器的初始状态为（SP=07，P0、P1、P2、P3为0FFH外，其它寄存器都为0。

在RST复位端接一个电容至VccHE一个电阻至Vss，就能实现上电自动复位，对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可。

如图，在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使MCS-51有效地复位。

RST端在加电时应保持的高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振时间，Vcc上升时间若为10ms，振荡器起振时间和频率有关。

10MHz时间约为1ms，1MHz时约为10ms，所以一般为了可靠地复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。

图2.5中，RC时间常数越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。

当振荡频率为12MHZ时，典型值为C=10uF,R=8.2kΩ.

图3-3上电复位电路

3.3.2人工复位

除上电自动复位以外，常常需要人工复位，将一个按钮开关并联于上电自动复位电路，按一下开关就RST端出现一段时间的高电平，即使器件复位。

如图所示

图3-4上电和开关复位

而我们在这次的毕业设计中运用的人工复位电路.其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的，按键手动电平复位电路如图。

当时钟频率选用12MHz时，C选取10uF，R选择1000欧。

3.4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。

3.4.1显示模块在系统硬件中的安排

操作者主要设计从显示设备上获取微机系统的信息的，因此，操作者每操作一下，显示设备商都应该有一定的反应。

这说明，显示模块与操作有关，即监控程序是需要调用显示模块。

不同的操作需要显示不同的内容，这又说明各执行模块对显示模块的驱动方式是不同的。

另一方面，在操作者没有进行操作时，显示内容也是变化的，如显示现场各物理量的变化情况。

这时显示模块不是由操作者通过命令键来驱动，而是由各类自动执行的功能模块来驱动。

自动执行的各类模块在安排在各种中断子程序中，这就是说，各种中断子程序也要调用显示模块。

如果监控安排在中断子程序中，两者的要求就统一了，问题比较好解决，如果监控程序安排在主程序中，在监控程序调用显示模块的过程中发生了中断，中断子程序也调用显示模块，这时就容易出问题。

一种比较妥善的办法是只让一处调用显示模块，其他各处均不得直接调用显示模块，但有权申请显示。

这就要设置一个显示申请标志，当某模块需要显示时，将申请标志置位，同时设定有关显示内容（或指针）。

由于一处调用显示模块，故不会发生冲突。

为了使显示模块能及时反应系统需要，应将显示模块安排在一个重复执行的循环（如监控循环或时钟中断子程序）中。

当监控程序（键盘解释程序）安排在时钟中断子程序中时，处理比较方便，只要在监控程序的汇合处调用显示模块就可以了。

这里将显示功能集中到一起，作为一个功能模块，就要求它的功能全面，能根据系统软件提供的信息自动完成显示内容的查找，变换和输出驱动。

这样设计使得各功能模块都不必考虑显示问题，只要给出一个简单的信息（如显示格式编码）甚至不用再提供额外信息，直接利用当前状态变量和软件标志就可以完成所需的显示要求。

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。

并通过查表法，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：

MOVA,R5

MOVCA,@A+DPTR；查字型

MOVP2,#01H；送位选码

MOVP0,A；送字型码

ACALLDELAY；调延时，去闪烁

在七段数码管显示中可分为共阳极和共阴极两种类型极。

以共阴为例，要想a段亮，向a段送1就是，返之送0，共阳刚好相反。

3.5扫描电路的实现

键盘是人与微机系统打交道的主要设备。

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。

3.5.1按钮输入的硬件处理

按钮的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这是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。

3.6发声

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。

3.7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。

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2-6所示：

图3-5系统复位策略图

第四章程序流程图

主程序流程图

第四章软件设计

4.1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。

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，计算，显示，打印[8]，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。

4.2显示子程序的设计

显示子程序，及部分注解如下：

DISPLAY:

MOVDPTR,#DAT1;查表显示程序,利用P0口做段选码口输出P2低三位做位选码输出

MOVA,R3

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,#0feH

MOVP0,A

ACALLDELAY

MOVDPTR,#DAT2

MOVA,R5

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,#0fdH

MOVP0,A

ACALLDELAY

MOVA,R4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,#0fbH

MOVP0,A

ACALLDELAY

RET

DAT1:

DB00h,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H 

;"灭","1","2","3","4","5","6","7","8","9","灭","F"

DAT2:

DB3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H

第一个为零,其他与上相同,因为十位如果为零显示熄灭

4.3定时器T0、T1中断服务程序的设计

TO溢出中断（响铃程序）

T0INT:

 MOVTH0,#0ECH

MOVTL0,#0FFH

JNBRING,OUT;

CPLP3.6;RING标志位为1时候P3.6口不断取反使喇叭发出一定频率的声音

OUT:

   RETI

T1溢出中断（计时程序）：

T1INT:

 MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H

INCR0

RETI

END

4.4抢答器处理程序的设计

抢答器处理程序：

TRUE1:

ACALLBARK;按键发声

MOVA,R2

MOVR6,A;抢答时间R2送R6