十路数字抢答器电路设计.docx

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十路数字抢答器电路设计

毕业设计

题目十路数字抢答器电路设计

学生姓名孙光奇学号1110064070

所在院（系）物理与电信工程学院

专业班级电信1103班

指导教师宋卫星

完成地点陕西理工学院

2015年6月1日

十路数字抢答器电路设计

孙光奇

（陕西理工学院电子信息科学与技术专业1103班陕西汉中723000）

指导教师：

宋卫星

[摘要]十路数字抢答器是一个可以供十人参赛组进行抢答的电路装置，该装置是由主体电路与扩展电路组成。

包括控制电路、显示电路、抢答输入电路、复位电路等。

本次设计从硬件与软件两方面进行探究与设计即采用单片机STC89C52RC为控制核心，结合C语言编程软件Keil4来实现设计功能，并用Proteus仿真验证这次设计的可行性。

[关键字]数字抢答器；单片机；C语言；Keil4

Thecircuitdesignof10roaddigitalresponder

SunGuangqi

（Grade11,Class3,MajorElectronicInformationScienceandTechnology,PhysicsDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）

Instructor:

SongWeixing

Abstract:

Roadofdigitalviestoanswerfirstdeviceisadeviceforgroupsof10peopleparticipatingviestoanswerfirstcircuitandthedeviceconsistsofmaincircuitandextensioncircuit.Includingthecontrolcircuit,displaycircuit,viestoanswerfirstinputcircuitandresetcircuit,etc.Thisdesignfromtwoaspectsofhardwareandsoftware,toexploreanddesigntheSTC89C52RCbysinglechipmicrocomputerasthecontrolcore,Keil4softwarewithClanguageprogrammingtoachievethefunctiondesign,andProteussimulationverifythefeasibilityofthedesign.

Keywords:

Digitalresponder;Singlechipmicrocomputer;Clanguage;Keil4

目录

引言1

1基本要求1

2设计方案论证1

3硬件电路设计1

3.1系统结构1

3.2单片机介绍2

3.2.1STC89C52RC单片机2

3.2.2STC89C52RC单片机的工作模式2

3.3抢答器各模块设计3

3.3.1控制器设计3

3.3.2键盘选择3

3.3.3时钟频率电路的设计4

3.3.4复位电路的设计4

3.3.5蜂鸣器电路的设计4

3.3.6锁存器设计5

3.3.7显示模块的选择5

3.3.8电源电路设计5

3.4硬件电路总图6

4软件设计7

5系统调试8

5.1系统仿真与调试8

5.2系统调试问题分析8

6使用说明8

结束语9

致谢9

参考文献10

附录A11

附录B17

附录C18

引言

抢答器作为现代组织竞赛的不可缺少的设备，为参赛选手提供了公正、客观、快速的裁决，其发展的功能也逐渐完善，目前市场上已经有各种各样的智力竞赛抢答器，但绝大多数是早期设计的主要以模拟电路、数字电路或是模拟电路与数字电路相结合的产品，功能越多电路越复杂故障率较高。

有些产品设计比较简单，但功能方面不能完全满足实际需求，比如大型比赛中，其功能就显得捉襟见肘了。

这些早期的产品可靠性也不是很好，同时价格有些昂贵。

虽然市场上已经出现了各式各样的以新一代以单片机为代表的抢答器，并以其功耗小、稳定性高、价格低廉等优势占据了一席之地，但其价格也是颇高。

对此在对预期功能分析之后，对比纯电路与软硬件结合的优缺点，结合相关资料及设计来确定可靠、准确的设计方案，实现设计需求，即确定以十路抢答方式实现可供十人同时参与竞赛抢答的智能化数字抢答器[1,2,3]。

1基本要求

1）设计一智力竞赛抢答器，可供十人（编号分别为：

0，1，2，3，4，5，6，7，8，9）同时参与竞赛抢答；

2）设有清零及抢答开始开关，抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，其编号立即锁存并显示，同时扬声器发出响声（时间为1秒左右）提示，最先抢答的选手编号一直保持到主持人将系统清零为止；

3）抢答时间范围30～60秒可调；

4）抢答时间结束而没有人抢答时，扬声器发出响声（时间为1秒左右），显示屏显示字母E或H，本次抢答结束[4]。

2设计方案论证

1）设计基于555定时器等的数-模混合式十路数字抢答器，本设计虽然可以实现预期功能，但是电路系统繁杂，而且体积稍大，在设计仿真时任务比较繁重，而且不便于调试，安装实物线路复杂，容易出现问题，解决问题也比较麻烦；

2）采用单片机STC89C52RC为核心来设计制作数字抢答器，充分利用了单片机系统的优点，具有结构简单、功能强大、成本低廉、系统稳定可靠、实用性强的特点。

与C语言编程相结合，更便于仿真测试，解决问题也比较方便。

综上所述，比较两者的优缺点，最终确定第二种方案作为设计方案[3,5]。

3硬件电路设计

3.1系统结构

系统结构图如图3.1所示。

根据本抢答器的要求，采用模块设计的方法。

将抢答器的功能划归为如下功能模块：

电源模块、复位电路模

块、独立键盘模块（主持人按键模块与抢答按键模块）、锁存器模块、显示模块、报警电路模块、主控芯片（STC89C52RC）。

电源模块的作用是为其他各个模块提供其所需要的工作电压；复位电路的作用是使指令回到程序的开端；主持人控制台模块的作用是引导整个比赛的正常进行；独立键盘模块的作用是主持人对设备进行控制开始、调时等及参赛选手的抢答号信号输入端；显示模块的作用是显示抢答倒计时时间及抢答结果即抢答选手编号。

报警模块用于抢答前后和无人抢答时发出提示音；主控芯片完成信号的分析处理及信号输出[5,6]。

3.2单片机介绍

3.2.1STC89C52RC单片机

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、功耗低、抗干扰能力超强的单片机，指令代码与8051单片机完全兼容，6时钟/机器周期与12时钟/机器周期可以任意选择。

单片机引脚图如图3.2所示。

主要的特性如下：

1）8051单片机的增强型，可以任意选择6时钟/机器周期与12时钟/机器周期，指令代码与传统8051完全兼容；

2）工作电压：

5.5V～3.3V；

3）工作频率范围：

0MHz～40MHz，与普通8051单片机的0MHz～80MHz相当，实际的工作频率可达到48MHz；

4）用户应用程序的空间为8K字节；

5）单片机的片上集成RAM为512字节；

6）有32个通用I/O口，其中P1、P2、P3、P4口复位后是准双向口，漏极开路输出口为P0口，在作为总线扩展应用时，不需要加上拉电阻，而作为I/O口应用时，则需要加上拉电阻；

7）ISP（系统中可编程）、IAP（应用中可编程），不需要专用编程器，不需要专用仿真器，用户可以通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载程序，数秒便可完成下载；

8）具有EEPROM的功能；

9）具有看门狗的功能；

10）共有3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2；

11）外部中断有4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可以由外部中断低电平触发中断方式来唤醒；

12）有通用异步串行口（UART），还可以用定时器软件来实现多个UART；

13）工作的温度范围：

-40～+85℃；

14）PDIP封装。

3.2.2STC89C52RC单片机的工作模式

STC89C52RC单片机的工作模式有以下几种：

1）掉电模式：

其典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，且中断返回后，继续执行原程序；

2）空闲模式：

其典型功耗2mA；

3）正常工作模式：

其典型功耗4mA～7mA；

4）掉电模式可以由外部中断唤醒，故适用于水表、气表等以电池供电系统及便携设备。

3.3抢答器各模块设计

3.3.1控制器设计

控制器主要用于对显示、计分、抢答、音乐等模块进行控制。

根据所学知识决定采用宏晶科技公司生产的STC89C52RC单片机作为系统控制器CPU的方案。

此单片机软件编程灵活、简单，算术运算功能强，可以快速擦除写入程序，支持在线下载程序，下载程序简单，并且具有功耗低、高性能、体积小、技术成熟、成本低等优点，故决定选用作为本设计的控制器CPU。

3.3.2键盘选择

输入键盘的种类选择对于本设计也是非常关键。

键盘按结构形式分为非编码键盘与编码键盘两种，非编码键盘用软件方法产生键码，而编码键盘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，因为非编码键盘的结构简单，成本低廉。

非编码键盘的种类很多，常用的有独立式键盘、行列式键盘等。

方案一：

独立式键盘

键盘接口中使用几根I/O线，键盘中就有几个按键，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。

独立式键盘如图3.3所示。

最简单的编码方式是根据I/O输入口所直接反映的相应按键按下的状态进行编码，称为按键直接状态码，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当前状态编码值，根据这个值来进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易，各按键独立性强。

独立式键盘的缺点是需要占用较多的I/O口线，当单片机应用系统中需要的按键要求独立性较强，按键比较少或是I/O口线比较富余时，可以考虑采用这类键盘。

方案二：

行列式键盘

行列式键盘即矩阵键盘，是用N条I/O口线作为行线，M条I/O口线作为列线组成的键盘。

这种类型的键盘结构，能够提高单片机系统中I/O口的利用率，有效的节省I/O口线。

行列适用于输入按键多或是I/O口线不富余时的情况。

行列式键盘如图3.4所示。

比较以上两者优缺点，结合本设计对按键独立性等需求，决定采用方案一[5,6]。

3.3.3时钟频率电路的设计

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够产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，来决定单片机的工作速度。

本设计采用的时钟频率为11.0592MHz。

外部振荡源电路如图3.5所示。

3.3.4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，复位电路如图3.6所示。

3.3.5蜂鸣器电路的设计

蜂鸣器电路如图3.7所示。

本设计根据需求采用音频提示，信号可从单片机接口P3.6输入，其发音元件通常采用压电蜂鸣器。

压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，很适合应用于单片机系统中。

要保障蜂鸣器的正常工作，则必须选取合适的限制基极电流的电阻R3和集电极负载保护电阻R4。

蜂鸣器的额定工作电压UL为1V,阻值RL为8Ω。

当单片机的P3.6端口电压U3.6为高电位5V时，Q1的UBE

Uon，三极管进入截止区，此时蜂鸣器不工作。

当U3.6为低电位0时，UBE>Uon且UCE

已知VCC=5V，UBE=0.7V，β=100，UCES=0.3V。

当单片机的P3.6端口电压U3.6为高电位0V时，Q1进入饱和区，此时三极管集电极电流ICS为

R4的阻值为

三极管的饱和驱动电流为

（3.5）

基极电阻R3的阻值为

（3.6）

确定基极限流电阻R3=3.3kΩ,集电极负载保护电阻R4=30Ω。

3.3.6锁存器设计

根据功能的需求及布线的方便，选用八进制3态非反转透明锁存器74HC573。

此器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；若加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。

当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。

当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。

输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出，当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持[7]。

3.3.7显示模块的选择

显示模块是用来显示抢答的倒计时时间及抢答选手的编号等。

考虑有以下两种显示方案：

方案一：

使用LCD液晶屏来显示。

LCD液晶显示屏具有机身轻薄、耗电量低、没有辐射，画面显示图像稳定且不闪烁等优势，可视面积大，对比率好，抗干扰能力强，反应时间短等特点。

由于本设计只需要显示时间，抢答选手编号，字母等简单信息，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，所以需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量较大，控制器的资源占用相对较多，同时其成本也偏高。

而且在使用时，不能有静电的干扰，否则容易烧坏液晶显示芯片，不易于维护。

方案二：

使用传统的数码管显示。

数码管显示清晰、低电压、寿命长、体积小、重量轻、抗冲击性好、对外界环境要求低、易于维护。

同时其精度高，发光响应快，精确可靠，操作简单。

数码显示是采用BCD编码来显示数字，程序编译量小，资源占用较少。

数码管显示模块如图3.8所示。

根据以上的论述，比较之下，决定采用方案二[3,10]。

3.3.8电源电路设计

系统电源电路如图3.9所示，电源电路由变压器B2、整流管D1～D4、电容C1～C8及三端稳压器MC7812和MC7912组成,首先将220V交流的电网电压经过变压器T进行降压输出得到交流15V的输出电压，然后讲交流15V的电压通过大电容的充放电过程对其进行滤波，得到相对平滑的输出电压，在将其输入到LM78012和LM7912三端稳压器器，通过三端稳压器进一步滤波，得到稳压器输出的±12V电压，最后将得到的输出电压经过两个电容分别为10uF电解电容和0.1uF电容进行滤波，最后得到稳定的±12V电源电压作为系统的电源输入电压。

3.4硬件电路总图

根据上述对抢答器系统各个部分的电路设计，完整的系统硬件电路如图3.9所示。

电路具有以下功能：

系统供电后，如果想调节抢答时间，按“设置”键进入调节状态，此时会显示程序预设的抢答时间，如果想加1秒按一下“加”键，如果想减1秒按一下“减”键，数码管上会显示改变后的时间，调整结束后需按“确定”按键。

调整范围为30S～60S，30S时再减1S不会跳转，60S时再加1S不会跳转。

主持人按“开始”键后，会有1S提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设30S抢答时间），如有选手按键抢答，则会有1S提示音，并且数码管由倒计时界面跳转至显示抢答选手编号界面并锁定选手编号，直到按“清零”键，返回倒计时界面。

如开始倒计时期间，由于某种原因，主持人想停止倒计时只需按“清零”按键，系统会自动跳转至开始前的状态，此时如果要进入下次抢答倒计时，则主持人再次按抢答“开始”按键，就会重新开始抢答倒计时，进入抢答时间。

4软件设计

在单片机开发中除了必要的硬件设计外，同样离不开软件设计。

本设计采用Keil4软件下的单片机C语言编程环境。

1）单片机上电复位后，首先对定时器和数码管显示器进行初始化，然后进入无限循环程序来判断“开始”键是否按下，如果按下，则蜂鸣器响进行提示，可以进行抢答，没有按下，则处于无限等待；

2）在进行抢答时，执行键盘扫描程序来判断哪一个键被选手按下，并记下选手所对应的抢答器端口的信号，单片机进行处理，通过数码管显示程序显示其路数；

3）倒计时开始后，若无选手抢答，在倒计时结束后，蜂鸣器响起，同时数码管显示E。

之后主持人按下“清零”键初始化系统，等待下次“开始”键信号。

当按下“设置”键后，进入抢答倒计时时间设置，时间调节范围为30～60S，30S时再减1S不会跳转，60S时再加1S不会跳转，调节间隔1秒；

4）主持人按下“开始”键后，蜂鸣器响1S开始进入抢答倒计时，选手开始抢答[11,12]。

主程序流程图如图4.1所示，各部分C程序见附录A[13]。

图4.1主程序流程图

图4.1主程序流程图

图4.1主程序流程图

图4.1主程序流程图

图4.1主程序流程图

5系统调试

5.1系统仿真与调试

在按设计图完成仿真后，要进行系统调试。

系统调试包括硬件调试和软件调试，两者是密不可分的。

设计好的硬件电路与编写好的软件程序，需要经过分布调试与联合调试，才能解决设计中存在的问题，才能不断完善设计从而达到预期的设计要求。

硬件调试一般先进行单元电路调试，再进行联机调试。

单元电路调试就是模块调试，确定各模块无故障后再进行各模块组合，进行综合调试，确定最终的设计。

软件调试则分为程序编译和联机调试两个阶段。

程序编译时调试是检查程序编译是否有错误，若有错误要进行改正。

确定编译无问题后烧写入单片机中，检测程序所实现的功能是否正确完整，有无bug，不断完善满足设计需求。

系统调试完成后，需进行一段时间的试运行，检验系统的稳定性与抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。

在调试过程中要认真细心地发现问题，并查找原因，找到解决的方法并解决。

5.2系统调试问题分析

本次系统调试使用的软件是proteus7.8与keil4。

在设计中出现的问题有：

1）在设定倒计时时间后点击“开始”按键，系统直接跳到显示“E”的界面，最后检查问题，发现程序编写有漏洞，在修复之后正常。

2）电路设计好之后加载程序进行测试，发现在按“开始”按键之后，直接进入抢答倒计时，但是如果在实际应用中，选手抢答时刻就比较模糊，容易出现因系统原因而抢答不公平。

在最后思索之后加入了在按“开始”按键之后蜂鸣器会有1S提示音，并立刻进入抢答倒计时，这样就解决了由于抢答设备带来的问题。

3）测试中发现按下“开始”按键之后，直接进入倒计时，但是如果使用中由于某种原因，主持人想停止倒计时时，必须单片机复位或是系统断电，否则就得等待倒计时结束，点击“清零”；若单片机复位或是系统断电，系统就会初始化至预设时间30S，如果是设定的时间，那就比较麻烦，需要重新设定时间，比较浪费时间，影响比赛进度。

在发现问题之后，便对程序进行更改，将中断恢复开始前抢答时间的功能添加到“清零”按键上，主持人想停止倒计时只需按“清零”按键，系统会自动跳转至开始前的状态，此时如果要进入下次抢答倒计时，则主持人只需再次按抢答“开始”按键，抢答器就会重新开始抢答倒计时，进入抢答时间。

4）在实物测试时，发现数码管f、g两段不亮且显示跳动，经过检查测试发现板子线路无问题，数码管插槽连线无问题，数码管无损坏，最后发现将数码管插上之后问题仍然没有解决，通电情况下拔插数码管发现有闪烁，确定为数码管引脚与插槽接触不良导致，将数码管引脚用焊锡加粗然后插入，发现显示完整。

5）数码管f、g段问题解决发现当各位显示走动时，十位也随之变动，且不改亮的也亮，只是亮度比其他暗淡，经过检查，硬件电路无问题，故确定为软件程序有问题才导致出现数码管不正常显示，将程序检查，重新编译下载后，问题得到解决。

经过对实物的检测调试后，解决了许多大小问题，使得本设计十路数字抢答器能够正常工作，并实现预期的功能。

6使用说明

本十路数字抢答器，其按键分为两部分：

主持人控制台部分和抢答席部分。

现在介绍一下它的使用方法，操作步骤如下：

1）给系统供电；打开自锁开关，系统初始化（默认抢答倒计时时间30秒）；

2）主持人根据现场情况设定抢答倒计时时间，若为30S，则不需要设置；若不是，主持人按下“设置”按键，再按“加”或“减”按键来调到需要的时间（定时范围：

30～60秒），每次按一下则加一或减一，当30S时再减1S不会跳转，60S时再加1S不会跳转，设置完成后按下“确定”按键；

3）抢答开始，主持人按下“开始”键，蜂鸣器响1S后，抢答正式开始。

如果倒计时过程要暂停，则主持人按下“清零”键，系统会自动跳转至抢答开始前的设定状态，下次继续再按“开始”按键；

4）选手席选手按下抢答键，最早按下的会在数码管上显示，同时蜂鸣器响，抢答倒计时停止，显示由倒计时界面跳转到选手编号界面；

5）下次开始主持人则先按下“清零”键，系统初始化抢答开始前的设定状态，在按“开始”按键进行下一次抢答；

6）若抢答倒计时结束，无人抢答，则蜂鸣器响起，数码管显示E，等待下次抢答操作。

以上为本系统的操作步骤即使用说明，在此特说明一点，在主持人未按下“开始键”以前，抢答选手按键是不起作用的。

结束语

经过这段时间的不懈努力,成功地完成本次设计——十路数字抢答器电路设计，使其能够实现预期的所有功能，从方案选择到电路仿真、程序编写，再到实物焊接与调测，撰写论文，整个过程都充满了汗水，一次一次的细心、耐心的寻找问题并解决，从中培养了自己的耐性、提高了解决问题的能力。

不断地在测试及调试中完善了设计存在的问题与不足之处。

通过本次设计，不但使我对过去所学的知识得以重新回顾，发现新的知识，加深了记忆。

同时对学习中所欠缺的知识得到了很好的补充，对以前学习中的不足有了新的认知，对相关的仿真与编程软件更加熟悉、熟练使用，提高了自身的技能。

同时在本次设计中存在很多的客观与主观的问题，锻炼了处理问题的耐性，提高了思考问题的能力，受益匪浅。

致谢

在本设计的写作和制作过程中，通过大量时间的学习制作，我确实感觉收获不少，但这些都与我的老师的悉心指导和同学的热情帮助密不可分，尤其是我的指导教师宋老师倾注了大量的时间指导我们，从选题到开题报告撰写宋老师都热情主动地帮我解决设计与写作过程中存在的问题。

在论文写作过程中宋老师耐心的帮我一一指出论文与设计中的不足，并提出了宝贵的意见与建议，使我的论文与设计能够很好的完成。

使我对自身有了更深的认识，对我以后的学习与工作帮助很大。

在这里对你们的帮助表示衷心的感谢！

参考文献

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