八路智能抢答器最终版.docx
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八路智能抢答器最终版
目录
1.绪论3
1.1课题研究背景及意义3
1.2课题研究的内容3
2.抢答器的系统概论4
2.1系统的主要功能4
2.2系统需求分析4
2.3抢答器的工作流程4
3.总体设计方案7
3.1单片机的选择7
3.2抢答器方案论证7
4.硬件设计9
4.1总体设计结构图9
4.2最小系统电路设计9
4.2.1时钟频率电路图9
4.2.2复位电路图设计10
4.3输入电路设计10
4.3.1键盘扫描电路的设计10
4.3.2功能键系统设计11
4.4输出电路设计11
4.4.1蜂鸣器电路设计11
4.4.2数码管显示电路12
5.软件设计14
5.1主程序结构图14
5.2主程序流程图14
5.3主要程序分析16
6.Protues和keil仿真19
6.1proteus软件的介绍及使用19
6.2Keil软件的介绍及使用19
6.3抢答器protenus软件的仿真20
7.实物制作23
7.1电路板焊接23
7.2电路板调试23
8.总结和展望24
8.1科研实践总结24
8.2对未来的展望24
附录25
1.参考文献25
2.元器件清单25
3.原理图26
4.程序代码（C语言）：
26
1.绪论
1.1课题研究背景及意义
本次课程设计制作的是智能抢答器。
对于抢答器我们大家都很熟悉：
是用于选手做抢答题目时用的，选手进行抢答，最先抢到题的选手回答问题。
本实验设计的智能抢答器由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。
通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。
经过布线、焊接、调试等工作后智能抢答器成形。
1.2课题研究的内容
本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
主持人有开始和结束、复位键。
在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为30s，回答问题时间为60s。
通过加键和减键修改上述时间。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，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声提示。
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，扬声器持续发声。
主持人可按键结束，新一轮抢答开始。
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目前常用的抢答器相比，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，抗干扰能力优于目前抢答器。
所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。
2.抢答器的系统概论
2.1系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、计时显示、提示功能等、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等。
参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抢答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。
本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。
2.2系统需求分析
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以在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、抢答限定时间内使用道具回答时间将加15s，但只能使用两次。
6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
2.3抢答器的工作流程
抢答器的基本工作原理：
在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。
在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。
抢答器的工作流程分为：
系统复位、正常流程、违例流程等几部分。
抢答器工作流程图如图1-1所示。
图1-1抢答器工作流程图
工作过程描述：
1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“SNATCH”键或“ANSWER”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或者回答时间的初始值，如想加一秒按一下"PUSH_1S"键，如果想减一秒按一下“REDUCE_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30s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。
倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。
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上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下“停止”键为止。
总而言之，本课题利用AT89C52单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。
3.总体设计方案
3.1单片机的选择
ATMEL公司的89C52单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。
89C52单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。
89C52单片机工作电压为2.7～6.0V,可以实现耗电最优化。
由于单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。
例如当设计仅仅需要一个单片机定时器那么选择89C1051或89C2051即可，而不选择89C52,因为后者的价格较高一些。
当然若程序和数据区的要求较高那么选择的单片机还要满足程序空间的要求。
表2-151和52的比较
数据存储器
程序存储器
定时器
中断
51系列
128B
4KB
2
5
52系列
256B
8KB
3
8
在本课题中，由于程序代码生成的.HEX格式的文件大小可能大于4KB，所以选用52系列单片机，即选用ATMEL公司的AT89C52。
3.2抢答器方案论证
抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮SW1-SW8表示。
设置一个抢答控制开关START，该开关由主持人控制。
同时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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。
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重置为止。
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，当进入5S倒计时时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.4秒左右。
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重置为止。
如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，定时显示器上显示FF00。
我们利用单片机可以用很少元件实现相同功能，而且单片机性能稳定，可操作性强。
可以只用P0口连接上拉电阻，完成驱动LED的功能，串接按键可以由选手自己控制抢答机会，利用TXD接移位脉冲做时钟信号。
利用单片机程序判断选手按键是否有效，选手违规抢答，利用简单程序显示选手序号，启动蜂鸣器并不间断，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，软件倒记时，利用74HC573锁存8段数码管，实现倒记时显示时间，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。
如果有选手在规定的时间以前完成问题，主持人通过按键重置，开始新的问题作答，因为程序不是很大不需要扩展存储空间，选手按键跳入相应的子程序，回答倒记时，通过单片机实现功能可以更人性化，只需单电源供电更方便，容易实现。
电路结构简单，外围扩展的电路不是很多，锻炼我们所学的知识应用到现实生活当中，所以我们选用单片机加一定的外围设备实现本次课程设计的要求。
4.硬件设计
4.1总体设计结构图
数字抢答器的总体设计结构见图4-1：
图4-1数字抢答器总体结构图
4.2最小系统电路设计
4.2.1时钟频率电路图
单片机必须在时钟的驱动下才能工作.由之前所学的《单片机原理》最小系统内容，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，晶振电路的选择在软件部分有描述。
时钟频率电路见图4-2:
图4-2时钟频率电路图
4.2.2复位电路图设计
单片机的第9脚RST为硬件复位端,只要将该端持续4个机器周期即4us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，复位按钮按下后即可输入高电平。
复位时间计算：
当取100us时
为高电平，所以可以达到复位作用。
复位电路见图4-3所示:
图4-3复位电路图
4.3输入电路设计
4.3.1键盘扫描电路的设计
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。
本实验用的是独立式键盘，图中SW1-SW8分别表示选手1到8号。
键盘扫描电路图见图4-4：
图4-4抢答器独立键盘图
4.3.2功能键系统设计
功能键是控制系统功能的按键，由于电压和电流都比较小所以选择普通的按钮开关，如型号为：
TD-03B，可以满足条件。
功能键及对应的功能见表4-1：
表4-1功能键及对应功能
序号
字符
功能
1
START
开始
2
PROPS
道具
3
SNATCH
抢答置数
4
ANSWER
回答置数
5
PUSH_1S
时间加1S
6
REDUCE_1S
时间减1S
7
STOP
停止
功能键系统结构图见图4-5：
图4-5功能键系统结构图
4.4输出电路设计
4.4.1蜂鸣器电路设计
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，蜂鸣器选择的型号为：
GPC1407YB，参数为：
电压:
3~25Vp-p，灵敏度:
min75dB这个蜂鸣器的工作电压可以在5V电源下工作，且P3口不需要上拉电阻。
其蜂鸣器发声电路如图4-6所示：
图4-6蜂鸣器发声电路结构图：
4.4.2数码管显示电路
LED显示器，实现七段数码管的显示四位十六进制数。
来进行倒计时，即来限制抢答的时间，其中前两位显示选手号，后两位显示时间。
其中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，在这种采用这种方式，必须要给LED恒定的电压，要求电压一直保持，所以一般在LED和单片机之间加锁存器，这种显示方式亮度高，编程较简单，结构清晰，管理也较简单，占用的CPU时间少。
动态显示驱动：
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"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共端COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，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，所以我们只要将需要显示的数码管选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
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。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
从电路上，按数码管的接法不同又分为共阴和共阳两种。
本次设计采用共阴型，型号为GN-5461AH。
选上拉电阻时:
500uAx8.4K=4.2即选大于8.4K时输出端能下拉至0.8V以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。
为了方便选取10K电阻。
其数码管显示电路如图4-6所示：
图4-6数码管显示电路结构图：
数码管显示与数据输入的关系见表4-2：
表4-2对应关系表
序号
数值
数码管显示
1
0x3f
0
2
0x06
1
3
0x5b
2
4
0x4f
3
5
0x66
4
6
0x6d
5
7
0x7d
6
8
0x07
7
9
0x7f
8
10
0x6f
9
11
0x71
F
12
0x76
H
13
0x00
灭
14
0x79
E
15
0x54
n
16
0x5e
d
4.4.3数码管显示电路
选手抢答输入显示电路，但选手选择时，可以通过数码管显示，同时可以通过二极管显示电路显示，显示电路电阻计算：
由于二极管两端电压为3V，通过电流应为（5-3）/0.02=100欧姆。
选手抢答输入显示电路如图4-7所示：
图4-7选手抢答输入显示电路图：
5.软件设计
5.1主程序结构图
图5-1软件系统结构图
5.2主程序流程图
流程图是使用图形表示算法的思路是一种极好的方法，不论采用何种程序设计方法，程序总体结构确定后，一般以程序流程图的形式对其进行描述。
总体框图中的各个子模块或各个子任务也应该结合具体的教学模型和算法画出较详细的程序流程图，供后面编写具体程序和阅读程序使用。
流程图是由一些图框和流程线组成的，其中图框表示各种操作的类型，图框中的文字和符号表示操作的内容，流程线表示操作的先后次序。
流程图的基本结构为顺序结构，分支结构（又称选择结构），循环结构。
主程序流程如图5-2所示：
图5-2主程序流程图
5.3主要程序分析
延时函数：
通过软件和晶振电路的配合实现提供1ms的延时程序，当调用ms函数时，通过嵌套调用10次100us、再调用2次50us、最后调用10次5us来实现1ms的输出。
当调用到_nop_（）时，需要调用机器周期，为了得到1us的机器周期，所徐晶振的大小计算如下：
所以在选择时钟电路时晶振可以选择12MHz的，但又考虑到实验中的误差所以选择11。
0592MHz的晶振，型号为UM-5。
延时函数的流程图如图5-3所示。
5-3延时函数流程图
程序见附录4：
蜂鸣器发声函数：
蜂鸣器发声的原理是不同的频率输出发出不同的声音，但是本电路对声音要求不是很高，所以只需要蜂鸣器发出声音即可，即通过函数实现蜂鸣器每秒发出0.4s声音频率。
蜂鸣器发声的流程图如图5-4所示。
5-4蜂鸣器发声函数流程图
程序见附录4：
键盘扫描函数：
由于单片机扫描的速度很快，所以依次用if判断每一个按键即可，当有一个按键被按下时实现对输出信号变量赋值，同时跳出循环即可。
键盘扫描的函数流程图如图5-5所示。
5-5键盘扫描的函数流程图
程序见附录4：
抢答开始函数：
抢答开始时通过倒计时函数对抢答时间进行计数，在显示的过程中可以实现抢答、回答、结束等操作，当时间小于5s时，蜂鸣器回发出响声提醒。
抢答开始函数的流程图如图5-6所示。
5-6抢答开始函数流程图
程序见附录4：
显示器显示函数：
由于数码管扫描的速度很快所以不能看出数码管显示断裂，从而实现数码管动态显示。
显示器显示函数的流程图如图5-7所示。
5-7显示器显示函数流程图
程序见附录4：
6.Protues和keil仿真
6.1proteus软件的介绍及使用
6.1.1什么是Proteus软件
Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。
Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如按键、LED、数码管等等。
通过Proteus仿真软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。
6.1.2怎样操作Proteus仿真软件
我使用的Protues软件是7.10版本的，仿真时只需在AT89C52单片机中加载Keil软件生成的.HEX格式文件，即可启动仿真。
6.2Keil软件的介绍及使用
6.2.1什么是keil软件
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境、将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
6.2.2怎样操作keil仿真软件
我使用的keil软件是keiluvision4版本的，protues仿真前要通过工程选项，在output选项卡把生成.HEX文件勾选上，然后编译生成.HEX文件供protues软件仿真使用。
6.3抢答器protenus软件的仿真
绘制抢答器的软件仿真图步骤分一下四步：
（1）查找所需要的元器件；
（2）根据电路图进行连线；
（3）是用来写线所对应的坐标，即下图所示的P11等坐标；
（4）加载所写完的C程序生成的.HEX文件即可以仿真。
通过以上步骤，来实现抢答器设计的仿真实现，仿真如下图所示：
仿真开始时的仿真如图6-1：
图6-1开始时的proteus仿真图
抢答开始时犯规的仿真如图6-2：
图6-2抢答开始时犯规的proteus仿真图
抢答开始时正常的仿真如图6-3：
图6-3抢答开始时正常的proteus仿真图
抢答置数仿真如图6-4：
图6-4抢答置数的proteus仿真图
回答置数仿真如图6-5：
图6-5抢答置数的proteus仿真图
抢答置数后加1S仿真如图6-6：
图6-6抢答置数后加1S的proteus仿真图
抢答置数后减1S仿真如图6-7：
图6-7抢答置数后减1S的proteus仿真图
回答开始后到50S时点击PROPS按钮后仿真如图6-8：
图6-8点击PROPS按钮后的proteus仿真图
倒计时小于5S后的仿真如图6-9：
图6-9倒计时小于5S后的proteus仿真图
点击STOP按钮仿真如图6-10：
图6-10点击STOP按钮的proteus仿真图
7.实物制作
7.1电路板焊接
一般来说，造成硬件问题的首要问题就是焊接了，也就是说焊接的好与坏直接响产品的正常运行。
造成焊接质量不高的常见原因是:
①焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。
②冷焊。
焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮（不光滑）,有细小裂纹（如同豆腐渣一样!
）。
③夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。
若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。
对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。
对形成的黑膜,要"吃"净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。
④焊锡连桥。
指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。
这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。
⑤焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。
当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。
⑥焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。
这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的内。
7.2电路板调试
最小系统的电路不工作，首先应该确认电源电压是否正常。
用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否符合电源电压，常用的是5V左右。
接下来就是检测复位引脚的电压是否正常，EA引脚的电压要正常为5V左右。
如果补焊电源后最小系统还是不能工作，有可能是AT89C52单片机坏掉了，重新选择一个AT89C52单片机焊接。
如果是工作但是不能按需要的功能执行，也可用更换AT89C52单片机方法调试，但在此之前可以选择检查对应的模块是否有焊接问题，若没有再进行更换。
8.总结和展望
8.1科研实践总结
经过近两周的的努力,在老师和同学的商讨和帮助下,我较好的完成了设计任务，通过此次课程设计，我重新认识到了自学的重要性，以及学以致用的道理。
我在图书馆查阅了大量的资料，同时也认识到了图书馆的重要作用。
通过此次的抢答器的设计，让我重新拾起了以前所学习的电子知识，及我觉得此次设计让我更加巩固了所学的知识并在设计的过程中学会了与时俱进，克服了编程的枯燥感，让我受益匪浅。
在学习单片机这门课程的时候，我们应该好好你的记笔记，课下好好的做练习题才能把C程序设计灵活的运用到单片机程序的设计上，在单片机这门课程的学习上，我们还应该知道一种常用的仿真软件proteus软件，可以让你我们更为清晰的掌握AT89C52单片机的实际应用上的设计。
在今后的学习过程中，应该多到图书馆看一些专业方面的书籍，以丰富自己的知识。
也使我加深了对单片机及接口技术的理解和应用，由于知识水平的局限，设计中可能会存在着一些不足，我真诚的接受老师和同学的批评和指正。
8.2对未来的展望
经过两周的科研实践，我深刻明白了理论知识与社会实践相结合的道理，也得到了以前书本知识所不曾得到的知识，更加明白了如今信息时代电子技能知识的重要性。
本设计增强了我对单片机、C语言等技能方面的认识，掌握了分析、处理问题的方法、逻辑思维能力等基本技能的训练，具有了一定程度的实际工作能力。
面对如此激烈的市场竞争体系，只有努力掌握好单片机知识方可在竞争中立于不败之地，我对从事电子设计、C语言编程和研究产生了浓厚的兴趣。
希望自己以后能通过自己的不
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