八路抢答器说明书.docx
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八路抢答器说明书
课程设计说明书
课程名称:
单片机应用课程设计
课程代码:
6003509
题目:
基于AT89S52单片机的抢答器设计
学生姓名:
刘洋、夏阳、王黎明、肖瑶
学号:
312012*********（7302、
7305、7328）
年级/专业/班:
2012级机电3班
学院（直属系）:
机械工程学院
指导教师:
王富治
目录
第1章摘要--------------------1
第2章引言--------------------2
2.1单片机抢答器的背景-----------2
2.2单片机抢答器的意义-----------2
2.3抢答器的应用--------------2
第3章抢答器的概述及制作要求
3.1抢答器的概述--------------4
3.2设计任务、设计内容-----------4
第4章单片机的选择和电路模块
4.1单片机的选择--------------5
4.1.1单片机管脚说明------------5
4.2模块性能分析--------------7
4.2.1选手按键---------------7
4.2.2数码管显示--------------7
第5章电路设计
5.1总体设计-----------------9
5.1.1电路原理图---------------9
5.1.2元件清单----------------10
5.2外部振荡电路（晶振电路）---------11
5.3复位电路的设计--------------12
5.4显示电路的设计--------------12
5.5按钮输入电路的设计------------13
5.6发声电路-----------------14
第6章系统软件设计
6.1抢答器流程图---------------15
6.2主程序------------------16
第7章仿真演练-------------------23
总结-------------------------24
参考文献-----------------------25
第1章摘要
数字抢答器是由扩展电路和主体电路构成。
在显示器上输出的参赛队的输入信号是由优先编码电路、锁存器和译码电路等生成的；扩展电路是在显示器上输出实现计时功能，由定时电路、译码电路将秒脉冲产生的信号构成。
数字抢答器成型是经过布线、调试和焊接等工作。
单片机为了试外围电路实现更加简单，简化了外围电路，把很多任务都交给了软件编程。
单片机不仅应用方便，而且体积小价格低，还很稳定可靠。
如果说应用程序赋予了单片机新的“生命”，那么抢答器系统的“身躯”是由单片机系统的硬件结构给予了，这样就使其在一般的抢答器面前具有成本低、电路简单和运用可靠等优点。
抢答器是选手做抢答题时便于选手进行抢答的，抢到题的选手便要回答问题。
抢答器不仅考验选手应该具备足够的知识面还考验选手的反应速度同时还需要一定的勇气和技巧。
对选手们都是公平公正的，因为他们都站在同一个起跑线上。
关键字：
定时电路抢答电路报警电路
第2章引言
2.1单片机抢答器的背景
二十世纪跨越了三电的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一块集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控制机械的内部。
它在整个装置中，起着如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的应用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词----“智能型”，如智能型洗衣机等。
不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能是卡在产品未使用单片机或其他可编程逻辑器件上。
2.2单片机抢答器的意义
本系统采用单片机作为整个控制核心。
控制系统的四个模块为：
显示模块、存储模块、语音模块、抢答开关模块。
该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号，利用一个数码管来显示功能，用按键来让选手进行抢答，在数码管上显示那一组先答题的，从而实现整个抢答过程。
在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道那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。
若果在抢答中，靠视觉是很难判断那组选手先答题。
利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得到难以解决，即使两组的抢答时间相差几微妙，也可以分辨出那组优先答题。
本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。
系统工作原理本系统采用AT89C52单片机作为核心。
2.3抢答器的应用
随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公平的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等，因此出现了抢答器。
抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答器很多时，实现起来就更为困难。
因此我们设计了已单片机为核心的新型智能抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构。
抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。
传统普通抢答器主要存在以下缺陷：
（一）、在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效抢答信号不能进行处理，因而该抢答过程变为无效。
（二）、当有多个违规抢答时，普通抢答器或采用优先编码电路选择其中一个，或利用抢答器电路电子元件“竞争”选择一个。
对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定。
各种抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。
普通抢答器存在不公平性。
（三）、当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个而出现“漏洞”。
第3章抢答器的概述及制作要求
3.1抢答器的概述
对于抢答器我们大家来说不陌生，现在很多文娱活动中都有抢答器这一项，需要用到抢答器，在目前的市场上，普通抢答器都需要几百块钱，价格比较昂贵。
本项目设计的抢答器，电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠、具有较高的推广价值。
3.2设计任务、设计内容
基于AT89C52单片机设计制作一个抢答器。
晶振为12MHz。
具体设计要求如下：
（1）设计一智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8名代表队参加比赛编号为0~7，各用一个按键；
（2）给节目支持人一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答开始；
（3）抢答器具有数据锁存器功能，显示功能和声音提示功能。
抢答开始后，若选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管显示选手的编号，同时灯亮且伴随声音提示。
此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，最先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零。
本项目需要通过学习和查阅资料，掌握和了解如下知识：
（1）+5V电源原理及设计；
（2）单片机晶振电路工作原理及设计；
（3）单片机复位电路工作原理及设计；
（4）按键电路的设计；
（5）蜂鸣器驱动电路设计；
（6）数码管特性及使用；
（7）单片机汇编语言及程序设计；
（8）AT89C52单片机引脚。
第4章单片机的选择和电路模块
4.1单片机的选择
单片机选用的时Atmel公司推出的AT89C52，它是一种低功效、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在线系统课编程Flash，使得AT89C52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器串口、中断继续工作。
掉电保护方式下RAM内容被保护，振荡器被冻结，单片机内一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
而且，它还具有一个看门狗定时/计数器。
如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出端口，同时内含2个外中端口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
4.1.1单片机管脚说明
图4.1单片机引脚
（1）Vcc：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）P0口：
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在Flash编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0输入原码，此时P0外部必须被拉高。
（4）P1口：
P1口是一个内部提供的上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在Flash编程和校验时，P1作为第八位地址接收。
（5）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行读取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在Flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（6）P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4TTL门电流，当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口功能引脚简介：
P3.0:
RXD（串行口输入）
P3.1:
TXD（串行口输出）
P3.2:
INT0（外部中断0输入）
P3.3:
INT1（外部中断1输入）
P3.4:
T0（定时器0外部脉冲输入）
P3.5:
T1（定时器1外部脉冲输入）
P3.6:
WR（外部数据存储器写脉冲输出）
P3.7:
RD（外部数据存储器读脉冲输出）
（7）RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（8）ALE/PROG：
ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片内的地址锁存器中。
（9）/PSEN：
片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。
（10）/EA/VPP：
/EA为该引脚的第一功能，即外部程序存储器访问允许控制端。
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在Flash编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
（11）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（12）XTAL2：
来自方向振荡器的输出。
4.2模块性能分析
模块部分主要分为AT89C52芯片、复位电路、电源电路、主持人按键、声音提示、选手按键和数码管显示等部分组成，下面对这后两部分进行介绍，其中对数码管显示器做详细介绍，并根据实际工作情况采用合适的工作方式。
4.2.1选手按键
利用8个常开按钮开关S1~S8和8只电阻R1~R8组成抢答器的输入电路。
S1~S8为自复式常开按钮开关，分别作为8位抢答按钮，一般情况下锁存器的输入端为低电平。
当程序执行，按下按键时，数码管显示器上即显示相应的是那位选手按下抢答。
4.2.2数码管显示
译码器的逻辑功能是将每一个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号，是译码器的反操作。
数码管可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动，但是我们着采用了74LS245进行驱动。
所以使用译码器将BCD编码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD编码表示的数值。
点亮显示器分为静态和动态显示两种方法。
所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或是截止。
所谓动态显示，就是逐位地轮流点亮各位显示器，对于每一位显示器而言，每个一段时间点亮一次。
显示器的点亮既与点亮时的导通电流有关，也与电亮时间和时间比例有关。
调整电流和时间参数，可以实现亮度较高、较为稳定的显示，同时可减少工作电流。
对于共阳极数码管，当a、b、c、d、e、f、g、h端接低电平时。
COM位高电平，数码管各段全部点亮。
抢答器的实现方式多种多样，通过纯电子器件搭建电路实现，如优先编码器，锁存器，555定时器译码器等，纯电子器件实现没有软件擦参与，调试简单，但是他不易于扩展和修改，而且电路结构复杂，调试困难电子，电子器件管脚很多，实际搭建起来费时费力，焊接很容易出错。
于是，我们想到了用单片机实现，单片机体积小价格低，应用方便，稳定可靠。
单片机将很多任务交给了软件编程去实现，大大简化了外围硬件电路，使外围电路的实现简单方便。
由于单片机本身不具有软件编程测试的功能，我们需要借助其他软件编译，将编译好的程序置入单片机内。
在实际电路中，需要先通过仿真软件测试电路以及编译的程序，检查外围电路实际是否合理，软件编译是否正确，以及软件和硬件电路能否正常配合工作，能否准确的实现所有功能。
我们选择了常用的单片机仿真软件proteus6.9以及keil进行仿真。
第五章电路设计
5.1总体设计
5.1.1电路原理图
根据上述分析，设计出基于AT89C52单片机抢答器电路原理图，工作原理为：
电源电路为单片机以及其他模块提供标准5V电源。
晶振模块为单片机提供时钟标准，使系统各部分能协调工作。
复位电路模块为单片机系统提供复位功能。
单片机作为主控制器，根据输入信号对系统进行相应的控制。
选手按下相应的按键，蜂鸣器发出提示音，直到按键释放。
数码管显示最先按下按键选手的编号。
选手回答完毕，主持人按下准备按钮，数码管清零，蜂鸣器停止发声，可以进入下一题的抢答。
根据抢答器的基本功能，可以设计出如下的单片机外围电路：
图5.1总体设计框图
图5.2总体设计
5.1.2元件清单
元件名称
型号
数量/
个
用途
元件名称
型号
数量/
个
用途
单片机
AT89C52
1
控制核心
按键
8
选手输入
晶振
12MHZ
1
晶振电路
按键
1
主持人输入
电容
30PF
1
晶振电路
三极管
PN3638
1
蜂鸣器及其他驱动电路
电解电容
10u
F/10V
1
复位电路
蜂鸣器
1
蜂鸣器
按键
1
复位电路
电阻
0.5KΩ
1
蜂鸣器及其他驱动电路
电阻
1KΩ
1
复位电路
数码管
7位共阳
1
显示电路
电源
5V/0.5A
1
电源电路
集成块
74LS245
1
驱动
表5.3元件清单
5.2外部振荡电路（晶振电路）
图5.4外部振荡电路
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引脚产生一正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。
电路中的两个电容C1,C2的作用有2个：
一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。
晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，晶振分为有源晶振和无源晶振两种，其作用是在电路产生震荡电流，发出时钟信号。
它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。
由于制造工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好，已不容易出现故障，但在选用时仍需留意一下晶振的质量。
5.3复位电路的设计
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，复位电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶振振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
其电路图如图所示：
图5.5复位电路
5.4显示电路的设计
显示电路使用了七段数码管7SEG-COM-CAT-BLUE,它是公阴极的，由高电平点亮。
还采用了74LS245作为负载驱动，74LS245不仅具有锁存功能。
它还是一个8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。
图5.6显示电路
5.5按钮输入电路的设计
抢答器的选手按钮输入电路如下：
图5.7抢答器按钮输入
这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就可以了。
这里采用最常用的方法即延时法。
其原理是：
因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几毫秒，而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延时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，如果不说则为无效。
5.6发声电路
这里能利用程序来控制单片机P2.0口线反复输出高电平或低电平，即在该口线上产生一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出一定频率的声音，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，使扬声器发出不同的声音。
图5.8发声电路
第六章系统软件设计
6.1抢答器流程图
流程图是使用图形表示算法的思路的一种极好的方法，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。
流程图如下：
图6.1流程图
6.2主程序
我们所设计的抢答器的程序采用的是C语言设计，本次设计的主程序中包括LED显示程序以及按键控制子程序，程序设计如下：
#include
#definetime50
typedefunsignedintuint;
typedefunsignedcharuchar;
uchartable[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};
ucharnum[9]={0xff,0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
sbitselect=P2^2;
sbitbuzzer=P2^0;
ucharflag;
voiddelay_ms（uintms）
{
uchari;
for（ms;ms>0;ms--）
for（i=110;i>0;i--）;
}
//按键扫描检测
voidkey_scan1（）
{
if（P3==0xfe）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xfe）
{
flag=1;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0xfd）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xfd）
{
flag=2;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0xfb）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xfb）
{
flag=3;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0xf7）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xf7）
{
flag=4;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0xef）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xef）
{
flag=5;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0xdf）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xdf）
{
flag=6;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0xbf）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0xbf）
{
flag=7;
}
while（!
P3==0xff）;
}
if（P3==0x7f）
{
delay_ms（time）;
if（P3==0x7f）
{
flag=8;
}
while（!
P3==0xff）;
}
}
voidkey_scan2（）
{
if（select==0）
{
delay_ms（time）;
if（select==0）
{
flag=0;
}
while（!
select）;
}
}
voidmain（）
{
uchari=0;
flag=0;
buzzer=1;
P3=0xff;
while
（1）
{
switch（flag）
{
case0:
P1=table[0];
buzzer=1;
delay_ms（5
升级会员 