基于单片机控制竞赛抢答器的设计.docx
《基于单片机控制竞赛抢答器的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机控制竞赛抢答器的设计.docx(32页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于单片机控制竞赛抢答器的设计
郑州科技学院
专科毕业设计(论文)
题目基于单片机控制竞
赛抢答器的设计
专业班级08级应用电子技术2班
学生姓名梁萌
学号200805135
所在系电气工程系
指导教师张亚超
完成时间2010年12月22日
郑州科技学院
毕业设计(论文)任务书
题目基于单片机控制竞赛抢答器的设计
专业应用电子技术学号200805135姓名梁萌
主要内容:
(一)编写毕业设计论文;
(二)设计和制作基于单片机控制竞赛抢答器
1.原理图分析和设计;
2.PCB图的生成和布线;
3.编写单片机源程序;
4.制并调试实物。
(三)编写使用说明书
基本要求:
1.8人抢答,先抢有效;
2.用单片机控制数码管显示抢答有效案件标号;
主要参考:
1、《电子元器件》
2、《电子技术》
3、Prote199SE绘图软件及相关资料。
4、《单片机原理及应用》
完成期限:
2011年4月10日
指导教师签名:
张亚超
评审小组负责人签名:
2010年10月25日
郑州科技学院毕业设计(论文)
开题报告表
课题名称
基于单片机控制竞赛抢答器的设计
指导教师
张亚超
学生姓名
梁萌
学号
200805135
专业
应用电子技术
一、课题来源
指导老师命题范围内选题
二、设计目的
生活中,竞赛抢答器的应用很多,例如竞赛、答题、娱乐活动等等。
市面上也有很多抢答器,但是大部分都是逻辑电路设计的,逻辑电路设计的抢答器存在一定的缺陷:
比如几个人同时抢时优先编码器便会输出优先级比较高的那个号码,从而会造成比赛不公现象;另外,逻辑电路的反应也比较慢。
因此我想制作一个基于单片机控制的抢答器,通过程序来判断优先抢答,并且还能加快其运行速度。
三、设计要求
1.8人抢答,先抢有效;
2.用单片机控制数码管显示抢答有效案件标号;
四、设计思路
把P1口当作输入端。
用循环程序查询P1口,并检查其是否不为0。
为0时继续查询;不为0时跳转到处理程序(检测是否有一个或几个人同时抢答),同时封锁P1口,然后显示抢答人号码。
用P0口和P2口输出显示(两个数码管)。
Rst引脚接复位开关。
P3.2引脚接开始抢答开关。
复位后单片机处于一个查询P3.2引脚的状态(即待机状态)。
只要有信号产生马上跳转到循环程序,查询抢答情况,这时选手就可以抢答了。
五、时间安排
第一阶段:
2010年月10月18日前毕业设计(论文)题目上报指导老师
第二阶段:
2010年月10月25日前接受毕业设计任务书,学习毕业设计(论文)要求及有关规定,收集资料、开始撰写开题报告
第三阶段:
2010年11月1日前上交开题报告,由指导老师审阅
第四阶段:
2010年12月15日前利用Protel99se绘制原理图并生成PCB,完成元器件的购买,调试实做,并收集资料,开始设计并撰写论文,初稿完成
第五阶段:
2010年12月15日至2011年3月20用不同方式与指导老师交流,沟通毕业设计进展情况
第六阶段:
2011年3月下旬完成并提交正式毕业设计成果
指导教师签名:
张亚超日期:
2010.10.28
基于单片机控制竞赛抢答器的设计
摘要
抢答器作为一种工具,已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率较低,且有的要么制作复杂,要么可靠性低。
作为一个单位,如果专门购一台抢答器虽然在经济上可以承受,但每年使用的次数极少,往往因长期存放使(电子器件的)抢答器损坏,再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展,因此设计了本抢答器。
本设计是以八路抢答为基本理念。
考虑到依需设定限时回答的功能,利用AT89S52单片机及外围接口实现的抢答系统,利用单片机的软件定时原理,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。
用开关做键盘输入,LED灯亮提示。
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视为无效;回答问题的时间设定在60s;可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答;回答问题时间倒记时显示,满时后系统会自动音乐报警;在无效抢答后,中断锁定,再抢答为无效。
关键词AT89S52/LED/数码管/抢答器/计时
BASEDONSINGLE-CHIPMICROCOMPUTERCONTROL
THEDESIGNCOMPETITIONVIES
ABSTRACT
Scare-answeringdeviceasatool,hasbeenwidelyappliedinallkindsofintelligenceandknowledgecompetitionsituation.Butviestoimplementusefrequencyisquitelow,andsomeeithermakecomplicatedorlowreliability.Asaunit,ifspecializedpurchasedaviestoimplementwhereaseconomicallymayinherit,buteveryyearthenumberoflittleuseforlong-termstorage,oftenmake(electronics)viesisdamaged,againthepurchaseoftroubleandtimelinesswillaffectactivities,sothiscontestwasdesigneddevice.Thisdesignis8viesforbasicideas.Consideringaccordingtoneedtosetlimittoanswerfunction,usingAT89S52SCMandperipheryinterfaceimplementationofscare-answeringsystem,usingtheMCUsoftwareregularlyprinciple,softwareandhardwareorganically,andmakesthesystemcancorrectlytothetime,atthesametimemakingdigitaltubecanproperlyshowsthetime.Withaswitchdokeyboardinput,LEDlightshints.Andthesystemcanrealize:
inthecontest,onlyafterthestart,ifresponderabilityeffectiveatthestartoftheresponderresponderdeemedbefore,Answerproblemoftimesettinginthe60s,Canshowwhatrunnerseffectiveviesandinvalidvies,Answerthequestiontime,fulldisplaygumbosliddownafterthesystemwillautomaticallyalarmmusic,Theinvalidvies,interruptlocking,afteragainviestobenullandvoid.
KEYWORDSAT89S52,LEDdigitaltube,scare-answeringdevice,timer
1绪论
1.1课题研究的相关背景
抢答器是一种应用非常广泛的设备,在各种竞赛、抢答场合中,它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成,能通过发光管的指示辩认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路,并增加了许多新功能,如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
本课题利用AT89S52单片机及外围接口实现的抢答系统,利用单片机软件定时原理,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和选手号码。
用开关做键盘输入,LED灯亮提示。
系统达到要求:
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;回答问题的时间为60S;可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答,正确按键后有音乐提示;回答问题时间倒记时显示,时间完后须由主持人复位。
1.2选题的目的和意义
通过这次设计,掌握51单片机的原理,了解简单多功能抢答器组成原理,初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法,提高动手能力和排除故障的能力。
同时通过本课题设计与装配、调试,提高自己的动手能力,巩固已学的理论知识,建立单片机理论和实践的结合,了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响,从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
提高动手能力和排除故障的能力。
1.3课题研究的内容
本系统采用模块化设计智能抢答器,在抢答比赛中广泛应用,各组分别有一个抢答按钮。
主持人有开始和复位键。
在主持人按键开始后,选手开始抢答为有效,数码显示屏显示抢答选手号,在最后十秒数码管闪烁并伴有扬声器发生提示。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规,数码显示屏显示犯规者的代号并且闪烁,扬声器持续发生提示犯规。
主持人可按复位键结束,新一轮抢答开始。
通过研究并在设计验证后发现,采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比,首先,电路连接简单,因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部,第二,工作性能可靠,抗干扰能力优于目前抢答器。
所以本研究是一个实用的工程设计,具有创新性。
1.4国内外研究现状
抢答器作为一种电子产品,早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合,但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低,实现起来很困难;有的则用一些专用的集成块,而专用集成块的购买又很困难。
为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器,这种抢答器具有电路简单,元件普通,易于购买等优点,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。
在国内外已经开始了普遍的应用[1]。
1.5抢答器目前存在的主要问题
随着改革开放事业的不断深入,促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样,抢答器作为一种工具,已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率校低,且有的要么制作复杂,要么可靠性低,减少兴致。
作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受,但每年使用的次数极少,往往因长期存放使(电子器件的)抢答器损坏,再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
而且目前多数抢答器存在3个不足之处[2]:
第一,现场线路连接复杂。
因为每个选手位于抢答现场的不同位置,每个选手与控制台之间要有长长的连接线。
选手越多,连接线就越多、越乱,这些连接线不仅影响了现场的美观,而且降低了抢答器的可靠性,增加了安装的难度,甚至影响了现场人员的走动。
第二,电路复杂。
因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能,其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。
采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时,电路的延迟时间较大。
第三,选手抢按成功,但出现没有抢答被记录的问题。
2抢答器的系统概述
2.1系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器,包括8路抢答按钮、计时显示、提示功能、开始与复位控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等(根据需要也可另设或多设相关功能)。
参赛者系统,除享有抢答按钮的权利功能外,还有人性化的提示功能和时间提示功能,也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等;主控系统的控制按钮做开始与结束控制,根据活动参赛者的层次,对提前抢答者的行为设定为非法或阻隔,若设有非法抢答控制功能时,在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号,对回答问题限时设为倒计时,并有显示提示。
系统的主要功能模块方框图如图2-1所示。
图2-1系统主要功能模块
本系统采用模块化设计的八路抢答器,在抢答比赛中广泛应用,各组分别有一个抢答按钮。
一共有8个按键输入,分别对应8路选手的抢答按键。
主持人有开始和复位(结束)键。
主持人按键开始后,选手开始抢答为有效,数码显示屏显示选手号。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规,数码显示屏显示犯规者的代号,扬声器持续发声。
主持人可按键结束,新一轮抢答开始。
单片机是整个抢答器的核心,内部电路设计用汇编语言编写。
它完成了时间参数的设定,抢按号码的译码,保存;显示;输出,抢按及答题倒计时功能等。
本设计中,有两个共阳数码管。
其中一个显示抢答号码,倒计时开始后显示两个共同显示倒计时时间。
主持人依次按下复位键(RESET),开始键后开始抢答。
若有选手抢按成功,则可以开始答题,数码管显示选手号码,十秒后显示抢答时间。
若在按开始键前抢答表示违规,扬声器发声同时数码管闪烁显示选手号码。
2.2系统需求分析
1、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。
2、回答问题的时间为60S。
3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答。
4、回答问题时间倒记时显示,时间完后由主持人复位。
5、回答问题时间最后10S闪烁并发声提示选手。
2.3抢答器的工作流程
抢答器的基本工作原理[3]:
在抢答竞赛或呼叫时,有多个信号同时或不同时送入主电路中,抢答器内部的寄存器工作,并识别、记录第一个号码,同时内部的定时器开始工作,记录有关时间并产生超时信号。
在整个抢答器工作过程中,显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。
抢答器的工作流程分为:
系统复位、正常流程、违例流程等几部分,如图2-2所示,下面分别予以介绍。
图2-2抢答器工作流程
2.4抢答器的工作过程
1、主持人按“抢答开始”键,立刻进入抢答状态,如有选手抢答,会显示其号数并立刻进入回答倒计时(预设60S抢答时间),不进行抢答查询,所以只有第一个按抢答的选手有效。
倒数时间到小于10S会每秒响一下提示音并且数码管闪烁一下。
2、如倒计时期间,主持人想停止倒计时可以随时按“复位”按键,系统会自动进入预备状态,等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。
3、如果主持人未按“抢答开始”键,而有人按了抢答按键,犯规抢答,LED上不断闪烁犯规号数并响个不停,直到按下“复位”键为止。
总而言之,本课题利用AT89S52单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器,该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本,是一个实用的工程设计。
3器件选型方案及详细清单
微控制器选用ATMAL公司生产的AT89S52,该芯片货源充足,并且价格也比较便宜。
见附录3。
3.1AT89S52特殊功能寄存器
特殊功能寄存器也称专用寄存器[4],是具有特殊功能的所有寄存器的集合,简称SFR(SpecialFunctionRegister)。
特殊功能寄存器共含有22个不同寄存器。
它们的地址分配在80H~FFH中,即在RAM地址中。
这些寄存器的名称和地址见表。
表3-1AT89S52特殊功能寄存器列表
符 号
地 址
注 释
*ACC
E0H
累加器
*B
F0H
乘法寄存器
*PSW
D0H
程序状态字
SP
81H
堆栈指针
DPL
82H
数据存储器指针低8位
DPH
83H
数据存储器指针高8位
*IE
A8H
中断允许控制器
*IP
D8H
中断优先控制器
*P0
80H
端口0
*P1
90H
端口1
*P2
A0H
端口2
*P3
B0H
端口3
PCON
87H
电源控制及波特率选择
*SCON
98H
串行口控制器
SBUF
99H
串行数据缓冲器
*TCON
88H
定时器控制
TMOD
89H
定时器方式选择
TL0
8AH
定时器0低8位
TL1
8BH
定时器1低8位
TH0
8CH
定时器0低8位
TH1
8DH
定时器1高8位
注:
带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器
虽然特殊功能寄存器地址在80H~FFH之中,但在80H~FFH的地址单元中,不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用,未被占用的单元,其内容是不确定的,如果对这些单元进行操作,得到的是一些随机数,而写入则无效。
所以,用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元,它们是公司留待将来开发新产品时使用的。
3.2AT89S52的功能及简介
AT89S52单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。
它最大特点是片内含有Flash存储器,用途十分广泛,特别是在生产便携式商品,手提式仪器等方面,有着十分广泛的应用[5]。
AT89S52单片机内部主要有以下部件:
8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。
AT89S52是89系列单片机的标准型,它是与MSC-51系列单片机兼容的。
在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器,可进行1000次擦写操作。
全静态工作为0-24MHZ,有3级程序锁存器,内部含有128-256字节的RAM,有32条可编程I/O口线,2-3个16位定时/计数器,6-8个中断源,通用的串行接口,低电压空闲及电源下降方式。
AT89S52单片机内部由CPU、4KB的FPEROM,128B的RAM,两个16位的定时/计数器T0和T1,4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。
单片微机内部最核心的部分是CPU。
CPU主要功能是产生各种控制信号,控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等,CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。
控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。
它的功能是对来自存储器中的指令进行译码,通过实时控制电路,在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号,使各部分协调工作,完成指令所规定的操作。
运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW,BCD码运算调整电路等组成。
图3-1AT89S52单片机的内部结构图
AT89S52的主要性能包括:
AT89S52与MCS—51控制器系列产品兼容,片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器(FlashMemory),存储器可循环写入/擦除1000次;存储器数据保存时间可达10年;工作电压范围宽:
Vcc可由2.7V到6V;全静态工作可由0Hz到16MHz;程序存储器具有3级锁存保护;128*8位内部RAM;32条可编程I/O线;两个16位定时器/计数器;中断结构具有5个中断源和2个中断优先级;可编程全双工串行通信;空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
3.3抢答器的优点及组成
在知识比赛中,特别是做抢答题目的时候,在抢答过程中,为了知道哪一组或哪一位选手先答题,必须要设计一个系统来完成这个任务。
如果在抢答中,靠视觉是很难判断出哪组先答题。
利用单片机系统来设计抢答器,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。
本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理,以及它的实际用途。
系统工作原理本系统采用AT89S52单片机作为核心。
控制系统的四个模块分别为:
存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块。
该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号;利用存储程序来完成软件的设计;利用2个七段共阳数码管来完成显示功能。
工作时,用按键通过开关电路输入各路的抢答信号,经单片机的处理,输出控制信号,控制七段共阴数码管和喇叭工作。
在数码管上显示哪一组先答题,从而实现整个抢答过程。
本章主要讲述了抢答器的工作原理和本设计系统的工作流程。
在说明工作原理的过程中,突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能;在说明系统的流程时,结合本设计的内容,指出了参数设置的方法和意义。
抢答正常流程与违例流程的实现,以及如何进行抢答控制。
同时也说明了抢答器的优点和AT89S52的功能及简介。
4系统总体方案的设计
4.1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[6]:
(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AT89S52单片机。
(4)RAM空间,AT89S52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时就预留出一些I/O端口,虽然当时空着没用,那么用的时候就派上用场了。
4.2总体原理图
图4-1系统原理图
图中U1为单片机AT89S52,K1~K8分别为8路抢答按键,分别接到单片机的P1.0~P1.7中。
开始按键与复位按键分别接到单片机的12、9脚,这里用到其第二功能。
两个七段数码管分别选P0口和P2口。
两个七段数码管的公共极接电源,蜂鸣器输出为P3.0口[7]。
4.3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。
时钟电路如图4-2所示。
图4-2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3