基于单片机的8路智能抢答器设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的8路智能抢答器设计毕业设计论文
摘要
在抢答比赛中，利用抢答器可以轻易分辨出某个人或代表队首先获得答题权。
本设计采用STC89C52单片机设计抢答器系统。
电路要求设置有8个键盘，但是考虑到系统的可拓展性，本设计采取矩阵键盘从而设置16个键盘，可以供16名选手参加比赛。
主持人按下开始按钮，则开始抢答，并显示抢答时限；若有人按下自己抢答键，则在数码管上显示对应编号和抢答剩余时间，抢答剩余时间低于5秒时会报警提示，剩余时间为0秒时，若无人抢答，本次抢答无效；有人抢答情况下，主持人读完题目后按下开始作答按钮，则显示作答时间，作答时间低于5秒，会报警提示。
关键词：
可拓展性；STC89C52单片机；矩阵键盘
ABSTRACT
Inaquiz,therespondercaneasilydistinguishwhichgroupachievethefirstanswerright.ThesubjectappliestheSTC89C52MCUtodesigntherespondersystem.Thecircuitset8keyboards.Buttakingintoaccountthescalabilityofthesystem,thisdesigntakethematrixkeyboardtosetthe16keyboards,sothecircuitcanbeusedfor16playerstoparticipateinthecompetition.Theresponderwillworkwhenahostpressthestartbutton,andshowanswertimelimit;ifyoupressyouranswerkey,thedigitaltubewillshowthecorrespondingnumberandtheremainingtime;andthecircuitwillalarmwhentheremainingtimelessthan5seconds;ifnobodyanswerthequestionwhentheremainingtimeis0seconds,theanswerisinvalid.Themoderatorwillpressthebuttonafterreadingthequestionifsomeoneansweraquestion,thenthecircuitdisplayresponsetimeafterpressingthebutton.Inaddition,thecircuitwillalarmwhenthetimeoftheanswerlessthan5seconds.
Keywords：
Scalability;STC89C52singlechipmicrocomputer;Matrixkeyboard
1前言
1.1设计背景及意义
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。
通过本次毕业设计，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。
1.2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。
1、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。
2、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。
3、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。
1.3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。
1.4设计内容的扩展
设计题目要求设计基于单片机的8路抢答器，但是在实际运用过程中，参赛的选手或者代表队往往多于8路，所以8路抢答往往不够用。
本次设计为了更好的适应实际要求，在设计过程中对电路做了扩展，将基于单片机的8路抢答器扩展设计成16路抢答器。
在下文中，所有设计都是按照16路抢答器要求来完成的。
2系统概述
2.1系统的主要功能
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。
图2.1系统主要功能
2.2系统工作状态
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。
图2.2系统工作状态
2.3单片机STC89C52功能简介
本次毕业设计采用的是STC89C52型号的单片机，也是16路抢答器电路的核心处理器。
STC89C52是由宏晶公司生产的一种8位微型处理器，具有8k可编程的只读Flash存储器。
巨有低功耗、低电压、低价格和高性能的特点。
在当今科技发展飞速的时期，STC89C52单片机的使用越来越广泛。
STC89C52是STC89C51的升级产品，与STC89C51比较多了以下功能：
STC89C52具有3个定时器/计数器，STC89C51只有2个定时器/计数器；STC89C52具有8KB的Flash存储器，而STC89C51具有4KB的Flash存储器。
STC89C52单片机内部主要有以下部件组成：
8KBFlash存储器，512B数据存储器，32条I/O口线，3个定时器/计时器，看门狗定时电路，内置4KB的EEPROM，用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART的串行口；一个具有8个中断源、4个优先级的中断嵌套结构。
如下图2.3是STC89C52的管脚示意图：
图2.3STC89C52的管脚示意图
STC89C52各个管脚的功能：
（1）电源与晶振
Vcc接+5V电压，GND接地。
XTAL1接外部晶体振荡器的一个引脚。
在单片机内部，他是一个反相放大器的输入端，此反相放大器构成了片内振荡器。
XTAL2接外部晶体振荡器的另一个引脚。
在单片机内部，他是一个反相放大器的输出端，输入到内部时钟发生器。
（2）I/O：
P0、P1、P2、P3共4个I/O口，32根
P0：
8位、漏极开路的双向I/O口，不含内部上拉电阻。
P1：
8位、准双向I/O口，内部含有上拉电阻。
P2：
8位、准双向I/O口，内部含有上拉电阻。
P3：
8位、准双向I/O口，内部含有上拉电阻。
（3）控制线：
共4根
RST----复位输入信号，高电平有效。
在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，便可实现复位操作。
EA/Vpp----片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。
当EA接地。
单片机只执行片外存储器中的程序；当EA接Vcc时，CPU首先执行片内程序存储器中的程序，然后自动转向执行片外程序存储器中的程序。
如果程序锁定位LB1被编程，那么EA值将在复位时由片内锁存。
在与Flash并行编程/校验期时。
该引脚施加12V的编程电压Vpp。
ALE/PROG----地址锁存允许信号输出。
在CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器时，ALE提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外存储器中。
在与Flash并行编程/校验期间，该引脚也是编程负脉冲的输入端。
在正常操作状态下，该引脚端口输出恒定频率的脉冲。
其频率为晶振频率的1/6，可用做外部定时或其他触发信号。
应注意，单片机每次访问内部数据存储器时，都要失去一个ALE脉冲。
ALE的禁止位不影响对外部存储器的访问。
PSEN----片外程序存储器选通信号，低电平有效。
当STC89C52执行来自外部程序存储器的指令代码时，PSEN每个机器周期两次有效。
在访问外部数据存储器时，PSEN无效。
[3]
3硬件电路设计
3.1Proteus软件介绍
Proteus软件是英国公司出版的一款EDA软件。
此软件不仅具有一般EDA软件的仿真功能，而且能仿真单片机及其外围电路。
它是目前最好的仿真单片机及外围电路软件。
在进行各种电路设计之前，必须要进行电路原理图的仿真，只有在软件仿真成功才可能在实际电路中实现。
并且由于实验室器件的有限，有些电路无法在实际中设计出来，所以我们必须要通过Proteus仿真电路。
Proteus软件是世界上唯一将电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三合一的设计平台，在单片机电路设计中使用更为广泛。
[4]
3.2单片机最小系统设计
在利用单片机设计各种电路的过程中都离不开最小系统的外围支持，单片机最小系统是每个单片机电路设计必不可少的部分，单片机最小系统包含两个部分：
时钟频率电路和复位电路。
3.2.1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3.1所示为内部振荡方式的外部电路：
图3.1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。
3.2.2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3.2所示复位电路：
图3.2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。
3.3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。
3.3.1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3.3所示电路：
图3.3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。
3.3.2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3.4所示：
图3.4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。
[6]
3.4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3.5是抢答器系统的显示电路：
图3.5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。
3.4.1透明锁存器74HC573原理
74HC573是八进制三态非反转透明锁存器，是高性能硅门CMOS器件。
74HC573和LS/AL573的管脚一样。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的：
加上拉电阻，它们能和LS/ALSTTL输出兼容。
74HC573具有锁存功能，当锁存使能为高时，此器件的锁存对于数据是透明的，即输出同步。
当锁存使能变低时，数据就会锁存，即当输入数据消失时，输出数据仍然保持。
数据锁存的功能在并行数据扩展中经常用到。
74HC573是三态锁存器，具有低电平、高电平和高阻态。
在高阻态下,可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁。
高阻态的概念在RS422和RS232通讯中还可以用到。
透明锁存器还可以起到数据缓冲的功能，能加强驱动功能力。
[7]
在显示系统中用74HC573透明锁存器作为驱动电路能避免直接接入数码管的数据传输不稳定。
如图3.6所示为74HC573管脚图：
图3.6透明锁存器74HC573管脚图
OE是输出使能端；LE数据锁存使能；Dn为第n路输入数据；On为第n路输出数据。
下表3.1为74HC573的功能表：
表3.1透明锁存器74HC573的功能表
OE
LE
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
保持
H
X
X
Z
3.4.2四位一体数码管显示
在经过透明锁存器的数据缓冲电路后，就会将数据传输到显示器中。
比较常用的显示器有1602液晶显示器、数码管显示等。
由于抢答器电路中需要显示的数据比较简单，如若采用1602液晶显示就会有些浪费。
所以本系统的显示电路采用四位一体共阴数码管显示。
每一位数码管显示是由8个发光二极管组成的，根据不同的二极管发光，从而显示出不同的数据。
通常我们在显示采用的方法有两种：
动态显示和静态显示。
静态显示原理是：
每个数码管由8个小型的发光二极管组成，所以不同的二极管发光便显示出不同的字符，8个发光二极管必须接一个8位数据线来保持所需显示的字形，当送入一次字形码的编码后，即可一直显示所需字形，直到送入一个新的字形编码为止。
静态显示的优点是占用CPU较少的时间，数码显示便于控制。
缺点是：
每一个字形需要一个数码管，每个数码管需要8位I/O口控制，所需电路复杂且成本高。
[8]
动态显示原理是：
将所有位数码管的8位发光二极管的信号线并联在一起，由一个特殊的位选线控制那一位数码管显示。
显示特性没有静态显示好，利用二极管发光的和人眼视觉的暂留作用，让人感觉好像各位数码管在同时显示，称为动态显示。
数码显示分为共阴和共阳显示两种。
下图3.7是数码管显示的原理图：
图3.7共阴数码管原理图
CS0、CS1、CS2、CS3分别为四位一体数码管的位选端，当其中一个端口置于低电平时，则这一位数码管被选中；然后再设置段选端，段选端由8位数据线控制，当一个端口处于高电平是则对应的一段显示。
从而完成数码显示。
如图3.8为所用数码管：
图3.8数码管电路
图中A、B、C、D四个端口分别为数码管显示的位选，a、b、c、d、e、f、g、p为数码管的段选。
数码管的位选由P1.0-P1.3控制，段选信号由P0.0-P0.7控制。
当程序分别控制P0口和P1口的时候，然后完成显示功能。
3.5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3.9所示，为报警电路。
图3.9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。
3.6电源电路设计
在整个抢答系统中，一定会用到电源，而一般直流电源均为1.5V的倍数，单片机所需电源为5V。
所以电路中需要稳压电源来满足单片机电路的电压限制。
在本次设计中，采用7805达到稳压的效果。
7805所需外围电路简单，内部具有保护电路，用起来方便，并且价格便宜。
在电子设计中得到了广泛的运用。
如下图3.10所示为7805的外围电路：
图3.10稳压器7805外围电路
将12V直流电源接入左边，右边输出是5V电压。
将单片机电源以及74HC573电源接入5V电源，即可使本系统工作。
3.7下载器电路
当完成上述工作后，一个完整的系统基本完成，此时需要一个下载器电路将软件程序下载达到STC89C52单片机中才能实现抢答器功能。
下载器需要和单片机的P1.5、P1.6、P1.7、RST端口连接起来，只有这样才能将软件程序下载到STC89C52中。
下载电路连接方式如图3.11所示：
图3.11下载电路连接方式
将下载器一端与单片机按照上图连接起来，同时将下载器USB一端插入电脑，通过烧写软件将软件程序写入到STC89C52中。
烧写成功后，则可验证本系统的软件部分与硬件部分是否对应，以及测试本系统的是否能实设计要求中的各个功能模块。
3.8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
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