8路抢答.docx
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8路抢答
八路抢答器系统设计
0引言
随着科技的飞速发展，单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎在每个领域都能找到单片机的影子。
上至军用航空导弹导航系统下至生活中使用的电子表等用品，都离不开单片机应用。
单片机产生于20世纪70年代末，大致经历了三个阶段。
单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，微控制器（MicroControllerUnit）阶段，SoC单片机（SystemOnChip）阶段。
著名的单片机生产企业有Atmel、STC、飞利浦、Intel、Philips等公司。
[1]
单片机出现方便了人们的生活，所以单片机的使用也使抢答器的电路更加简便和实用。
抢答器的运用虽然很广泛，但是，传统的抢答器具有以下的问题亟待解决：
①有的传统抢答器由数字电路组成，在使用现场会有多名选手或代表团参加比赛，所以会造成布线繁琐等麻烦，现场不美观等问题；②由于传统抢答器由电子元器件集成制作而成，所以就会造成可靠性低，元器件集成工艺复杂，花费比较高等麻烦：
③由与传统的抢答器由数字电路构成，所以可能造成抢答时控制不精确，功能单一等缺陷。
[2]
所以，为了改进传统抢答器的各种缺点，本课题采用STC89C52单片机设计抢答器系统。
采用单片机设计抢答器，不仅可以避免布线复杂，集成工艺复杂等问题，还可以减小误差，降低开支，充分利用现有资源。
使得抢答器工作效率高，反应灵敏。
采用单片机设计的抢答器可以简单的实现拓展功能，可以扩至16路。
而且单片机具有方便、低功耗、抗干扰性强等特点，使得本设计具有更强的实用价值。
通过本次课程设计，我们应该熟悉单片机的基本结构，将理论所学知识运用到实际中来，能熟练运用Proteus仿真软件，和Keil51编程软件。
从而提高自身的编程能力以及解决问题的能力。
1系统基本组成及工作原理
1．1设计要求
利用单片机使用方便、低功耗、抗干扰性强、可靠性高等特点，设计一个8路智能抢答器。
以单片机为核心处理器，实现一个智能抢答器，要求同时供8名选手或8个代表队参加比赛。
同时要设置一个用于控制整个电路的开关，用来控制整个抢答器系统的清零、开始抢答及定时器预置等。
抢答器具有锁存抢答选手编号和显示功能，抢答正式开始后，若有参赛选手或代表队按下自己按钮，锁存并显示选手编号，并禁止其他选手抢答。
1．2设计内容
利用单片机实现8路智能抢答器功能。
先在Proteus软件上画出系统的各部分硬件电路设计框图，并且在Keil软件上完成对应的软件程序设计，实现系统的主要功能。
硬件设计内容主要包括：
复位电路，晶振电路，矩阵键盘输入，LED显示模块，报警电路部分。
软件设计内容主要包括：
键盘扫描，编码显示，抢答选手扫描，中断程序控制，定时器的使用。
抢答器要求可同时供8名选手或8个代表队参加抢答比赛。
此外，设置一个控制开关，用来控制系统的清零、抢答开始及定时器的预置等。
抢答器具有数据锁存和显示功能。
1．3系统基本组成
本系统运用单片机来实现抢答器设计，主要包括一下几个模块：
复位电路，晶振电路，矩阵键盘输入，LED显示模块，报警电路。
1．4系统工作原理
将16位选手编号1-16，接通电源后，主持人按下开始键则开始抢答，16位选手在规定时间内抢答，当有选手按键抢答时，在屏幕上显示选手号码且显示剩余时间，并禁止其他选手抢答；此时，主持人读完题目按下开始答题按钮则开始答题，选手要在规定时间内完成作答，若答题时间快到时会报警。
当无选手抢答时，剩余抢答时间小于5秒时会通过闪亮小灯响起蜂鸣器来报警，如果抢答时间耗尽还没有选手按下抢答键，则此轮抢答无效。
主持人按下复位按钮则抢答重新开始。
2系统硬件设计
2.1时钟频率电路设计
单片机工作时需要时钟电路产生时钟信号，指令执行中各信号之间的相互关系就是时序所研究的内容。
为保证同步工作方式实现，电路应在唯一的时钟信号控制下按照时序进行工作。
时钟信号可以通过两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。
本系统采用内部振荡方式产生时钟信号。
STC89C52单片机内部带有时钟电路，因此，只需要将定时控制元件（晶体振荡器和电容）通过XTAL1和XTAL2引脚接入单片机芯片，即可形成一个稳定的自激振荡器。
如图所示为内部振荡方式的外部电路：
时钟频率电路
电路中采用11.0592Mhz的石英晶体振荡器产生时钟信号，两个电容均为33pf，电容的作用是为了帮助振荡器起振以及对电路频率的微调。
2.2复位电路设计
在抢答器电路中，难免会出现操作失误，使得程序跑偏，或者出错，所以需要复位电路来使得在出错时使电路恢复正常工作。
复位电路是单片机的初始化操作，使单片机从0开始执行程序。
复位不仅能使单片机进入系统正常初始化，而且当程序运行出错或操作不当使系统死锁时，按下复位按钮重新启动，使单片机正常工作。
复位方式有以下四种：
上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位、和自动复位。
即外部产生复位信号由单片机的9脚（RST）输入，从而使单片机完成复位操作。
复位信号是高电平有效，有效时间应持续两个机器周期以上。
本系统采用的是按键电平复位方式，如图所示复位电路：
复位电路
图中所示复位电路由电源、电解电容C3、电阻R2和按键组成。
当复位按钮按下，产生高电平的复位信号送入9脚。
电解电容充电放电使得复位高电平信号持续2个机器周期以上。
当放起按键时，9脚缓慢达到低电平则退出复位。
程序从头开始执行。
2.3按键输入电路设计
在抢答器电路中每位选手会通过手中的抢答按键来获得优先答题权。
每位选手的按键就构成抢答器电路的键盘输入。
键盘输入电路是单片机外围电路中最常见的一种电路。
键盘有两种形式，编码键盘和非编码键盘。
当有键盘被按下时，通过一种专用的硬件编码器来识别按键闭合，并且确定出键盘编码号码，这种键盘称为编码键盘，如计算机键盘。
而通过软件编程方式来确定某个按键的闭合的键盘称为非编码键盘，在单片机组成的各种系统中，用的比较多的是非编码键盘。
非编码键盘又分为：
独立键盘和行列式键盘（或称矩阵键盘）。
对于每一个按键需要与单片机的I/O口相连，从而读出键盘的状态。
单片机可以通过软件编程读出哪个键按下，从而做出对应的操作。
2．4独立式键盘电路设计
独立式键盘是单片机电路中用的最多的键盘输入，独立键盘是由键盘的两端直接和单片机的I/O口与接地相连。
当键盘按下时，对应端口与地相连，则直接将对应的端口变成低电平，然后做出相应的操作。
每个独立键盘需要单独使用一根I/O线，所以当一个电路中键盘输入较多时采用独立键盘设计就会造成I/O口的大量浪费，从而造成I/O口不够用。
所以，只有按键数量不多时，采用独立键盘输入。
电路中的开始抢答按键和开始答题按键采用的就是独立式键盘输入。
独立键盘的好处就是：
每个按键单独使用一根I/O线，键盘扫描容易，且独立键盘每个按键互不影响。
本电路中用到的独立键盘有下面几处。
如图所示电路：
控制电路
当按下开始抢答按键时候，P2.0口被硬件置为低电平，控制整个电路开始，开始抢答；当按下开始答题按键时候，P2.1被硬件置为低电平，显示答题时间。
2．5矩阵键盘电路设计
在矩阵键盘中，每4个键盘构成一行，一共四行四列。
每一行按键的一端连接起来，每一列按键的另一端连接起来，总共构成8路，所以，一个单片机的P3口就可以构成16个键盘电路的输入端口了。
在本次设计中，有16个选手或代表队参加比赛，每一个代表队需要一个抢答按键，就需要16个按钮。
在设计中发现，如果采用独立键盘连接电路，则需要一个端口连接一个按键，所以需要占用16个I/O口，就会造成资源的浪费，成本增高。
所以当有16位选手参加抢答比赛时，需要16个键盘，采用4X4矩阵键盘只需要8个I/O口，从而大大减少了I/O口资源的浪费。
当键盘个数超过8个，采用矩阵键盘是最为合适的。
相比独立键盘，矩阵键盘的特点是：
电路的I/O口需要相对较少，能有效节省I/O口资源浪费；但是硬件电路相对复杂，键盘扫描比独立键盘扫描繁琐，需要独立软件编程，完成键盘扫描，从而确定那个按键按下，做出相应操作，矩阵键盘更适合多按键电路。
以下是抢答器系统的矩阵键盘输入电路，P3口高四位（P3.4-P3.7）作为列线，P3口低四位（P3.0-P3.3）作为行线，电路如图所示：
矩阵键盘电路
矩阵键盘接好以后，就要对应的键盘扫描工作，判断出那个按键按下，从而做出对应操作。
当没有按键按下的时候所有行线和列线是开路的。
当键盘上的一个按键被按下的时候，该按键的行线和列线就会被短路。
将所有的列线都置为高电平，行线逐个置为低电平。
例如当把第一行线置为低电平，第一行有按键按下时该按键的列线也会变成低电平，从而判断第一行的某个按钮被按下，以此类推，单片机根据电平的变化从而扫描出键盘操作。
键盘的扫描分为循环扫描工作方式和中断扫描工作方式。
循环扫描工作方式，是在单片机工作的过程中调用键盘扫描子程序来响应按键输入。
此种扫描方式缺点是，不管键盘有无按下，单片机都会扫描键盘，然而在工作的过程中不需要按键按下，此时系统处于空扫描状态。
为了提高单片机的工作效率，采用中断扫描，即只有按键按下时，才发送中断申请，进行键盘扫描。
[5]
本次设计采用了循环扫描的工作方式。
按键在按下的过程中有可能会产生抖动，此时逻辑电平是不稳定，所以在键盘扫描过程中，一定要在软件设计过程加入去抖部分。
在本次设计中，我们通过在软件编程过程中，对按键扫描进行延时的方法中来去除抖动。
在按下按键并处理完相应操作时，可以在软件编程中增加键盘释放的程序。
2．6显示电路设计
显示电路是最常用的输出设备。
为观察单片机的运行状态，往往需要显示器来直观的表现出来。
抢答器电路需要通过显示电路，来显示抢答选手的标号，和倒计时显示。
本系统采用四位一体共阴数码管显示，数码管前两位显示倒计时，后两位显示抢答选手的标号。
下图是抢答器系统的显示电路：
显示电路
上图所示是抢答器系统的显示电路，显示电路用到了一个上拉电阻、两个透明锁存器和一个四位一体共阴数码管。
下面介绍显示电路的原理。
2.7报警电路设计
在抢答器系统里，当抢答时间快要结束时或者答题时间快要结束时，需要一个报警电路来提示抢答选手，所以在本次设计中添加了报警电路部分。
当答题时间和抢答时间小于5秒后，则会启动报警电路。
如图所示，为报警电路。
报警电路
如上图所示为报警电路，当P2.2口为低电平时，LED灯通路，则LED灯亮。
单片机的P2.3口负责发声电路，当P2.3为低电平时候，三极管导通，扬声器工作，从而完成发声电路。
当抢答时间和答题时间剩余5秒时，为了及时提示选手，设置LED灯和扬声器隔1秒工作一次，从而达到警示选手的作用。
报警电路中，扬声器部分采用PNP三极管驱动，当基极为低电平时，三极管导通，从而驱动扬声器电路工作。
2.8总体电路设计
本章详细叙述了抢答器各个模块的设计原理以及具体电路。
在以STC89C52为核心电路的基础上，结合显示电路、键盘输入电路、报警电路、复位电路和外部时钟电路等外围电路，就设计出了基于单片机的抢答器系统。
下图是单片机抢答器系统的总图。
基于单片机的抢答器电路总图
3系统软件设计
软件设计分为以下五个部分：
主程序设计，开始键扫描子程序，抢答键盘扫描子程序，显示程序，定时器中断。
主程序系统框图
上图为主程序系统框图，程序代码部分均参照上述逻辑设计。
任何一个C语言程序，都先从主程序开始执行，从主程序执行开始键扫描程序，若开始键按下，则触发定时器中断1，并扫描键盘，若有抢答选手按下按键，则显示剩余答题时间，并显示锁存抢答选手号码，并且伴随提示音。
此外，当有选手按下后，就要封锁电路，禁止其他选手抢答。
若无选手抢答，则倒计时，当剩余五秒时，触发报警程序，即定时器中断2。
当主持人按下开始键，活着复位键时，复位电路。
重新开始电路。
下图为程序流程图：
\程序流程图
4软件设计
4.1主程序设计
主程序是软件设计的灵魂部分，是关系到程序能否顺利执行的关键部分，主程序如下所示。
以下是定时参数的初始化：
voidinit（）
{
TMOD=0x01;
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
TH1=（65536-50000）/256;
TL1=（65536-50000）%256;
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
}
这部分选择定时器工作方式的选择；通过对方式寄存器TMOD的设置，定时器/计数器T0，T1可选择4种不同的工作方式。
定时器中断是当数据溢出时触发中断，并且计数器是加1计数的，所以需要预先置入初始值，当数据溢出时触发中断。
主程序首先将执行判断开始键是否按下，以下是开始键的扫描程序：
voidstart_scan（）
{
if（K0==0）
{
delay（10）;
if（K0==0）
{
while（!
K0）;
TR0=1;
time=qdtime;
flag=1;
s_flag=1;
b_flag=1;
beep=1;
gled=1;
key=0;
}
}
}
判断是否开始键是否按下，对按键进行去抖操作后，若开始键按下，则打开倒计时，将各个标志位初始化，flag为开始标志位。
当开始按下时，即会显示倒计时。
当判断完开始按键的操作后，如果开始按键按下，则会出现两种情况：
开始键按下，无人抢答；开始键按下，有人抢答。
当开始键按下，有人抢答时：
if（（flag==1）&（s_flag==0））//当开始键按下并有人抢答，进行答题倒计时
{
if（K_time==0）//开始答题按键扫描
{delay（10）;//去抖操作
if（K_time==0）
{while（!
K_time）;
time=dttime;
TR0=1;
}
}
}
当开始键按下时，s_flag是矩阵键盘的标志位，s_flag=0表示矩阵键盘有人按下，即有人抢答。
当开始键按下，且矩阵键盘中有人按下，程序开始判断答题按键是否按下，当答题控制键按下，则启动答题倒计时。
当开始键按下，无人抢答时：
if（（flag==1）&（s_flag==1））//开始键按下且答题键没有人按下，进行键盘扫描
{
keyscan（）;//键盘扫描子函数调用
}
当开始键按下，s_flag=1表示没人抢答，则进行矩阵键盘扫描。
矩阵键盘扫描过程中，如果键盘没有人按下，则s_flag=1，所以一直扫描键盘，当倒计时剩余5秒，就会报警。
若倒计时为0秒时还没人抢答，则主持人按下开始按钮即可。
若键盘有人按下则s_flag=0，进入有人抢答的程序中。
[9]
4.2延时子程序
在单片机软件操作过程中会用到许多的延时程序，譬如，当要去除键盘抖动时，就需要延时程序来达到。
在数码管的动态显示上，也需要通过延时程序来达到目的。
voiddelay（uintz）
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
以上就是延时函数，参数z为形式参数，当需要调用延时函数时，只需在函数里赋值，即可达到所需的延长时间，如delay（50000）就为半秒钟延时。
4.3键盘扫描程序
抢答器中每位选手配备一个抢答器，当选手按下时，需要一个键盘扫描程序来扫描。
并将扫描结果返回。
在矩阵键盘扫描的过程中，需要先将端口赋值，然后通过电平的变化来扫描出键盘的按键按下。
voidkeyscan（）
{
P3=0xfe;//将P3口赋值
temp=P3;
temp=temp&0xf0;//判断电平是否有变化；
if（temp!
=0xf0）//电平有变化，说明有按键按下
{
delay（15）;//键盘去抖操作
temp=P3;
temp=temp&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
当扫描矩阵键盘的第一行键盘时，将第一行线置为低电平，若第一行中有键盘按下，则对应的列线就会变为低电平。
通过temp=temp&0xf0就可以对比出那个按键按下。
{
temp=P3;
switch（temp）
{
case0x7e:
key=1;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;
break;//当第一个键按下时，触发事件操作
case0xbe:
key=2;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;
break;//当第二个键按下时，触发事件操作
case0xde:
key=3;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;
break;//当第三个键按下时，触发事件操作
case0xee:
key=4;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;
break;//当第四个键按下时，触发事件操作
default:
key=0;//当有两人同时按下时，键盘显示
}
while（temp!
=0xf0）//释放
{temp=P3;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
}
以上是第一行键盘的扫描过程，当第二行键盘扫描时将处置设为P3=0xfd；当第三行扫描时将设置为P3=0xfb；当第四行键盘扫描时将处置设为P3=0xf7。
每行键盘扫描都是以此类推，当键盘扫描完毕后，将释放键盘，这样将会及时清理掉缓存。
4.4显示程序设计
显示程序是程序中唯一的输出部分，显示程序部分包括数据编码，和位选控制。
当无选手按下时，需要显示抢答倒计时；有选手按下时，需要显示选手号码。
如下为显示子程序代码部分：
if（flag==1）
{
if（key!
=0）//判断是否有选手抢答
{
shi=key/10;
ge=key%10;
WL=1;//位选打开
P1=0xfb;//第三位显示
WL=0;//位选关闭
DL=1;//段选打开
P0=table[shi];
delay（5）;
WL=1;
P1=0xf7;//第四位显示
WL=0;
DL=1;
P0=table[ge];
delay（5）;
}
当flag==1，即开始键按下，时开始判断key的值，若key不为0，则有选手抢答，显示选手抢答号码，并显示剩余倒计时。
WL=1;
P1=0xfe;//第一位显示
WL=0;
DL=1;
P0=table[time/10];
delay（5）;
WL=1;
P1=0xfd;//第二位显示
WL=0;
DL=1;
P0=table[time%10];
delay（5）;
}
}
无论是否有选手抢答，都需要进行倒计时，所以，倒计时操作一直在进行。
倒计时操作是在数码的前两位，当有选手按下时，锁存选手号码，并保存剩余答题时间，当控制答题按钮按下时，将显示20秒剩余答题时间。
显示过程中，首先要打开位选，选通那一位显示，其次才能打开段选，进行段选码控制。
动态显示，需要借用余晖和人眼暂留的效果，所以每显示一位需要短暂的延时。
4.5中断函数设计
抢答器中会用到倒计时显示，所以会用到单片机内部的定时器中断，当用到定时器中断的时候就需要写中断服务函数。
以下是中断服务函数：
定时器T0的中断服务函数：
voidtimer0（）interrupt1
{TH0=（65536-50000）/256;//对定时器重新赋值
TL0=（65536-50000）%256;
if（b_flag）//蜂鸣器标志位
{
beep=0;
}
else
beep=1;
}
下面部分为报警程序设计，当倒计时剩下5秒时，蜂鸣器和小灯交替工作，即小灯亮一下，蜂鸣器响一下，提示选手。
if（time<5）
{if（time%2==0）
{
b_flag=1;
gled=0;
}
else
{b_flag=0;
gled=1;
}
}
下面程序为倒计时程序部分。
当每次进入中断函数，num会自动加1，当num=20时表示，计数器计数满，到达1秒，则完成时间减少1秒，关闭蜂鸣器。
num++;
if（num==20）
{num=0;
time--;
b_flag=0;
}
当剩余时间为0秒时，关闭定时器，关闭各个标志位。
抢答无效。
if（time==0）
{
TR0=0;
time=0;
s_flag=1;
gled=1;
}
当启动定时器T1时，蜂鸣器开始工作，当工作1秒后，关闭定时器，同时关闭蜂鸣器，定时器T1的中断服务函数：
voidtimer1（）interrupt3
{
TH1=（65536-50000）/256;
TL1=（65536-50000）%256;
beep=0;
num++;
if（num==160）
{
num=0;
TR1=0;
beep=1;
}
}
这是单片机内置定时器T1的工作函数，触发蜂鸣器发声，即是当按键按下时，蜂鸣器发声提示，此部分为蜂鸣器发声电路。
5结束语
在本次基于单片机的抢答器设计过程中，查阅了所用的电子元件的资料，利用单片机STC89C52的功能，设计出所需的外围电路来完成抢答器功能。
利用单片机的定时/计数器的计数功能等功能，将软硬件有机结合起来设计单片机。
并且对键盘设置原理、数码管显示原理都有了进一步的了解和掌握。
设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
下面我对整个设计的过程做一下简单的总结。
第一，接到任务以后进行选题。
选题是设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个设计是否能够顺利进行关系极大。
好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。
否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。
因此，选；题时一定要考虑好了。
第二，题目确定后就是找资料了。
查资料是做设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。
总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。
第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。
第四，有了研究方向，就应该动手实现了。
其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。
通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内
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