八路抢答器课程设计 定稿.docx

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八路抢答器课程设计定稿

电子与电气工程学院

课程设计报告

课程名称单片机或PLC编程

设计题目基于单片机的八路抢答器设计

专业名称自动化

班级134

学号

学生姓名

指导教师

2016年5月31日

电气学院单片机或PLC课程设计

任务书

设计名称：

基于单片机的八路抢答器设计

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

自2016年5月17日起至2016年5月31日止

一、课程设计目的

设计一种基于单片机技术的主要为了实现抢答、定时、显示、报警功能的抢答器，其电路由主体电路与扩展电路组成。

二、课程设计任务和基本要求

设计任务：

1.运用单片机技术的理论、技术和器件；

2设置一个控制开关S，由节目主持人控制系统的清零和抢答的开始；

3.抢答器具有数据锁存和显示的功能；

4.抢答器具有定时抢答的功能。

基本要求：

1.能够实现设计任务的基本功能；

2.至少设计两种运用八路抢答器设计的实例；

3.要求依据八路抢答器的任务要求，运用单片机技术的理论设计、制定实验方案，并撰写课程设计论文要求符合模板的相关要求，字数要求3000字以上。

电气学院单片机或PLC课程设计

指导老师评价表

院（部）

电气学院

年级专业

13级自动化

学生姓名

学生学号

题目

基于单片机的八路抢答器设计

一、指导老师评语

二、成绩评定

指导老师签名：

年月日

目录

摘要1

关键字1

1项目概述2

1.1课程设计的目的2

1.2设计要求2

2总体设计2

2.1功能介绍2

2.2、方案论证3

2.2.1、设计思路3

2.2.2、总电路框图4

3电路设计5

3.1、抢答电路5

3.2芯片的选择6

3.3复位电路的设计7

3.4晶振电路的设计8

3.5数码显示管的选择8

3.6报警设计9

3.7八位抢答输入设计9

3.8主持人控制按键10

3.9连接各部件10

4主程序的设计流程图10

5系统调试12

结论14

参考文献14

基于单片机的八路抢答器设计

摘要：

抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发,用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。

该设计数字抢答器就是利用数字电子技术实现的。

主要为了实现抢答、定时、显示、报警功能。

其电路由主体电路与扩展电路组成。

优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。

通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。

当有选手按下按钮时，优先锁存，其他选手在按时无响应，直到主持人按下清零按钮之后，才能开始下一轮的抢答，比较实用。

关键字：

编码；译码；555定时器；抢答器

1项目概述

1.1课程设计的目的

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。

1.2设计要求

1．设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，8个抢答按钮分别用编号S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7来表示。

2．设置一个控制开关S，由节目主持人控制系统的清零和抢答的开始。

3．抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示相应编号，同时扬声器给出音响提示。

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主持人将系统清零为止。

4．抢答器具有定时抢答的功能，一次抢答的时间可以由主持人设定（设为15s）。

当节目支持人按下“开始”按钮后，定时器进行倒计时，并在显示器上显示，同时扬声器发出短暂的声响。

5．参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

6．如果定时时间已到，无人抢答，则本次抢答无效，系统报警，并禁止选手抢答，时间显示器上显示00。

2总体设计

2.1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。

抢答及答题倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

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和--并响个不停，直到按下"停止"键为止。

4、p1.0-p1.7为八路抢答输入数码管段选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.6口。

P3.0为开始抢答，P3.1为停止/复位，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。

2.2方案论证 

2.2.1设计思路 

①根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。

实现这一功能可选择锁存器。

在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。

同时必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。

②当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的编号。

③在没有按下开始按钮前，抢答者的抢答开关无效；当按下开始按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有人抢答，数码管显示该人编号、计时器停止表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无人抢答，则计时指示灯亮、报警器报警，表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。

如图2-1为抢答功能设计框图。

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时每一秒发出一声报警，倒计时为零时说明该抢答题目作废并显示---。

答题限时：

当选手按下按钮时，启动60秒倒计时（此倒计时时间可在1～99秒之间修改），倒计时为5时每一秒发出一声报警，直到为零时该题

答题结束，数码管显示---，等待主持人开始下一次抢答。

图2-1抢答功能设计框图

2.2.2总电路框图

图2-2八路抢答器总电路框图

3电路设计 

3.1抢答电路 

此部分电路主要完成的功能是实现8个选手抢答并进行锁存。

使用优先编码器74LS148和锁存器74LS297来完成。

该电路主要完成两个功能：

一是分辨出抢答的先后，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，其按键操作无效。

工作过程：

开关S置于“复位”端时，RS触发器的R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端=0,使之处于工作状态。

当开关S置于“开始”时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S0），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO =1,七段显示电路74LS48 处于工作状态，QcQbQa=000,经译码显示为0。

此外，CTR=1，使74LS148 优先编码工作标志端＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为CTR=1，使优先编码工作标志端=1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号,保证了抢答者的优先性。

只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。

通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。

抢答模块原理图如图3-1所示。

图3-1抢答原理图

电路功能分析：

（1）优先编码电路（74LS148）分辨出抢答者编号,由锁存器（74LS279）锁存，由译码器（74LS47）显示编号； 

（2）控制电路对输入电路进行封锁，避免其他人两次抢答； 

（3）Space开关置于闭合，显示数码管熄灭（黑屏），置于断开，等待下一轮。

3.2芯片的选择

抢答器电路的核心是MCS-51系列AT89C51单片机，其在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/技术器、I/O接口等功能部件。

如图3-2所示。

发送数据

接收数据

输

入

输

出

设

备

设

备

外部中断源

外部计数脉冲

图3-251单片机的内部系统组成基本框图

VCC（40）：

＋5V；

GND（20）：

接地；

P0口（39－32）：

不外接片外存储器及不扩展时可作为准双向输入/输出接口，扩展是分时复用为低8位地址总线；

P1口（1－8）：

可作为准双向I/O接口使用；P2口（28-21）：

外接及扩展时用作高8位地址总线；

P3口（10－17）：

有两种功能，优先选用第二功能；

RST（9）：

复位输入。

当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间；ALE/PROG（30）：

地址锁存有效信号输出端；

PSEN（29）：

外部程序存储器的选通信号；

EA/VPP（31）：

片外程序存储器选通端；

XTAL1（19）：

内部振荡电路反相放大器输入端；

XTAL2（18）：

内部振荡电路反相放大器输出端。

各引脚位置如图3-3所示。

图3-351系列单片机引脚图

3.3复位电路的设计

RST：

复位端。

单片机的振荡器工作时，该引脚上至少保持连续两个机器周期（24个振荡周期）的高位电平就可以实现系统复位，使单片机回复到初始状态。

该复位电路采用上电自动复位方式，要实现复位只需在51系列单片机的RESET引脚上加上5ms的高电平就可以了。

上电复位是利用电容的充电来实现的，即上电瞬间RESET端的电位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也逐渐增大，充电电流减小，RESET端的电位。

这样就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲的持续时间进行调节。

通常若采用12MHz的晶振时，复位元件参数为10μF的电解电容和10kΩ的电阻。

如图3-4所示。

图3-4复位电路电路图

3.4晶振电路的设计

MCS-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3-5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，图中电容C2，C3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。

图3-5晶振电路图

3.5数码显示管的选择

数码显示管用来作为时间的显示输出，一般用7段数码显示管。

本次设计中采用7段共阴数码显示管应用简单、可靠性高、成本低，作为显示输出。

连接时段选信号接在P0口的P0.0～P0.6七个I/O口上，P1口是准双向I/O接口，在接电阻时选择接10K限流电阻。

而在位选方面采用单片机P2口的P2.0～P2.6七个I/O口作为位选信号的输出口。

图3-6数码显示管

3.6报警设计

当开始抢答或者任一选手非法抢答时，以及抢答及答题到最后五秒时，系统都会发出报警声.如图3-7所示。

图3-7蜂鸣器

3.7八位抢答输入设计

八个按键分别供八位选手使用，当主持人按下开始抢答键后，选手们在第一时间内按下自己的按键，即可进行抢答。

图3-8八位抢答输入电路图

3.8主持人控制按键

主持人控制按键由“开始抢答”、“停止/复位”、“强大时间调整”、“答题时间调整”、“加1”、“减1”六个按键组成。

按动不同的按键就能实现不同的功能。

图3-9控制按键

3.9连接各部件

运行Proteus软件进入其编辑环境。

单击元件列表区的P命令即弹出元器件选择（PickDevices）对话框，调入所需元件仿真库。

将电路中的所用元件从元器件库中调出来，放到绘图区并编辑其属性，接着进行合理的布局后，就可以进行连线了。

和用Protel软件绘制原理图类似，Proteus软件也具有自动捕捉节点和自动布线的功能，连线时当鼠标的指针靠近一个对象的引脚时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”提示符号，点击鼠标左键就可画线了，需要拐弯时点击一下即可，在终点再点击确认一下就画出了一段导线，所有导线画完后，再点击工具栏的按钮，添加上必要的电源和接地符号，原理图的绘制就完成了。

4主程序的设计流程图

图4-1系统主程序流程图

5系统调试

系统调试包括硬件调试和软件调试，硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计错误和工艺故障。

软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。

硬件调试：

在本次课程设计中，我们用到如下元器件：

七段数码显示器7SEG-MPX8-CC-BLUE、芯片74HC245、单片机AT89C51、12个BUTTON按键、2个15P电容CERAMIC、两个晶振CRYSTAL、电解电容MINELECT470N63V、10个10K电阻MINRES10K、并口电阻RESPACK-8、蜂鸣器SOUNDER、电源及接地装置。

软件调试：

1.运用Keil软件调试程序

将Keil软件解压并安装；在Keil中写入（汇编）程序，将其用非中文及.asm为后缀保存下来；调试程序至没有错误；将其Rebuild就可以了。

2.运行

在Proteus中打开画好的图形；分别点击并填写source下的第二项、第一项，接着点击buildall；双击at89c51打开PF加入以.HEX结尾的文件；点击proteus界面左下方的开始按钮即可运行程序。

运行时，若达不到题目要求，则返回去修改程序直至达到要求为止。

图5-1抢答开始前电路图

图5-2正常抢答倒计时电路图

图5-3答题倒计时电路图

结论 

本次历时接近两周的课程设计，我感觉真是受益匪浅啊！

本课程设计让我明白：

在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都明白该设计中每一个步骤式为什么要这样设计，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作式我们成功的一项非常重要的保证。

而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。

设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当繁琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。

设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。

因此我应在设计前做好充分的准备，如查找详细的资料，为我设计的成功打下坚实的基础。

总之，经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。

在课程设计期间我懂得了怎样利用网上的资源和图书馆里的资源，通过网上的资源和图书馆的资源我了解了许多电子元件的工作原理，但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。

通过这次这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。

通过这次练习我有了很多收获。

在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。

在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。

在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

在这里，感谢老师的指导！

参考文献

[1]康华光《电子技术基础》数字部分高等教育出版社2005

[2]王毓银《数字电路逻辑设计》（第三版）高等教育出版社2005

[3]吕思忠，施齐云《数字电路实验与课程设计》哈尔滨工程大学出版社2001

[4]董玉冰《Multsim9在电工电子技术中的应用》清华大学出版社2008

[5]谢自美《电子线路设计实验测试》华中科技大学出版社2000

[6]钱培怡《电子电路实验及课程设计》西安电子科技大学出版社1992

[7]清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编模拟电子技术基础（第四版）高等教育出版社2004