基于单片机的八路智能抢答器课程设计.docx
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基于单片机的八路智能抢答器课程设计
交通与汽车工程学院
课程设计说明书
课程名称:
微机原理及应用课程设计
课程代码:
8234570
题目:
基于单片机的八路智能抢答器
年级/专业/班:
2009级/车辆工程/汽电（3）班
学生姓名:
何彦希
学 号:
332009030606112
开始时间:
2012年07月02日
完成时间:
2012年07月06日
课程设计成绩：
学习态度及平时成绩（30）
技术水平与实际能力（20）
创新（5）
说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）
总分（100）
指导教师签名：
年月日
摘要
随着科学技术的发展和普及，各种各样的竞赛越来越多，其中抢答器的作用也越来越重要。
本文设计出以AT89C51单片机为核心的八路抢答器，采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号，最后通过LED数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出是哪组优先按下的按键，充分利用了单片机系统结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。
本设计是以抢答为出发点。
考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。
用开关做键盘输出，扬声器发生提示。
同时系统能够实现：
在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效。
【关键词】抢答器单片机LED数码显示管定时器/计数器扬声器。
1引言
1.1问题的提出
而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。
本设计就是基于单片机设计抢答系统，通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的功能。
单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。
现如今电视节目日益丰富其中的竞赛环节也越来越多，其中智力抢答器是不可或缺的器材。
在本学期学习了单片机这门课之后，我们小组成员觉得可以试着自己来实现抢答器的功能，令它能准确、公正、直观地判断出第一抢答者，并通过抢答器的数码管显示和蜂鸣器报警指出抢答组别。
我们最终做出一种数字式抢答器的设计方案,通过Proteus设计完成,利用KEIL软件编辑程序，仿真验证,适用于多种竞赛场合。
本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计制作出一个多功能数字时钟系统。
该时钟系统主要由时钟模块、数码管显示模块、键盘控制模块以及信号提示模块组成。
系统具有简单清晰的操作界面，可随时进行时间调整。
同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。
由于系统所用元器件较少，单片机所被占用的I/O口不多，因此系统具有一定的可扩展性。
1.2任务与分析
此次设计提出了用AT89S51单片机为核心控制元件首先，在Protel软件环境中进行硬件电路图的设计。
然后在AT89S51软件环境中进行系统的软件编程，并进行程序源文件的编译和调试，最后生成.hex文件。
此.hex文件是硬件电路运行实现的源代码来源。
把.hex文件加载到AT89C51单片机芯片，然后在Proteus软件环境中运行硬件电路，能实现抢答倒计时、信号锁存的功能。
具体任务：
1.抢答器可同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按键S1~S8进行抢答。
2.具有清零和非法抢答控制功能，并由主持人操纵，避免选手在主持人按“开始”前提前抢答，违反规则。
3.当主持人启动“开始抢答键”后，定时器进行减计时，在20S内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权，抢答时间耗尽后禁止抢答。
4.倒计时5S时，如果仍无人抢答，则系统每1S报警一次,用以提示参赛选手。
5.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按下按键，锁存相应选手的参赛号码，并在LED数码管上显示。
选手抢答实行优先锁存，其他按键者将不能响应，以便公平地选择第一个抢答者。
6.倒计时期间，如果主持人想终止倒计时，可以按下“停止”按键，系统会自动进入准备状态。
2系统方案设计
2.1系统设计方案
总体方框图如图1所示。
工作原理：
接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关拨到”开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。
定时器倒计时，扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"或者"开始"状态开关。
2.2系统总体框图
图2-1系统总体框图
3系统硬件电路设计
3.1AT89S51单片机
AT89S51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图3-1为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。
由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。
下面介绍几个主要部分。
图3-1单片机结构框图
单片机管脚说明:
图3-2AT89S51单片机管脚图
ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。
采用40引脚双列直插封装形式。
AT89S51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
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。
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输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的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口作为第八位地址接收。
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4个TTL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存取时，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。
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。
P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（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。
ALE/
：
当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号端。
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。
/VP：
当
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，
将内部锁定为RESET；当
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。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。
3.274LS373锁存器
74LS373是八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性），常应用在地址锁存及输出口的扩展中。
简要说明:
SN74LS373,SN74LS374常用的8d锁存器,常用作地址锁存和i/o输出.可以用74hc373代换.74LS373是低功耗肖特基TTL8D锁存器，74H373是高速CMOS器件，功能与74LS373相同，两者可以互换。
74LS373内有8个相同的D型（三态同相）锁存器，由两个控制端（11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE）控制。
当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收由PPU输出的地址信号；如果G为低电平，则将地址信号锁存。
工作原理：
74LS373的输出端O0~O7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7
为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
图3-374LS373引脚（管脚）
图3-474LS373内部逻辑
4系统软件设计
4.1proteus软件环境介绍
本系统的硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现的。
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它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，它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。
如果有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。
Proteus建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是ProteusLite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果[2]。
Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。
可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件...）。
其实Proteus与multisim比较类似，只不过它可以仿真MCU，当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者拥有它们的可能性比较小。
当然，硬件实践还是必不可少的。
在没有硬件的情况下，Proteus能像pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围电路。
另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要的。
Proteus软件主要具有以下几个方面的特点：
1、设计和仿真软件Proteus是一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提高他们的模拟和数字电路的设计能力。
2、它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。
3、它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。
4、它可以仿真目前流行的单片机，如PICS,ATMEL-AVR,MOTOROLA,8051等。
5、在设计综合性方案中,还可以利用ARES开发印制电路板。
4.2Protel软件环境介绍
Protel印制板设计软件包是澳大利亚proteltechnology公司与1990年推出的电子CAD产品，具有方便、易学、实用、快速以及高速度、高步通率的特点。
它采用了分层次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不需要记背太多的键盘命令，用鼠标点击菜单命令就能操作，protel有着很高的自动布线布通率。
布通率是电子产CAD产品的一项重要指标，它反映电子元件在电路图中连接关系有多少能在印刷版图中实现。
在设计常用的单、双面印制板时只要选择适当的元件布局和布线策略方法，protel就可以轻易的达到98%-100%的布通率。
对于极少数不能布通的定方，protel可以用飞线指示出来，引导用户用手工方法连通。
另外，protel有强大的宏命令设置功能，利用宏命令功能多定义的热键可以大大提高操作速度[1]。
Protel对微机的软硬件配置要求很低：
cpu在8088以上，dos2.0以上版本，内存640kb以上，双软件（或一个软件一个硬盘），单色显示器（多层板设计时最好用彩色），各种兼容打印机。
也能在Windows9X平台的模拟DOS下运行。
Protel已成为印制板设计加工方面的工业标准。
据初步统计protel在CAD的市场占有率达95%，成为电子产品制造业界的首选CAD软件。
4.3系统软件分析
任何一个应用系统，它们都有着自己的硬件系统和软件系统，少了任何一个部分都不可能称之为一个完整的应用系统，它们之间是相互依存的一个整体，硬件系统是软件系统的一个基础和前提，为软件系统提供了一个操作平台；而软件系统是硬件系统的灵魂，它对硬件系统起到扩充和完善的作用。
可想而知软件系统与硬件系统同等重要，下面为系统软件设计过程：
4.3.1抢答器显示模块选择
显示模块主要是显示抢答的时间，组别号码等。
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。
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。
4位七段数码管显示电路如下图所示。
图4-14位七段数码管显示电路图
上图中数码管采用的是4位一体七段共阳数码管，其中A~H段分别接到单片机的P0口，由单片机输出的P0口数据来决定段码值，位选码COM1，COM2，COM3，COM4分别接到单片机的P2.0，P2.1，P2.2，P2.,3，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。
在图中还有一个排阻，连接在P0口上，用作P0口的上拉电阻，保证P0口没有数据输出时候处于高电平状态。
通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口低4位为字选段输入段。
在这里我们通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字。
4.3.2控制器选择
控制器主要用于对显示、抢答、音乐、计分等模块进行控制。
采用ATMEL公司的AT89S51作为系统控制器的CPU方案。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
图4-2AT89S51元件图
4.3.3键盘选择
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。
本设计采用独立式键盘
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。
如图2-2。
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。
图4-3抢答按键及调整按键
4.3.4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4-4外部振荡源电路
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。
4.3.5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，其电路图如下所示：
图4-5复位电路
4.3.6报警电路
我们知道，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。
本文设计如下图所示。
图中单片机的14脚输出具有复合功能，此处用到了单片机14脚的IO端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。
图4-6发声电路
4.4程序流程图
4.4.1主程序流程图：
图4-7主程序流程图
4.4.2中断流程图：
图4-8中断流程图
4.4.3抢答时间调整流程图
中断返回
数码管显示8号选手编号，蜂鸣器响
数码管显示7号选手编号，蜂鸣器响
数码管显示6号选手编号，蜂鸣器响
数码管显示3号选手编号，蜂鸣器响
数码管显示1号选手编号，蜂鸣器响
数码管显示2号选手编号，蜂鸣器响
图4-9抢答时间调整流程图
5系统调试过程
通过上面的硬件设计和软件设计过程，设计的工作已经基本完成，接下来的工作就是对所设计好的应用系统进行调试。
通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改。
5．1绘制protel原理图
图5-1protel原理图
5．2ERC电气规则检查
图5-2ERC电气规则检查结果
5．3生成PCB图
图5-4系统PCB图
5．4protues调试
图5-5protues仿真图
结论
本课程设计设了八路多功能抢答器，采用了通用的电子元器件，利用AT89S51单片机及外围接口实现抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。
单片机内部程序用C语言进行编写。
设计时，首先通过在KEIL环境中编程，然后调入protues单片机中仿真，完全实现了设计功能。
致谢
在陈飞老师的指导下，我完成了本次设计。
本设计从选题到完成，每一步都是在他的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。
另外，本设计的完成也离不开其他老师和各位同学给我的建议和帮助，是他们让我明白了团队合作的精神。
在此，我谨向陈飞老师和帮助过我的老师和同学们，表示崇高的敬意和衷心的感谢！
参考文献
[1]《Protel99SEEDA技术及应用》徐峥颖编著，北京：
机械工业出版社，2005
[2]《单片机系统的protues设计与仿真》张靖武编著，北京：
电子工业出版社，2007
[3]《单片机原理及接口技术》李朝青编著，北京：
北京航空航天大学出版社，2005
[4]《MCS-51单片机应用开发实用子程序》边春远编著，北京：
人民邮电出版社，2005
附C语言程序：
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
/*-----------------------------------------------------------
共阴极数码管编码表0-f显示
------------------------------------------------------------*/
unsignedcharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,
0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,
0xc6,0xa1,0x86,0x8e};
/*-----------------------------------------------------------
变量定义
------------------------------------------------------------*/
sbitstart=P3^6;
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sbitkey8=P1^7;
sbitbuzzer=P3^4;
bitstart_flag=0;
bitstop_flag=0;
bi
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