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八路抢答器的设计课程设计论文

摘要

随着生活水平的提高，人们的娱乐生活也越来越丰富，各类比赛也随之增多，对抢答器的要求也就越来越高，抢答器的公平公正就显得特别重要。

为了满足各种竞赛的需要，本次设计制作了一个8位竞赛抢答器，该抢答器可以同时供8名选手或8个代表队比赛。

本次设计的电路可以分成抢答电路、可预置时间的定时电路、时钟产生和时序控制电路、报警控制电路、电源电路等几个模块。

具体的实现过程是：

给主持人设置3个控制开关，分别是“开始”，“暂停”和“复位”。

该抢答器具有数据锁存和显示的功能，即抢答开始后，若有选手按下抢答按钮，编号立即锁存，并在数码管上显示选手的编号，同时蜂鸣器给出声音提示，并且封锁输入电路，禁止其他选手强大，优先强大选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

除此之外，抢答器还具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定。

当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示；参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，数码管上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，数码管上没有显示。

该抢答器具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点，使用效果良好，具有较高的推广价值。

关键词：

八路抢答器,倒计时,报警,

Abstract

Withtheimprovementoflivingstandards,people'sentertainmentlifehasbecomeincreasinglyrich,thecompetitionsareincreasing,theresponderrequirementsarealsogettinghigherandhigher,fairresponderisparticularlyimportant.Inordertomeettheneedsofvariouskindsofcontests,thedesignofa8bitcontestResponder,therespondercansimultaneouslyfor8playersor8teams.

本次设计的电路可以分成抢答电路、可预置时间的定时电路、时钟产生和时序控制电路、报警控制电路、电源电路等几个模块。

具体的实现过程是：

给主持人设置3个控制开关，分别是“开始”，“暂停”和“复位”。

该抢答器具有数据锁存和显示的功能，即抢答开始后，若有选手按下抢答按钮，编号立即锁存，并在数码管上显示选手的编号，同时蜂鸣器给出声音提示，并且封锁输入电路，禁止其他选手强大，优先强大选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

除此之外，抢答器还具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定。

当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示；参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，数码管上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，数码管上没有显示。

Thecircuitdesigncanbedividedintoanswercircuit,canbepresettimetimingcircuit,clockandtimingcontrolcircuit,thealarmcontrolcircuit,powersupplycircuitmodules.Concreterealizationprocess:

3controlswitchissettohost,respectivelyis"start","pause"and"reset".Theresponderhasadatalatchanddisplayfunctions,namelytheanswerafterthestart,ifaplayertoanswerinthebuttonpressed,numberimmediatelylatched,anddisplaysthenumberofplayersinthedigitaltube,atthesametime,thebuzzergivesvoiceprompts,andblockadeofcircuit,theprohibitionofotherplayersstrongstrong,prioritynumberofplayershasremainedtohostthesystemisclear.Inaddition,responderhasthetimingresponderfunction,andoneanswerinthetimecanbesetbythehost.Whenthehoststartsthe"start"button,thetimertoreducethetimerequirements,anddisplay;thecontestantsinthesettimetoanswer,answereffectively,thetimerstopsworking,showsthenumberofplayersandtheanswertimedigitaltube,tohostandmaintainthesystemclear.Iftheanswerintimeoftimehasbeento,noplayercontest,thiscontestnullandvoid,transientalarm,andtheblockadeofcircuit,afterbanningathletesovertimecontest,nodigitaldisplaytube.

该抢答器具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点，使用效果良好，具有较高的推广价值。

Theresponderhastheadvantagesofsimplecircuit,lowcost,convenientoperation,sensitiveandreliable,withgoodeffect,andhashigherpopularizationvalue.

关键词：

八路抢答器；倒计时；报警；计时

Keywords:

eightwayresponder;thecountdowntime;alarm;

第1章设计任务（刘玉珠完成）

1.1基本设计

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STC89C52单片机以及外围接口实现的强大系统，利用单片机的定时器计数器定时和计数的原理，将软、硬件有机的结合起来，是的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，扬声器发声提示，同时系统能够实现：

在抢答中，只有主持人开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答，则为无效；抢答限定时间为60s，倒计时为5秒时蜂鸣器报警，选手抢答成功后显示选手编号以及剩余时间。

1.2基本功能

1、采用4位数码管设计。

2、下排按键一一对应八位选手。

3、上排三个按键，从走到右依次为：

开始、暂停、复位。

4、主持人可以控制抢答的开始，暂停和复位。

5、当主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。

6、抢答开始后，若有选手按下抢答按钮，编号立即锁存，并在数码管上显示选手的编号，并且封锁输入电路。

7、设定抢答时间限制（60s），超过时间后，该题作废。

1.3扩展功能

1、可以设定倒计时时间，在上电后，数码管显示¡°----¡±，此时按下1号选手对应的按键，进入倒计时时间设定状态，2号选手对应的按键为时间加，3号选手对应的按键为时间减，设定完成后再按1号选手键退出。

2、如果有紧急情况需要停止的话，主持人按¡°暂停¡±键就可以暂停抢答。

3、当主持人按下¡°开始¡±键后，倒计时小于5秒时，蜂鸣器响，提示时间快要结束，当倒计时为0秒时，此题结束，表示没有任何选手抢答成功，主持人按¡°复位¡±键后从新开始。

第2章方案设计（王悦完成）

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。

第三章硬件电路设计（刘玉珠黎亚王悦完成）

3.1八路抢答器的电路框图

如图3.1所示为电路框图。

其工作原理为：

接通电源后，主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。

定时器倒计时，扬声器在最后五秒给出声响提示。

选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：

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。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“开始、停止”状态开关。

其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。

电路完成还定时抢答的功能以及报警功能。

图所示电路的工作过程是：

接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间，当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。

当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：

（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；

（2）扬声器发出短暂声响；

（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；

（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

图3.1

3.2八路抢答器的硬件电路

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。

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。

（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AT89S51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。

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。

系统硬件电路图如图3.2：

图3.2硬件电路图

3.2.1时钟电路

时钟电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

①主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。

②当参赛选手按动抢答键时，抢答电路和定时电路停止工作。

③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。

其电路如图3所示:

图3.3

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30uF。

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。

图中时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12µs。

3.2.2复位电路

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。

电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。

这种复位电路为高电平复位。

按键以及电解电容C3、电阻R9构成按键及上电复位电路。

由于单片机是高电平复位，所以当按键S8按下时候，单片机的9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。

当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，单片机开始正常工作。

其电路如图4所示：

图3.4

3.2.3主控制系统模块/最小系统

主控制器采用STC89C52RC，STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

其特点如下：

（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。

（2）工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。

（3）工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。

（4）用户应用程序空间为8K字节。

（5）片上集成512字节RAM。

（6）通用I/O口（32个）复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

（8）具有EEPROM功能。

（9）具有看门狗功能。

（10）共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

（11）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

（12）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。

（13）工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级。

（14）DIP封装，如图5：

图3.5

3.2.4显示电路

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。

四位共阴极数码管显示。

数据接P0口加上拉电阻驱动。

段接P2.0P2.1P2.2，因为是共阴极的所以不需要加驱动模块，四位共阴极数码管显示。

如图6：

图3.6

3.2.5报警电路

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，若再能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。

电路模块如下图7：

图3.7

Q1：

9013，PNP三极管，单片机IO口输出0时蜂鸣器响，输出1时蜂鸣器不响。

3.2.6电源模块

本设计采用USB供电，电路模块如下图8：

图3.8

3.2.7按键输入电路

键盘是人与单片机打交道的主要设备。

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。

数字抢答器设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有8个抢答按键输入，一个开始按键、一个暂停键、一个服务按键。

电路模块如下图9：

图3.9

上面从左到右：

开始、暂停、服务。

下面从左到右：

1号选手、2号选手、3号选手、4号选手、5号选手、6号选手、7号选手、8号选手。

在图中8个抢答按键分别接入单片机的P1.0-P1.7端口，单片机通过读取P1.0-P1.7的值来判断当前输入的是8个抢答按键中的哪一个。

按键开关输入需要解决的两个主要问题是判断是否有按键按下和消除按键抖动的影响。

按键的确认反映在电压上，就是和按键相连的引脚呈现出高电平还是低电平。

消除按键的抖动通常有硬件、软件两种消除方法。

一般在按键较多时，采用软件的方法消除抖动，即在第一次检测到有按键按下时，执行一段延时12~15ms的子程序后，再确认该键电平是否任保持为闭合状态电平，如果保持为闭合状态电平就可以确认真有按键按下，从而消除抖动的影响。

一般电子装置中都设计有按键输入，用以控制程序执行时数据的输入或是特殊功能的设置及操作。

在控制电路中，如果按键数不多是可以使用一个按键对应一条输入位线控制，即独立式按键。

这种接法，一根输入线上的按键是否被按下，不会影响其他输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断哪个键按下了。

独立式按键可以用单稳态锁存器消除抖动。

第4章软件设计（刘玉珠完成）

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，主持人发布抢答命令按下按键，程序开始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。

当在扫描到有人按下了答题键，马上关闭T0、调用显示程序、封锁键盘。

在keil软件编辑程序（程序见附录），如下图4.1：

图4.1

调试结果：

图4.2

第5章仿真（刘玉珠黎亚完成）

Proteus软件是来自英国LabcenterElectronices公司的EDA工具软件，Proteus软件除了具有和其它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，它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模型上编程，并实现软件源代码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果。

能建立一个完备的电子设计开发环境。

在仿真软件proteus中，开始仿真时，显示如下：

图5.1

主持人按下开始键：

图5.2

主持人按下暂停键：

图5.3

选手7按下键：

图5.4

第6章设计总结（王悦完成）

通过此次的课程设计，我们对单片机有了更进一步的了解，从刚开始的手足无措到最后阶段的游刃有余，不得不说这着实是一个令人欣喜的过程。

刚开始查阅资料时，往往找不到合适的贴近的资料，但通过一段时间的摸索，我们对有限资源的利用和查找大大加强，系统地完善了这次的设计。

小组成员间的密切配合也是试验成功的必备因素，不同的分工，成功的执行，这就是我们的小组。

我们也锻炼了动手能力，对一些不太熟悉的器材有了更深的了解，而且，我们还认识到理论跟实际操作是有差距的，在实验中要围绕理论知识，根据实验操作，不断完善实验。

这次课程设计让我们受益匪浅，希望在今后的学习生活中，我们能铭记这次实验的种种，将这种意志带到将来的学习工作中，取得更好的成绩。

致谢（王悦完成）

本课程设计是在我的指导老师谢熹老师的亲切关怀和细心指导下完成的，在设计过程中，自始至终凝聚着导师的心血。

恩师那治学严谨的态度，渊博的学识感染着我。

他那诲人不倦、宽厚朴实的作风给我们留下了不可磨灭的影响，是我学习的榜样，使我终生受益无穷。

在此论文完成之际，特向恩师表达诚挚的谢意同时以最崇高的敬意。

真诚的感谢所有的帮助过我的老师们，同学们、家人和朋友们。

参考文献

[1]王效华,张咏梅.单片机原理与应用.北京:

北京交通大学出版社,2007.

[4]胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].北京:

电子工业出版社,2005.

附录

程序如下：

#include

#include

sbitsmg1=P2^0;//定义数码管第一位

sbitsmg2=P2^1;//定义数码管第二位

sbitsmg3=P2^2;//定义数码管第三位

sbitkeyks=P3^0;//定义开始按键

sbitkeytz=P3^1;//定义停止按键

sbitkeyqc=P3^2;//定义清除按键

sbitkey1=P1^0;//定义1号抢答选手

sbitkey2=P1^1;//定义2号抢答选手

sbitkey3=P1^2;//定义3号抢答选手

sbitkey4=P1^3;//定义4号抢答选手

sbitkey5=P1^4;//定义5号抢答选手

sbitkey6=P1^5;//定义6号抢答选手