基于51单片机的8路抢答器的设计.docx

1、基于51单片机的8路抢答器的设计摘要随着电子技术的飞速发展，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分 立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未有的速度被单片机智能化控制 所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说智能化控 制与自动控制的核心就是单片机。基于单片机的控制系统已广泛应用于各行业。此次设计提出了以AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简易的八路抢答 器， AT89C51 单片机为主控核心，与晶振、数码管、蜂鸣器等构成八路抢答器，利 用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时器 /计数器等设计的八路抢 答器不仅具有实时显示抢答选手的号码和抢

2、答时间的功能，同时还利用汇编语言编 程，使其实现复位、定时和报警的功能。本次设计的系统实用性强、判断精确、操 作简单、扩展功能强。关键词： 八路 报警 AT89C51 抢答器 定时AbstractWith the rapid development of electronic technology, intelligent control in the electronics field especially automation, traditional discrete components or control system of digital logic circuits, are

3、at an unprecedentedrate sheets replaced by chip computer intelligent control. MCU has small size, functions and advantages of low cost, wide application, it can be said of intelligent control and automation of core is a single chip. Based on single chip microcomputer control system has been widely u

4、sed in various industries.This design made has to AT89C51 single tablets machine for core control components , design a simple of eight - way preemptive answer device , AT89C51 single tablets machine mainly controlled core , and Crystal vibration , and digital tube , and bee Ming device , constitute

5、 eight - way preemptive answer device , using has single tablets machine of delay circuit , and press reset circuit , and clock circuit , and timer counter , design of eight - way preemptive answer device not only has real-time display preemptive answer players of number and preemptive answer time o

6、f function , while also using assembly language programming , makes its implementation reset , and scheduled and alarm of function . The design system of practical, accurate, simple operation and extended functions of judgment.Key words : eight way alarm AT89C51 preemptive an swer time第 1 章 绪 论 11.1

7、选题背景、意义 11.2八路抢答器的功能简介 1第 2 章 系统硬件设计 22.1芯片的选择 22.1.1控制器的选择 22.1.2显示模块的选择 22.1.3键盘的选择 32.2.4芯片最终选择方案 32.2 AT89C51 单片机简单概述 42.2.151 系列单片机的功能特性 42.2.2AT89C51 单片机结构说明 52.3 硬件的构成及功能 62.3.1抢答器的硬件图 62.3.2时钟频率控制电路 72.3.3复位电路的设计 82.3.4报警电路的设计 82.3.5显示电路的设计 92.3.6键盘扫描电路的设计 10第 3 章 系统软件设计 113.1系统主程序设计 113.2键盘

8、扫描程序设计 123.3显示程序设计 13第 4 章 系统调试与软件仿真 144.1 硬件调试 144.2Keil uVision2 软件调试 144.3Proteus 仿真 15第 5 章 总 结 18参 考 文 献 19附 录. 20附录一 主程序清单 20附录二 单片机八路智能抢答器原理图 28附录三 英 文 资 料 29译 文 . 31致 谢. 33第1章绪论1.1选题背景、意义当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领 域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未有的速度被单片 机智能化控制所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优

9、点，可 以说智能化控制与自动控制的核心就是单片机。目前，抢答器已经作为一种必不可少的工具广泛应用于各种智力和知识竞赛场 合，但一般的抢答器可靠性低，使用寿命短，介于这些不方便因素，此次设计提出 了用AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简易的八路抢答器。本方案以AT89C51单片机作为主控核心，与晶振、数码管、蜂鸣器等通过外围 接口实现的八路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定 时器/计数器等，设计的八路抢答器不仅具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的 功能，同时还利用汇编语言编程，使其实现复位、定时和报警的功能。本次设计的 系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功

10、能强。12八路抢答器的功能简介此次设计的抢答器具有同步显示的功能，并且有蜂鸣器的辅助，使得整个设计 更加完整。在每次竞赛开始前，主持人读完比赛规则，可以对抢答器进行的时间进行预设。 时间设定按键组共有4个按键，其中一个键为抢答时间修改键，一个为回答时间按 键，剩下的两个按键为加一和减一按键。比赛开始，主持人读完题之后按下“开始键”，即抢答开始，蜂鸣器提示一次， 此时数码管开始显示30s的倒计时；直到有一个选手按下抢答键，对应的会在数码 管上显示出该选手的编号和回答剩余的时间，同时蜂鸣器也会发出一次提示音，以 示有人抢答本题；如果在规定的30s时间内没有人做出抢答，则此题作废，开始新 一轮的抢答

11、。在抢答和回答时间的最后 5s，蜂鸣器都会给予报警提示。在倒计时过 程中，主持人可以随时按“停止键”结束本次回答或者抢答。在主持未按下开始键，若果有人按下抢答键，则属于犯规抢答，此时，数码管 上会显示违规选手的编号，同时蜂鸣器会以1s 一次的频率发出警告。在每次抢答前 后，主持人都可以按下复位键让系统清零，此时数码管上会显示“ FFF”。第2章系统硬件设计硬件电路部分是一个完整电路的关键部分，硬件性能的好坏关系到整个系统的 性能。本章节主要介绍了八路抢答器的硬件的选择及电路的设计。2.1芯片的选择芯片选择的原则是经济、寿命长、设计简单。对此我们作了详细的论证2.1.1控制器的选择控制器主要用于

12、对显示、抢答、音乐、计分等模块进行控制。控制器的选择有 以下两种方案。方案一：采用FPGA （现场可编程门列阵）作为系统的控制器。 FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小 了体积，提高了稳定性，并且可以应用 EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。 FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系 统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高， FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较 多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用AT

13、89C51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。基于以上分析，本次设计我米用方案二。2.1.2显示模块的选择显示模块主要是显示时间和编号。考虑有以下两种显示方案。方案一：使用液晶屏显示时间。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、 无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势， 可视面积大，画面效果好,分辨率高，抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字, 信息量比较少，且液晶屏是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控

14、制芯片创建字 符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有 静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。方案二：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，易于维护的优点， 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。根据以上的论述，我采用方案二。2.1.3键盘的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

15、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。方案一：独立式键盘独立式键盘接口中使用几根I/O线，就有几个按键，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 灵活编码。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。方案二：行列式键盘行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，按键 在行线和列线的每个交叉点上。这种形式的键盘结构，能够有效地提高单片机系统 中I/

16、O的利用率。CPU对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式，即只有在 CPU空闲是时才去扫描键盘，响应操作人员的键盘输入，即利用单片机内部定时器每隔一定时间对 键盘扫描一次，这样控制方式，不管键盘上有无键闭合， CPU总是定时的关心键盘状态。在大多数情况下，CPU对键盘可能进行空扫描。为了提高 CPU的效率而又 能及时响应键盘输入，可以采用中断方式，即CPU平时不必扫描键盘，只要当键盘 上有键盘闭合时就产生中断请求，向CPU申请中断后，立即对键盘上有键盘进性扫 描，识别闭合键，并做相应的处理。根据以上的论述，我们采用方案一。2.2.4芯片最终选择方案根据上几节的论证，通过综合考虑，我们的芯片选

17、择如表 2-1表2-1器件选择方案详单器件名称规格型号数量微处理器AT89C511电阻220欧姆88K11K1瓷片电容30pF2电解电容10uF1晶振12MHZ1按钮CD401315器件名称规格型号数量七段数码管7SEG-MPX-CC4蜂鸣器12.2 AT89C51单片机简单概述AT89C51单片机属于51系列单片机，本次设计所用的核心元件即为 AT89C51， 本节主要介绍了 AT89C51的管脚功能。2.2.1 51系列单片机的功能特性MSC-51单片机是美国英特尔公司于1980年起推出的第二代产品。与8084相 比，8051的硬件结构和指令系统均有很大改进，可支持更大存储空间扩充了更多的

18、 I/O功能，速度提高了 2-5倍。1.主要特性：(1)适于控制应用的8位CPU。(2)扩展的逻辑处理能力。(3)4KB片内程序存储空间。其片外可寻址的范围为64KB，主要用于存放已编 程的程序，也可存放一些原始数据和表格。(4)128B的片内数据RAM。其片外数据存储器的寻址范围为 64KB用于存放可 读写的数据，如运算的中间结果和最终结果。(5)32根双向可单独寻址的输入输出线。(6)2个16位定时/计数器，片内时钟发生器。它可以设置为计数方式，对外部 事件进行计数，也可以设置为定时方式进行定时。(7)全双工异步发送/接收器。(8)具有5个中断源，可编程为两个优先级的中断系统，它可以接收外

19、部中断 请求、定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。2.程序指令AT89C51单片机的时序单位有四个，分别是节拍、状态、机器周期和指令周期。 节拍与状态：我们把振荡脉冲的周期定义为节拍(P)，振荡脉冲经过两个分频后即得到整个单 片机工作系统的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态 (S)，这样一个状态就有两个节拍，前半个周期相应的节拍我们定义为 P1,后半周期对应的节拍定义为 P2。机器周期：AT89C51有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为S1-S6, 而一个状态包含两个节拍，那么一个机器周期就有12个节拍，即一个机器周期包含 12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12

20、分频，如果使用12MHZ的时钟频率， 一个机器周期就是1us。2.2.2 AT89C51单片机结构说明AT89C51单片机的管脚图如图2-1所示:图2-1 AT89S51单片机管脚图VCC :电源端。GND :接地端。P0 口： P0 口是一组8位漏极开路双向I/O 口，在访问外部存储器时用作 8 位低地址线和数据总线。P1 口： P1 口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，向P1 口写入 T 时，P1 口被内部电路上拉为高电平，可用作输入口。当作为输出口时，被 外部拉低的P1 口会因为内部上拉电阻的存在而输出电流。P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，当P2 口被

21、写1”时， 其管脚被内部电路上拉为高电平，可作输入口。当作为输出口时，被外部拉 低的P2 口会因为内部上拉电阻的存在而输出电流。在访问外部程序存储器 和外部数据存储器时，P2 口可作为地址总线的高八位地址线。 P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，当P3 口写入 T后， 它们被内部电路上拉为高电平，并用作输入口。当作为输出口时，被外部拉低的 P3口会因为内部上拉电阻的存在而输出电流。P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 /INT0 （外部中断0）P3.3 /INT1 （外部中

22、断1）P3.4 T0 （记时器0外部输入）P3.5 T1 （记时器1外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）RST：复位信号输入端。当振荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上 的高电平将使单片机复位。ALE/PROG : ALE是地址锁存允许信号。它的作用是把 CPU从P0 口分时 输出的低8位地址锁存在锁存器中。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，可用作外部时钟或定时。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。如果CP

23、U在外部执行状态ALE禁止，置位 无效。/PSEN:读片外程序存储器选通信号输出端。当执行外部程序存储器数据时， /PSEN将产生负脉冲作为外部程序存储器的读选通信号。 在访问外部数据存 储器和内部程序存储器时，/PSEN无效。/EA/VPP:读片内与片外程序存储器的选择端。当/EA为高电平时，低4KB 的地址为片内程序存储器单元，高于 4KB以上的地址为片外程序存储器单 元；当/EA为低电平时，则只能读片外程序存储器。XTAL1 :片内振荡电路反向放大器的输入端，采用外部时钟时该引脚接地。XTAL2 :片内振荡电路反向放大器的输出端，采用外部时钟时该引脚为振 荡信号的输入端。2.3硬件的构成

24、及功能本节主要介绍了抢答器的硬件部分的设计，硬件部分的设计是比不可少的，也 是此次设计的核心。2.3.1抢答器的硬件图根据所要实现的功能，我们先大概将抢答器的硬件分为这几部分： CPU、声音电路、显示电路、定时电路、开始结束键输入和抢答按键输入。硬件图如图 2-2所示。图2-2抢答器硬件图2.3.2时钟频率控制电路单片机必须在时钟的驱动下才能工作。AT89C51中有一个用于构成内部振荡器 的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。 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。时钟频率控制电路如图 2-3所示。3

25、0P .图2-3外部振荡电路内部时钟振荡器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选用30PF大小，其作用有两个： 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部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。该设计中时钟 频率选为12MHz。2.3.3复位电路的设计在抢答器中复位是为定时做铺垫的，在抢答之前要复位，抢答完毕要复位，按 了复位键之后LED显示F。单片机

26、的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电 平时即可实现复位，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2-4 所示。图2-4复位电路图中复位电路由按键和电解电容 C3、电阻R9构成的按键及上电复位电路。由 于单片机是高电平复位，所以当按键按下时，单片机的 9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后由于电容缓慢充电，单片机的 9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从 0000H开始执行。在此设计中使用了硬件复位和软件复位两种。硬件复位可将寄存器及存储器的 值都恢复到初始值。而在设计中，倒计时

27、时间存在记忆功能，因此还设计了软复位 功能。软复位实际上就是当程序执行完毕后，讲程序指针通过一条跳转指令让它跳 转到该段程序的起始地址。2.3.4报警电路的设计我们知道，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 某个管脚的高低电平，则在该管脚上就能产生一定频率的矩形波，接上蜂鸣器就能 发出一定频率的声音，若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，从而改变蜂鸣器发出的音调。在本设计中此电路起到报警功能。它会在第一位 选手按下抢答按钮时响一次，以提示有人抢答本题，并且在该选手的60秒抢答过程 中或30秒等待过程中剩余最后5秒时响起，以提示到此题结束还有 5秒钟。本

28、次设计如图2-5所示，图中用到单片机的10、11和16管脚。10管脚具有读 入功能，11管脚具有输出功能，而16管脚具有外部数据写功能，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蜂鸣器发生。图2-5报警电路2.3.5显示电路的设计显示功能与硬件的关系极大，显示电路有两种选择，液晶屏显示和传统数码管 显示。液晶屏具有轻薄、无辐射危险、可视面积大、分辨率高和抗干扰能力强的特 点，但是由于显示信息少、编程工作量大和成本偏高。而数码管具有低耗能、低损 耗、低压、寿命长和精确度高、操作简单的优点，本设计中采用的是 4位七段数码管显示。数码管显示通常显示分为动态显示和静态显示。其中，静态显示的

29、特点是 显示稳定不闪烁，编程简单，显示亮度高，但占用 I/O 口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。而动态显示的稳定性虽没静态显 示的好，编程复杂，但是相对静态显示而言占用的端口资源少。本设计采用的是动态显示方法。通过查表法将值在数码管上显示出来。其中单 片机的P0 口为字型码输入端，P2 口得低三位为字选段输入端。4位七段数码管显示电路如图 2-6。图2-6七段数码管显示电路数码管有共阴极和共阳极两种接法。共阴极接法，各发光二极管的阴极连在一 起并接地，当某一发光二极管的阳极输入高电平时，贝U该段发光；共阳极接法，各 发光二极管的阳极连在一起并接电源，当某一发光

30、二极管的阴极输入低电平时，则该段发光。本设计采用4位一体的七段共阴极数码管，其中 A-G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，COM3，COM4分别 接到单片机的P2.0, P2.1，P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在电路 图中还有8个220欧姆的电阻分别连接在 P0 口上，用作P0 口的上拉电阻，保证P0 口没有数据输出时处于高电平状态。2.3.6键盘扫描电路的设计键盘扫描电路由两部分组成：抢答电路和定时电路。键盘是人机交互的主要设备，键盘电路分为独立式和矩阵式。其中，独立式键 盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对

31、硬件电路要求不高的简 单电路中；矩阵式键盘硬件电路比独立式键盘电路复杂，而且程序设计繁琐，但它 节省端口，适合于多按键电路。本设计基于简单硬件电路要求的基础上，采用的是独立键盘的方式。在定时电路的设计中，有1个抢答时间调整按键、1个回答时间调整按键、加 一按键、减一按键和1个开始按键、1个结束按键。电路图如图2-7所示。图2-7 定时电路 图2-8 抢答电路-gLEd-日！-号nd-星口 图中和AT89C51芯片的12管脚连接的为抢答时间30s的调整按键，和13管脚 连接的为回答时间60s的调整按键，与14管脚连接的为加一按键，与15管脚连接 的为减一按键。这四个按键用于主持人对回答时间和抢答时间的调整。开始按键与单片机的10管脚连接，停止按键与11管脚连接。这里用到了单片 机10、11管脚复合功能中的10端口功能，单片机通过读取10、11脚的P3.0、P3.1 的IO端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。当主持人按下开 始键，抢答电路和定时电路将进入正常抢答状态；当回答完毕，主持人可以按下结 束键停止计时。抢答电路完成两个功能：一是分辨出选手按键先后，并锁存