基于51单片机的六路智能抢答器设计.docx
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基于51单片机的六路智能抢答器设计
基于51单片机的六路智能抢答器设计
摘要
在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。
利用单片机来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。
能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式。
实现抢答器功能的方式有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。
本文利用AT89C51单片机及外围接口设计了一个六路抢答器。
关键词：
AT89C51LED数码管抢答器计时报警
Designofsixwayintelligentresponderbasedon51singlechipmicrocomputer
Abstract：
Intheanswer,onlybypeople'svisionisdifficulttodeterminewhichgroupfirstanswer.Usingsingle-chipmicrocomputertodesignresponder,sothattheaboveproblemscanbesolved,evenifthetwogroupsofrespondertimedifferencebetweenafewmicroseconds,youcanidentifywhichgroupofpriorityquestions.Therearemanywaystorealizethefunctionofresponder,whichcanbesimulatedbymeansofanalogcircuits,digitalcircuitsoranaloganddigitalcircuits.Therearemanywaystorealizethefunctionofansweringdevice,andtheearlyanalogcircuit,digitalcircuitoranalogdigitalmixedcircuitcanbeadopted.ThispaperusesAT89C51microcontrollerandperipheralinterfacetodesignasixwayresponder.
Keywords:
AT89C51LEDdigitaltuberesponder,timingalarm
第一章系统总体方案的设计
1.1硬件电路的设计
本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。
只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。
为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：
（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。
（2）留有设计余地。
在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。
因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
（3）程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。
（4）RAM空间，AT89C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。
如选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM.如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264，62256等。
随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。
（5）I/O端口：
在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。
如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。
如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。
1.2总体原理图
图1-1系统原理图
P1.0为开始抢答，P1.7为停止，P1.1-P1.6为六路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。
P3.2为时间加1调整，P3.3为时间减1调整。
1.3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。
如图1-2所示。
图1-2为外部振荡源电路
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。
C1,C2的典型值为30PF。
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,常用fosc表示。
如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12µs。
1.4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，其电路图如图1-3所示。
图1-3复位电路
值得注意的是,在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值,而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能,该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。
软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。
1.5显示电路的设计
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。
1.5.1显示模块在系统软件中的安排
操作者主要设计从显示设备上获取微机系统的信息的，因此，操作者每操作一下，显示设备商都应该有一定的反应。
这说明，显示模块与操作有关，即监控程序是需要调用显示模块。
不同的操作需要显示不同的内容，这又说明各执行模块对显示模块的驱动方式是不同的。
另一方面，在操作者没有进行操作时，显示内容也是变化的，如显示现场各物理量的变化情况。
这时显示模块不是由操作者通过命令键来驱动，而是由各类自动执行的功能模块来驱动。
自动执行的各类模块在安排在各种中断子程序中，这就是说，各种中断子程序也要调用显示模块。
如果监控安排在中断子程序中，两者的要求就统一了，问题比较好解决，如果监控程序安排在主程序中，在监控程序调用显示模块的过程中发生了中断，中断子程序也调用显示模块，这时就容易出问题。
一种比较妥善的办法是只让一处调用显示模块，其他各处均不得直接调用显示模块，但有权申请显示。
这就要设置一个显示申请标志，当某模块需要显示时，将申请标志置位，同时设定有关显示内容（或指针）。
由于一处调用显示模块，故不会发生冲突。
为了使显示模块能及时反应系统需要，应将显示模块安排在一个重复执行的循环（如监控循环或时钟中断子程序）中。
当监控程序（键盘解释程序）安排在时钟中断子程序中时，处理比较方便，只要在监控程序的汇合处调用显示模块就可以了。
例如用DISP作显示申请标志，就可以这样安排显示模块的调用，即
DISPBIT2DH.4；显示申请标志
SKEYEND:
JNBDISP,RETI0；有显示申请否？
LCALLDISPLAY；调用显示模块，更新显示内容
CLRDISP；清除申请
RETI；中断返回
KEYEND为键盘解释程序的最后汇集点，这时如果发现有显示申请，就进行集中操作，更新显示内容，否则就跳过这一步。
这里将显示功能集中到一起，作为一个功能模块，就要求它的功能全面，能根据系统软件提供的信息自动完成显示内容的查找，变换和输出驱动。
这样设计使得各功能模块都不必考虑显示问题，只要给出一个简单的信息（如显示格式编码）甚至不用再提供额外信息，直接利用当前状态变量和软件标志就可以完成所需的显示要求。
如果编写这样一个集中显示模块有困难，也可以将显示模块编小一些，只完成显示缓冲区的内容输出到显示器件上的工作。
这时各功能模块在提出显示申请时，还需要将显示内容按需要的格式送入显示缓冲区中。
这样分而治之比较容易编程，但要小心出现显示混乱。
例如后台程序需要调用显示，将有关信息送入到现实缓冲区进行显示；中断返回后，后台程序继续送完后半部分显示内容，但前半部分内容已经变了，这样就出现了显示错误。
解决的办法是，在申请显示前，先检查是否已经有显示申请，如果有，就不再申请，等待下次机会；如果没有，则先申请标志位，再将显示内容送入显示缓冲区。
这时就不必担心其他前台模块来打扰了，就可以得到一次完整的显示机会。
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。
并通过查表法，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3位为字选段输入端。
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，如图1-4所示。
MOVA,R5
MOVCA,@A+DPTR；查字型码
MOVP2,#01H；送位选码
MOVP0,A；送字型码
ACALLDELAY；调延时，去闪烁
图1-4共阴极数码管
在七段数码管显示中可分为共阳极和共阴极两种类型极。
以共阴为例，要想a段亮，向a段送1就是，返之送0，共阳刚好相反。
1.6键盘扫描电路的设计
键盘是人与微机系统打交道的主要设备。
关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。
站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。
在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。
如图1-5所示。
图1-5独立键盘
它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，
一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。
其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”
现象。
这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：
因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间（这里我们取10ms）后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。
1.6.1键盘抖动的软件处理
按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这是触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。
现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms，例如取10-20ms。
如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。
如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。
1.7发声
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矩形波，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。
1.8系统复位
使CPU进入初始状态，从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。
从实现系统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。
硬件复位必须通过CPU外部的硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。
上电复位，人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。
硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对片内通用寄存器的内容没有影响。
但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。
软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。
对各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。
而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。
有的编程人员用020000（LJMP0000H）作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。
软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位，它将阻止同级中断响应。
由于软件看门是高级中断，它将阻止说要中断响应，由此可见清除中断激活标志的重要性。
在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。
前文各处提案到的出错处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。
这部分程序如下：
POWERDATA67H；上电标志存放单元
ERR:
CLREA；关中断
MOVDPTR,#ERR1；准备返回地址
PUSHDPL
PUSHDPH
RETI；清除高级中断激活标志
ERR1:
MOVPOWER,#0AAH；重建上电标志
CLRA；准备复位地址
PUSHACC；压入复位地址0000H
PUSHACC
RETI；清除低级中断激活标志，从程序0000H开始执行。
这段程序先关中断，以便后续处理能顺利进行，然后用两个RETI指令代替两个LJMP指令，从而清除了两级中断激活标志。
有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全部激活两个标志，这也无妨。
第二章软件设计
2.1主程序系统结构图
图2-1软件系统结构图
2.2软件任务分析
软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。
软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。
从软件的功能来看可分为两大类：
一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。
这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。
软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义）。
在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。
各执行模块规划好后，就可以监控程序了。
首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。
相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。
这如同当一名操作工人比较容易，而当一个厂长就比较难了。
软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。
整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。
后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。
也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。
2.3程序流程图
在本设计中包括了以下八个主要的程序：
主程序；非法抢答序；抢答时间调整程序；回答时间调整程序；倒计时程序；正常抢答处理程序；犯规处理程序；显示及发声程序。
主流程图如2-2所示。
图2-2主程序图
致谢
我历时将近两个月时间终于把这篇论文写完了，在这段充满奋斗的历程中，带给我的学生生涯无限的激情和收获。
在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。
在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师给我提供了很多方面的支持与帮助，尤其要强烈感谢我的论文指导老师—xx老师，没有她对我进行了不厌其烦的指导和帮助，无私的为我进行论文的修改和改进，就没有我这篇论文的最终完成。
在此，我向指导和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢！
同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成本篇论文的最终写作。
至此，我也要感谢我的朋友和同学，他们在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！
金无足赤，人无完人。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正！
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