智能抢答器的设计与实现详解.docx
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智能抢答器的设计与实现详解
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
智能抢答器的设计与实现
初始条件：
本设计既可以选用集成电路：
74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21和其它器件等，实现八路定时抢答功能；又可以使用单片机系统构建多路数字定时抢答器。
要求用蜂鸣器和光电二极管作声光报警器件，工作电源Vcc为+5V。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周。
2、技术要求：
1）可同时供8名选手（或代表队）参赛，其编号分别是0到7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应；给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
2）抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。
此外，要封锁输入电路，禁止其它选手抢答。
优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
3）抢答器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（如30秒）。
当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。
4）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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
5）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，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
1、2014年6月20日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2014年6月21日至2013年6月23日，方案选择和电路设计。
3、2014年6月24日至2014年6月26日，电路调试和设计说明书撰写。
4、2014年6月27日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要………………………………………………………………………………………………
Abstract…………………………………………………………………………………………
1原理电路的设计………………………………………………………………………………1
2单元电路设计及元件选择……………………………………………………………………3
2.1单片机最小系统……………………………………………………………………………3
2.1.1时钟振荡电路…………………………………………………………………………4
2.1.2复位电路…………………………………………………………………………………………4
2.1.3STC89C52芯片…………………………………………………………………………………5
2.2声光报警电路…………………………………………………………………………………………7
2.3数码管显示电路………………………………………………………………………………………7
2.4矩阵键盘………………………………………………………………………………………………8
3整体电路及工作原理………………………………………………………………………10
3.1整体电路图…………………………………………………………………………………………10
3.2工作原理……………………………………………………………………………………………10
4程序设计……………………………………………………………………………………11
4.1KeilC51软件介绍……………………………………………………………………………………11
4.2程序设计……………………………………………………………………………………………12
5仿真分析……………………………………………………………………………………13
5.1proteus仿真软件介绍………………………………………………………………………………13
5.2仿真结果分析………………………………………………………………………………………14
6系统调试……………………………………………………………………………………17
6.1系统调试的意义……………………………………………………………………………………17
6.2调试结果与分析……………………………………………………………………………………17
6.3实物焊接……………………………………………………………………………………………18
7总结与体会…………………………………………………………………………………19
8参考文献……………………………………………………………………………………20
附录一…………………………………………………………………………………………21
附录二…………………………………………………………………………………………22
摘要
本文设计了一种基于STC89C52单片机技术的八路数字抢答器。
主体电路由抢答电路，优先编码电路和锁存电路以及控制电路组成，扩展电路由报警电路和显示电路组成。
文章对抢答器的背景与现状、硬件设计、软件设计及其仿真都做了详细的介绍。
本设计主要采用单片机控制，采用手动抢答的方式，有人抢答后，系统自动封锁其他人的抢答按钮，使其不能再抢答，从而实现抢答功能。
若有人在主持人按下开始按钮之前或抢答时间结束之后按下抢答按钮，系统自动视其无效，抢答开始和抢答结束后蜂鸣器自动报警，使抢答达到公平、公开的效果。
关键词：
单片机、STC89C52、抢答器、LED显示
Abstract
ThispaperdescribesthedesignofaeightdigitalresponderbasedonSTC89C52singlechip.Themaincircuitiscomposedofanswercircuit,prioritycodingcircuitandalatchcircuitandcontrolcircuit:
expansionofthecircuitismainlycomposedofanalarmcircuitanddisplaycircuit.ArticleontheResponder'sbackgroundandpresent,hardwaredesign,softwaredesignandsimulationhavemadeadetailedintroduction.
ThisdesignmainlyusestheMCUcontrol,withmanualanswerintheway,somepeopleanswerin,thesystemautomaticallyblockotherpeople'sanswerinthebutton,sothatitcannotanswerinordertoachieveResponderfeature.Ifonehostpressthestartbuttonbeforepressingtheanswerinthebuttonoraftertheanswertime,thesystemautomaticallyviewthemasinvalidtoanswerinafair,openeffect.Atthebeginningandendingoftheanswerthealarmbellrespondedautomatic.
Keywords:
single-chipMicrocomputer、STC89C52、theAnsweringRacer、LEDdisplay
1原理电路的设计
根据任务要求将电路分为来两部分，一部分电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答器按钮时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
另一部分电路完成定时抢答及报警功能。
比赛开始时，接通电源，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定时间，主持人可改变设定时间。
当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时。
若定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
若选手在定时时间内按动抢答按钮时，抢答器要完成以下四项工作：
1.优先编码器电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；2.扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；3.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；4.控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
当选手将问题回答完毕时，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
根据以上思路，我设计了如下两种方案。
方案一：
图1-1方案一系统框图
方案一所示抢答器的工作过程：
主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答，30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，这是完成计时功能。
方案二：
图1-2方案二系统框图
主控制器选择由AT89C52芯片构成的单片机最小系统，用矩阵键盘作为八位选手的抢答按键以及主持人的控制按键，抢答显示选用四位共阳数码管，前两位作为剩余时间显示，第三位为抢答选手编号，整个过程用C语言程序来控制。
方案一用译码器，加减计数器以及门电路等等实现多人抢答，原理清晰，但电路比较复杂，所要使用的芯片较多，在进行实物制作时需要连接的线路非常多，容易出现错误；而方案二只需要一个单片机系统，一个四位数码显示管和矩阵键盘，整体电路看起来非常清晰，而且精确度高，故本次设计选用方案二。
2单元电路设计及元件选择
2.1单片机最小系统
图2-1STC89C52单片机最小系统原理图
由上图可以看出，单片机的最小系统电路由3部分组成：
单片机、时钟震荡电路和复位电路，其中单片机的重要作用不言而喻，而时钟震荡电路和复位电路也均是必不可少的部分，下面分别介绍这三个部分。
2.1.1时钟振荡电路
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。
时钟电路如下图所示。
图2-2震荡电路
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。
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。
图中时钟频率为12MHz。
2.1.2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，其电路图如下所示：
图2-3复位电路
复位电路的作用就是，当给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平）时程序便从头开始执行。
一般有两种复位方式：
上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平；手动复位，同过按钮接通低电平给系统复位，如果手按着一直不放，系统将一直复位，不能正常工作，因此手动复位容易产生一些错误。
2.1.3STC89C52芯片
本设计采用Atmel公司生产的单片机STC89C52实现主要功能,AT89C51的引脚图如2-4所示:
图2-4STC89C52引脚图
各引脚功能情况为:
（1）VCC：
供电电压。
（2）VSS：
接地。
（3）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
（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。
（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。
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。
（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4个TTL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（ILL）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）
P3.3:
INT1（外部中断1）
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（外部数据存储器写选通）
P3.7:
RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（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/RPOG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平由于锁存地址的地位字节。
（9）/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（10）/EA/VPP：
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。
（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：
来自反向振荡器的输出。
2.2声光报警电路
图2-5声光报警电路
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巨型波，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。
本次设计将蜂鸣器连单片机的P1.4口，光电二极管连单片机的P1.7口，再通过程序来控制报警电路工作。
2.3数码管显示电路
数码管显示电路的作用是显示抢答的时间，组别号码等。
考虑有以下两种显示方案。
方案一：
使用液晶屏显示时间。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。
但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。
在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。
方案二：
在使用传统的数码管显示。
数码管具有：
低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。
数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
根据以上的论述，我选择采用方案二。
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。
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。
2.4矩阵键盘
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。
键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。
在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
方案一：
独立式键盘
键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了8根I/O口线，该键盘就有8个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。
因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。
最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。
独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。
方案二：
行列式键盘
行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上。
这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，列线接P1.0~P1.3行线接P1.4~P1.7，行列适用于按键输入多的情况。
CPU对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式，即只有在CPU空闲是时才去扫描键盘，响应操作人员的键盘输入,即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘扫描一次，这样控制方式，不管键盘上有无键闭合，CPU总是定时的关心键盘状态。
在大多数情况下，CPU对键盘可能进行空扫描。
为了提高CPU的效率而又能及时响应键盘输入，可以采用中断方式，既CPU平时不必扫描键盘，只要当键盘上有键盘闭合时就产生中断请求，向CPU申请中断后，立即对键盘上有键盘进性扫描，识别闭合键，并做相应的处理。
图2-6行列式矩阵键盘
3整体电路及工作原理
3.1整体电路图
图3-1八位抢答器整体电路图
3.2工作原理
系统软件由主程序和INT0中断服务组成。
主程序由验键，倒计时等功能子程序组成，系统完成初始化后循环检查各个功能当用户使用某个功能时，按下相应的按键单片机进入相应的功能处理。
INT0中断服务程序完成抢答信号采样和识别处理。
该智能抢答器以STC89C52单片机为控制核心，控制精度较高。
其他外围电路包括报警电路、LED显示电路、抢答按键、时间设置键等。
该智能抢答器具有计时记忆功能，一次时间设置完，复位后不需重新进行时间设定；通过按键扫描输出按键信息，并通过单片机将它转化为在七段数码管上显示的字形符。
单片机的P2口为8组抢答按键的输入口，P0.0~P0.6为数码管的段选口，P1.0~P1.3为数码管的片选口。
外部中断INT0和INT1分别为抢答时间和回答时间的调整口，P2.4和P2.5分别实现时间调整时的加1和减1功能；P1.4为报警电路的控制口。
4程序设计
4.1KeilC51软件介绍
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
KeilC51单片机软件开发系统的整体结构:
C51工具包的整体结构uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
使用独立的Keil仿真器时，注意事项:
（1）仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
（2）仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。
（3）仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。
优点:
（1）KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
（2）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。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
4.2程序设计
程序流程图如下：
N
Y
NN
YY
YN
图4-1整体流程图
具体程序见附录一.
5仿真分析
5.1proteus仿真软件介绍
Proteus软件是来自英国LabcenterElectronics公司的EDA工具软件,Proteus软件除了其具有和其它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,他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原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器,逻辑分析仪等,您不需要别的,Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！
PROTEUS的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。
该软件的特点：
1.全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。
2.具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、C调试器、SPI调试器、键盘和LCD
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