基于51单片机智能竞赛抢答器设计与实现.docx

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基于51单片机智能竞赛抢答器设计与实现

基于51单片机智能竞赛抢答器设计与实现

摘要

智能抢答器作为一种电子产品已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

但目前所使用的抢答器有的电路较复杂，不便于制作，而且可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成芯片，而专用集成芯片的购买又很困难。

为适应多选手抢答活动的需要而设计一个智能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。

本系统就是采用AT89C51单片机为核心而设计的八路智能抢答器。

本系统采用软硬件结合的方法而设计，其中硬件设计是借用单片机AT89C51为中心控制模块，采用模块化设计思想，根据系统功能划分成六个模块，分别为：

核心控制模块、电源模块、时钟与复位模块、按键输入模块、显示模块、报警模块。

软件设计是采用汇编语言编程。

在抢答器设计过程中，首先完成总体方案的论证制定，然后分析系统的工作原理，在此基础上设计出各部分单元电路原理图，进一步完成对系统电路的设计。

在对系统工作原理充分研究的基础上，选择合适的元件型号和参数，再用protel绘图软件画出电路原理图，最后根据电路接口编写软件程序。

关键词:

抢答器单片机AT89S51模块按键

ABSTRACT

Theintelligentviestoanswerfirstasakindofelectronicproductshavebeenwidelyappliedinallkindsofintelligenceandknowledgecompetitionsituation.Butusingthecurrentissomecomplicatedcircuitviestoanswerfirst,donotfacilitateproduction,andreliability,lowdifficulttoachieve;Othersusesomespecialintegratedchips,andthepurchaseofthespecialintegratedchipsandverydifficult.Inordertoadapttotheneedsofthemanyplayersviestoanswerfirstactivitiesanddesignaintelligentviestoanswerfirstdevice,thisviestoanswerfirstinstrumentshavecircuitissimple,components,easytobuyordinaryetc,andsolvesthedifficultandhardtobuymakersmaketheproblem.ThissystemisAT89C51microcontrollerasthecoreandthedesignoftheintelligentviestoanswerfirst8.

ThesystemUSESthesoftwareandhardwareofthemethodofcombininganddesign,includinghardwaredesignareborrowedfromthesingle-chipmicrocomputerAT89C51asthecentercontrolmodule,themodulardesigndivision,withsixmodule,respectivelyis:

thecorecontrolmodule,thepowermodules,clockandresetmodule,keyinputmodule,displaymodule,alarmmodule.Thesoftwaredesignisthecommonassemblylanguageprogramming.

Inthedesignprocess,viestoanswerfirstdofirstoverallscheme,andthenanalysestheargumentfortheworkingprincipleofthesystem,andbasedonthis,thedesignofunitofthecircuitprinciplediagram,furthertothedesignofthesystemtocompletethecircuit.Intheworkingprincipleofthesystembasedonthestudyofthefully,andchooseappropriatecomponentmodelandparameter,garnishwithproteldrawingsoftwaredrawcircuitprinciplediagram,accordingtowritesoftwareinterfacecircuitprogram.

Keyword:

viestoanswerfirst;microcomputer;AT89C51;module;button

第一章绪论

1.1课题研究现状

抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。

目前电子抢答器的中心构造一般都是由数字电子集成电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音记分抢答器。

非语音记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。

语音记分抢答器是由一个抢答器的主机、主机的显示屏以及选手的记分显示屏等构成，具有记分等功能。

电子抢答器多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。

电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。

无线电脑抢答器是由主机和抢答器专用的软件和无线按钮构成。

无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。

有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑再和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。

随着我国抢答器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。

技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。

了解国内外抢答器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。

目前市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。

那么选择一款真正适合的抢答器就非常重要。

抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有很多的缺点，有的电路较复杂不便于制作,可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块,而专用集成块的购买又很困难。

而我所设计的八路智能抢答器，具有元件普通,易于购买等优点,很好地解决了制作困难和难于购买的问题。

在国内外已经开始普遍应用。

1.2选题的目的与意义

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。

怎样来设计抢答器，能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？

通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与传统的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部。

第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于传统抢答器，并能够解决以上提出的问题。

所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。

通过本次设计，基本掌握51系列单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成部分，详细掌握智能抢答器的原理和编程方法，了解单片机类系统的设计基本理念，提高独立思考的能力和编程的逻辑思维能力。

同时通过本课题设计，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。

进一步深入了解掌握以单片机为核心控制系统的设计方法及编程方法。

1.3课题要求的研究及内容

根据智能抢答器的具体功能，本课题的详细要求如下：

（1）抢答器可以同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1～S8表示。

（2）主持人可以通过智能抢答器的按键设定每道题的抢答时间和回答时间。

（3）具有清零和非法抢答控制功能，设置一个系统清除和抢答控制开关，并由主持人操控，避免选手在主持人说“开始”前提前抢答，违反规则。

（4）当主持人启动“开始抢答按键”后，定时器进行减计时，在15秒内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权，抢答时间耗尽后禁止抢答。

（5）倒计时5秒时，如果仍无人抢答，则系统每1s报警一次，用以提示参赛选手。

（6）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编号，并在LED数码管上显示，一直保持到主持人将系统清除为止，同时扬声器发出报警声响提示。

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。

（7）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号，同时进入回答问题的30s倒计时。

（8）倒计时期间，涂改主持人想终止倒计时，可以按下“停止”键，系统会自动进入准备状态。

本论文中主要介绍了单片机抢答器的详细设计内容和它的工作原理及工作过程，显示了它的实际用途。

本系统根据要求中的技术指标，采用单片机作为核心的模块化设计，系统的六个模块分别为：

按键输入模块、显示模块、时钟与复位模块、报警模块、电源模块、核心控制模块。

并且利用存储程序来完成软件的设计，在抢答比赛中可以广泛应用。

本系统中的八个参赛选手分别有一个抢答按钮，通过每个按钮输入抢答信号；主持人有开始和结束、复位按钮；在后台主持人有抢答时间和回答问题时间的调控按钮；利用三个七段数码管来完成显示功能，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号；在最后五秒扬声器发生提示。

如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。

主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

本设计中主要硬件设备：

AT89C51单片机、8输入3态缓冲器∕线驱动器74LS244、六反相驱动器7404、共阳极LED数码管等、12MHz晶振、74LS04反相器、手动开关、按键若干、报警喇叭、变压器、整流器、电容、电阻、7805稳压芯片。

1.4本论文的组织架构

本论文章节的组织结构和内容如下：

第一章：

绪论。

简要介绍了抢答器的发展现状，选题的具体意义与目的，说明了本课题研究的要求及研究内容。

第二章：

总体方案论证。

介绍了抢答器的三种设计方案，并作出详细优缺点的对比，体现本论文中采用的方案的正确性与科学性。

并对采用的方案进行简单介绍，说明了抢答器的主要功能和工作过程。

第三章：

抢答器的硬件电路的设计。

详细描述了本课题各部分组成电路单元的具体设计。

第四章：

抢答器的软件设计，并编程序。

第五章：

总结。

总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。

第二章总体方案论证

2.1总体方案分析

根据目前市场上抢答器的种类，抢答器的种类可以大体分为三种，以下我们对这三种进行详细比较。

方案一:

抢答器系统的各部分均采用中小规模集成数字电路,利用硬件电子元器件实现，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。

如采用74LS148优先编码器来实现抢答功能等。

该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，没有软件的设计部分，不需要编程，但是电路结构复杂，调试困难，涉及到的外围元器件很多，造成抢答器的成本较高，并且制作过程工序比较烦琐，不便于安装与调试，给实际操作带来很大的麻烦。

方案二：

系统设计主要基于可编程的PLC设计，系统包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。

硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。

软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。

方案三：

系统采用MCS-51系列单片机作为控制核心，其片内带有4KflashROM，128的RAM，以及15根I/O口线能满足设计要求。

该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。

利用单片机程序判断选手按键是否有效，但是选手违规抢答，利用简答程序显示，启动蜂鸣器报警，告诉主持人有人违规操作，抢答无效。

给出相应的延时，选手按正常的操作抢答，软件倒计时，利用AT89C51移位寄存7段数码管，实现倒计时显示时间，到5秒相应时间提醒选手时间快到了，要及时作答，并启动蜂鸣器。

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性。

单片机特点如下：

（1）高集成度，体积小，高可靠性。

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。

芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。

单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（2）控制功能强：

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:

分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品：

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

（4）易扩展：

片内具有计算机正常运行所必需的部件。

芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

（5）优异的性能价格比：

单片机的性能极高。

为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。

单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。

由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

方案比较分析：

从第一个方案我们可以看出，这个抢答器是由抢答电路，定时电路，报警电路，时序控制电路四个关键电路部分组成。

扩展电路是由秒钟脉冲信号产生电路，译码电路，显示电路等，它的功能很齐全，设计的电路也很稳定。

但是它的造价却很高，仅仅是集成电路他就用了八个，这个跟我们当初的设计理念是相冲突的。

我们要的是功能齐全，但是造价比较低的设计。

所以我们放弃这个方案。

而方案二采用可编程PLC设计实现的抢答器，但该系统的投入成本过于高昂，软件编程过于繁琐，对编程的语言掌握程度要求很高，而且其PLC在该领域的应用很少，普通人对PLC的理解及掌握都不是很深入，鉴于通用性和节省的原则，我们依然不采用该方案。

方案三采用单片机为核心器件，外围电路采用集成芯片，其可靠性好，结构简单，不但从性能上优于方案一和方案二，而且在使用上及其功能的实现上都较其他方案简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使其工作速度更快、效率更高。

另外单片机采用12MHz的晶振，提高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩张功能。

该模式充分体现了原有系统性能的改进，功能的扩展及其他同类系统的不同之处，它包括硬件逻辑图与软件流程图，比较经济实用，所以我们选用单片机的方案。

2.2智能抢答器模块化设计

该抢答器系统的硬件设计是以单片机为中心控制模块，采用模块化设计的八路抢答器，具有六个模块，分别为：

按键输入模块、显示模块、时钟与复位模块、报警模块、电源模块、核心控制模块。

系统的主要功能模块原理框图如图2-1所示。

图2-1主要功能模块原理框图

按键输入模块共有14个按键，分为抢答按键和控制按键。

抢答按键共有八个，分别为S1―S8，供抢答选手进行抢答使用，P1口为八个按键抢答信号的输入口，低电平有效。

控制按键有六个，分别为S9―S14，其中S9和S10分别为“抢答时间调整键”和“回答时间调整键”，其对应的I∕O接口分别为P3.2和P3.3；S11和S12分别为时间“加1”和“减1”按键，其对应的I∕O接口分别为P3.4和P3.5；S13和S14分别为“抢答开始按键”和“抢答停止按键”，其对应的I∕O接口分别为P3.0和P3.1；

显示模块本系统采用四个共阳极LED数码管显示，一个数码管用来显示抢答到问题的选手的号码，两个用来显示倒计时时间，一个未使用的数码管作为以后的扩展使用。

数码管采用74LS244来驱动，74LS244是TTL8输入3态缓冲器∕线驱动器，它的输出电流可以达到24mA。

时钟与复位模块包括时钟电路和复位电路，单片机的最小系统就是由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位或开关复位。

当5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

报警模块在本系统中为附加模块，它的主要用途就是起到提示并引起人们的注意。

它只有在两种情况下才发出报警，一是“开始抢答”按键没有按下时，选手就按下了“抢答键”，报警电路发出报警，提示有选手发生抢答；二是每道题的抢答时间和问题的回答时间在倒计时5秒时，报警电路发出报警，提示选手倒计时的时间即将耗尽。

电源模块是为了增强本系统应用的广泛性而设计的模块，在我们常用的单片机或其他外围芯片的电源供给电压一般为直流+5V、+3V和+12V，现实中的使用电压为交流220V，为了增加其现实意义，故设计了电源模块，它的主要任务是将交流220V电压转换为本系统中可以直接使用的直流+5V。

核心控制模块就是人们所谓的CPU，它是整个系统的总控制部分，本系统的核心控制模块为51系列的单片机，只有我们通过软件程序的编写，并将程序写入单片机，该系统才会正确的工作。

第三章硬件电路设计

本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离。

从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。

只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。

为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：

（1）工业上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，否则因为程序空间不够使不得不进行空间扩展。

（4）RAM空间，大部分51系列单片机的内部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。

随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。

只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。

（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。

3.1核心控制模块

3.1.1单片机的选型

单片机实际上就是把CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、I/O接口电路等微型机的主要部件集成在一块芯片上，因此称之为单片机Mircocontroller。

由于它具有体积小，性价比高，耗电少，可靠性高，有易于掌握和使用，所以现在微型机不仅占领了原来实用小型机的各个领域，而且广泛应用于过程控制等场合，此外还可应用于过去计算机无法深入的方面，如测量仪器、教学装置、医疗设备、家用电器等。

经过多年的发展，8位单片机已有60多个系列，近600多个种类，市场上可见到的如美国Fairchild公司的F8系列，Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-196系列产品，Motorola公司的6801、6805系列产品，Zilog公司的Z8、Supper8系列产品，Rockwell公司的6501、6502系列产品，Philips公司的80C51系列产品,Microchip公司的PIC系列和Ateml公司的AT89系列等，Intel公司的单片机在市场上占主流地位，其中MCS-51系列产品又占主导地位。

我国应用引进的单片机主流产品是MCS-51、MCS-96系列。

MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。

有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。

同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51、89S51，PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的89C51指的是ATMEL公司的AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。

总体来说单片机的种类很多，在实际设计和工作中选择好单片机非常重要，选择怎么样的单片机对产品的整体结果影响很大，选择时一般考虑以下问题。

了解被开发产品的需求和任务：

搞清楚被开发产品的使用环境、供电方式、功能要求、成本要求和开发周期等