微机原理与接口技术课程设计之竞赛抢答器.docx

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微机原理与接口技术课程设计之竞赛抢答器

清华大学

微机原理与接口技术课程

设计

题目___竞赛抢答器课程设计_____

学生姓名刘闯

专业班级10计科2班

学号201015056

所在系信息工程学院

指导教师曾毅

完成时间2013年1月1日

郑州科技学院

微机原理与接口技术课程设计任务书

题目竞赛抢答器课程设计

专业计算机科学与技术班级_10计科2班__

学号201015056姓名刘闯

1、基本要求

设计一个具有8路抢答的抢答器，利用并行接口和开关键。

逻辑开关K0---K7代表抢答按钮，当某个逻辑开关闭合时，相当于抢答按钮按下，此时在七段数码管上将其号码显示出来，并使喇叭响一声（或者以发光二极管代替）。

二、设计任务

启动计算机，计算机自动为系统各芯片进行初始化，抢答器开始工作。

比赛开始，在主持人按下开始键，绿灯亮后，选手才可开始抢答，否则违规。

若选手抢答成功，LED显示器显示选手号码，扬声器鸣叫。

若选手抢答违规（主持人未按开妈键），LED显示器显示违规选手号码，红灯亮，扬声器报警，并根据比赛规则进行对该选手进行扣分。

若系统提示某号选手抢答违规，主持人仍未按开始键，此时该号选手又按下抢答键，LED显示器显示该选手的号码。

本系统开机后，若主持人既未按复位键又未按开始键，此时有选手按下抢答键，系统提示红灯亮，并报警。

1、抢答成功，置8253通道2计数值为1000，扬声器的鸣叫声音频率为1MHz/1000=1KHz。

2、抢答失败，置8253通道2计数值为2000，扬声器的鸣叫声音频率为1MHz/2000=0.5KHz。

3、扬声器鸣叫或报警的时间为12s。

三、设计时间

___2012__年__12__月__31__日至__2013___年__1__月__4__日

指导教师：

教研室主任：

一课程设计的目的和要求.........................2

二总体设计.....................................2

三硬件电路设计.................................4

四软件设计.....................................9

五仿真调试.....................................20

六源程序.......................................22

七总结.........................................28

八参考文献....................................30

一、课程设计的目的和要求

单片机原理及应用课程设计是学生综合运用所学知识，全面掌握单片微型计算机及其接口的工作原理、编程和使用方法的重要实践环节。

通过独立或协作提出并论证设计方案，进行软、硬件调试，最后获得正确的运行结果，可以加深和巩固对理论教学和实验教学内容的掌握，进一步建立计算机应用系统整体概念，初步掌握单片机软、硬件开发方法。

根据单片机原理及应用课程的要求，主要进行两个方面的设计，即单片机最小系统和存储器扩展设计、接口技术应用设计。

其中，单片机最小系统主要要求学生熟悉单片机的内部结构和引脚功能、引脚的使用、复位电路、时钟电路、4个并行接口和一个串行接口的实际应用，从而可构成最小应用系统，并编程进行简单使用。

存储器扩展设计要求学生掌握常用半导体芯片与单片机的接口，如EPROM存储器用作外部程序存储器时与单片机的连接关系，SRAM存储器用作外部数据存储器时与单片机的连接关系，E2PROM存储器用作外部程序/数据存储器时与单片机的连接关系。

能合理分配和使用单片机的内部和外部存储器，编程实现正常的读写功能。

在进行智力竞赛时，为了具有一种反应准确显示方便的抢答装置，下面设计了一种带有定时功能的多路抢答器。

1、八路抢答，各用一个抢答按钮；

2、设置一个控制开关，该开关由主持人控制；

3、具有数据锁存和显示功能，抢答开始后若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持到系统清零为止；

4、当主持人按下“开始”按钮，抢答开始。

5、当某一路抢答成功时，在数码管上显示成功信息和该路的号数；

6、当某一路抢答违规时，能在数码管上显示违规信息和号数；

可扩展以下功能：

7、具有定时抢答的功能，选手在设定的时间内抢答有效，且一次抢答的时间设定为30秒，超时扬声器报警；

8、定时抢答的时间到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答，时间显示器上显示00。

9、开始开关未动作，在数码管上显示出选手的编号和抢答时刻，同时扬声器给出音响提示，选手抢答无效，并报警，系统复位，重新开始。

二、总体设计

该系统采用51系列单片机AT89C51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。

由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。

整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。

MCS-51单片机特点如下：

<1>可靠性好：

单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令和数据都可以写在ROM里，许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高，易扩充。

<2>单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。

<3>控制功能强：

单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。

其原理框图如下:

如图所示为电路框图。

其工作原理为：

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；主持人将开关置，“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“开始、停止”状态开关。

（一）功能介绍

1、如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节"键或"答题时间调节"键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"加1s"键,如果想减一秒按一下"-1s"键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s~99s,0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

2、主持人按"抢答开始"键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设30s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并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5s会每秒响一下提示音。

3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按"停止"按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按"抢答开始"进入下次抢答计时。

4、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FF和犯规号数并响个不停，直到按下"停止"键为止。

5、P3.0为开始抢答，P3.1为停止，p1.0-p1.7为八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抢答时间调整结，P3.3回答时间调整，P3.4为时间加1调整，P3.5为时间减1调整。

（二）抢答器的工作原理

抢答器的工作原理是利用单片机的定时器T0、T1中断完成,其余状态循环调用显示子程序,用4个共阴极LED数码管来显示，用P0口作为数码管的八个段选，用P2口中的P2.0、P2.1、P2.2、作为4个数码管其中3个位选，P1口接8个按键，提供选手抢答，P3.0-P3.5四个接四个按键，提供开始、结束、答题时间调整、抢答时间调整，加1、减1调整之用。

抢答功能：

通过八路按键配合程序来实现抢答功能。

当主持人按下抢答键开始抢答后，此时任一路按下按钮均闭锁其它各路，由程序对键盘译码并显示最先按下抢答键的路数及其当前时间。

抢答限时：

主持人按下抢答键后，设置30秒为抢答时间（此时间可在1-99秒之间修改）。

若30秒内无人抢答，倒计时为5时发出报警，说明该抢答题目作废。

此时闭锁所有抢答按键，只有当主持人再次按下抢答键开始下一次抢答方可抢答。

答题限时：

当选手按下按钮时，启动倒计时（此倒计时时间可在1～99秒之间修改），倒计时为5时发出报警，说明答题时间到。

三、硬件电路设计

1.原理图的确定

单片机实现抢答的原理图：

抢答电路的接口电路

2.抢答器电路

参考电路如上图所示。

该电路完成两个功能：

一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。

如有再次抢答需由主持人将S开关重新置,“清除”然后再进行下一次抢答。

3.时序控制电路设计

a.主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。

b.当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作

4.复位电路的设计

外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。

复位电路如图3所示：

复位电路原理图

5.晶振电路的设计

MSC-51单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计中采用内部时钟方式。

单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。

时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。

一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，如图2-2所示。

加电以后延时一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，图中Y1为晶振，震荡产生的时钟频率主要由Y1确定。

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起微调作用，典型值为30pF。

晶振电路的设计如图2-2所示：

晶振电路原理图

6.报警电路设计

报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。

一般喇叭是一种电感性图5报警电路图。

8951驱动喇叭的信号为各种频率的脉冲。

因此，最简单的喇叭驱动方式就是利用达林顿晶体管，或者以两个常用的小晶体管连接成达林顿架势。

在右图中电阻R为限流电阻，在此利用晶体管的高电流增益，以达到电路快速饱和的目的。

不过，如果要由P0输出到此电路，还需要连接一个10K的上拉电阻。

选手在设定的时间内抢答时，实现：

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作"清除"和"开始"状态开关。

7.选手抢答键（矩阵式键盘）

AT89C51的P1口做一个为选手抢答的输入按键引脚，P1.0至P1.7轮流输出低电位，给每一个选手编号1至8，当选手按下按钮时，P1口个端口的电平变化从P1口输入，经单片机处理后从P0输出由数码管显示抢答者编号。

8.显示与显示驱动电路

此电路包括显示和驱动，显示采用数码管，驱动用P