智力竞赛抢答器的设计与实现毕业论文.doc

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1、 本科毕业论文(设计)诚信声明作者郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计)，是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声明的法律结果由作者承担。本科毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日目 录摘 要I关键词IAbstractIkey wordsII1 前 言11.1课题研究的背景11.2 课题研究的意义22 竞赛抢答器的硬件与软件的设计与实现22.1 方案的确定22.2 设计步骤32.3 电路原理图的设计32.3.1 电路组

2、成框图42.4 竞赛抢答器各部分电路原理图介绍42.4.1 单片机最小系统42.4.2 按键电路72.4.3 显示电路82.4.4 报警电路82.4.5 时钟电路92.4.6 复位电路92.5 制板102.5.1 设计原理图102.5.2 定义元件封装102.5.3 设置PCB图纸112.5.4 生成网表和加载网表112.5.5 布线调试及故障分析系统软件的设计112.6 系统软件的设计112.6.1 主流程122.6.2 按键扫描流程122.6.3 中断流程图132.6.4 编译及仿真软件软件143 调试及故障分析153.1 硬件焊接及故障分析153.2 程序调试164 总结17参考文献18

3、致 谢19附录：20智力竞赛抢答器的设计与实现摘 要本设计是以单片机STC89C52为核心控制器件，利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理，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。用开关做键盘输出，蜂鸣器发声提示。在抢答中，只有在抢答开始即按键有效状态下，抢答才有效，否则，在开始抢答前抢答为无效；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有蜂鸣器提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后时间计时停止，蜂鸣器在最后五秒内告警提示。本文主要介绍了竞赛抢答器的硬件电路和软件程序的设计思路和具体过程，并最终给出硬件原理图、源程序以

4、及各自的流程图。 关键词智力竞赛抢答器；电路设计；程序设计The Design and Implementation of Competition Intelligent Buzzer Abstract This design is based on microcontroller STC89C52 as the core control device, the use of single-chip timer/counter timing and counting principle, the software and hardware organically, enables the sy

5、stem to correct time, at the same time enable digital tube to show time and player number correctly. Made the keyboard switch output, buzzer sound prompt. In vies to answer first, only at the beginning of the vies to answer first the key effective state, the contest is valid, otherwise, before start

6、ing the vies to answer first vies to answer first as invalid; Which is contestant vies to answer first effectively, and can display the invalid vies to answer first, right button after the buzzer hint; Vies to answer first time and answer the questions time events, according to the time after time t

7、imer stop, buzzer alarm prompt. In the last five seconds Competition responder is mainly introduced in this paper the hardware circuit and software program design ideas and specific process, and finally gives the principle diagram of the hardware, the source program and flow chart.key wordsQuiz resp

8、onder；lectric circuit design；The program design II1 前 言1.1课题研究的背景随着时代的发展，各类竞赛和选秀节目层出不穷，而参赛者的素质也不断提高，这不但迫切要求着一个更加公平公正公开的赛制更要求我们推出一个能够支持公平公开公正的赛制的硬件设备。电子技术不断发展的今天，抢答器功能越来越强，可靠性和准确性也越来越高。能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用前期的模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式，但这种方式制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大1。对于目前抢答器的功能描述，如涵盖抢答器、抢答限时、选手答题计时及犯规组号抢答

9、器具有抢答自锁，灯光指示、暂停复位、电子音乐报声、自动定时等功能，还有工作模式的切换和时间设定，对于这些，随着科学技术的发展，肯定还要得到进一步的改进。一般都要趋向于智能化。单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。 而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。本设计就是基于单片机设计抢答系统，通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的功能。单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”

10、，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。1.2 课题研究的意义基于单片机的智力竞赛抢答器却能满足精确、高效、方便的要求。在这样的条件下基于单片机的智力竞赛抢答器的设计便呼之欲出了。智能抢答器方便快捷、简便易操作的功能现在以用于各种竞赛场合。随着科技的发展和竞赛的需要，竞答器向着更快捷更精准操作更简单功能更全面的多元方向发展。智力竞赛抢答器以适应各竞赛场合的需求便成为了抢答器的趋势。

11、2 竞赛抢答器的硬件与软件的设计与实现2.1 方案的确定方案一:系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，但是由于系统功能要求较高，所以电路连接集成电路相对较多，而且过于复杂，并且制作过程工序比较烦琐，使用不太方便。方案二:采用52系列单片机STC89C52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2。由于使用单片机作为控制核心，其技术比较成熟，应用起来方便、简单，并且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

12、方便地对系统进行功能的扩展和更改。经过比较，显然方案二比方案一简单的多，不但从性能上优于方案一，而且在使用上及其功能的实现上都较方案一简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使其工作速度更快、效率更高。另外STC89C52单片机可以采用12MHz的晶振，提高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩展功能。而方案一采用了中小规模集成电路，由于其复杂的电路性能,可能会使信号的输入输出产生延时及不必要的误差3。因此选择方案二比较适合。2.2 设计步骤4（1）根据要求，设计出比较合理的方案，选取合适的硬件器件，熟悉各个器件的性能。（2）编写程序，根据设计的要求，编制主程序以及各子程序模块

13、。（3）通过Keil、Proteus等软件进行仿真。（4）仿真成功后开始搭建实物电路，并且进行调试。（5）进行PCB设计。（6）实验总结。（7）撰写研究报告。2.3 电路原理图的设计根据设计功能的要求和各器件工作环境的要求，电路设计遵循可行性和可操作性来设计，具体应该包括控制电路，按键电路，以及用来显示裁决结果的显示电路5。除了用数码管显示目前的动作情形，同时也需要用声音提醒或者警告操作人员，因此也在电路设计时加入了报警电路。经过不断的仿真和比较最终确定的竞赛抢答器的电路主要电路硬件包括：单片机最小系统（即控制电路）、按键电路、显示电路、报警电路、时钟电路、复位电路6。具体电路原理图见附录A。

14、2.3.1 电路组成框图抢答器电路总体设计方框图如图2.1所示： 按键电路控制电路显示电路报警电路图2.1 抢答器总体设计方框图2.4 竞赛抢答器各部分电路原理图介绍2.4.1 单片机最小系统总线型单片机非总线应用的最小系统示意图如图3所示，只有单片机和时钟电路、复位电路构成的最简单电路，并行总线不用于外围扩展，可作为应用系统的I/O口使用7。 图2.2总线型单片机非总线应用 图2.3 单片机最小系统 的最小系统系统特点有大量可使用的I/O口；没有并行扩展，应用系统结构简单；外围器件只能通过UART口的串行移位方式或虚拟串行扩展总线进行扩展。STC89C52的内部结构图STC89C52的内部结

15、构图如图4所示：ROM并行接口RAM串行接口定时器/计数器中断系统内部总线SFR特殊功能寄 存P0TXD RXDINTO INT1CPU微处理器P1P2P3内部总线T0 T1 图2.4 STC89C52内部结构图52单片机有4个8位并行输入/输出接口：P0、P1、P2和P3口这四个口既可以并行输入或输出8位数据，又可按位使用，即每一位均能独立做输入或输出用8。图5为各接口的电气结构示意图。图2.5 P0、P1、P2、P3口的电气结构图I/O端口的功能复用。P3口为复用的I/O端口，口内有复用输出功能的控制端；引脚也有复用输入功能的控制端。P3口的第二功能输入引脚功能表如表2.1所示：表2.1

16、P3口的第二功能输入引脚端口引脚第二功能说 明P3.0RXD串行数据接受P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器0输入P3.5T1定时/计数器1输入P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时，都是准双向口结构，准双向口的典型结构如图(5)-b所示，准双向口的输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态；输出操作是对口锁存器的写入操作。由口锁存器和引脚电路可知，当由内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的“1”或“0”状态立即反映到引脚上。但是在输入操作（读引脚）时，如果口锁存器

17、状态为“0”，引脚被钳位在“0”状态，导致无法读出引脚的高电平输入。2.4.2 按键电路键盘扫描只是CPU工作的一部分，键盘处理只是在有键按下时才有意义9。对于是否有键按下的信息输入方式有中断方式和查询方式两种,行列式键盘工作原理。按键电路如图2.6图2.6 按键电路行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O线组成行、列结构，按键设置在行与列的交点上，这样可以节约I/O口线。44矩阵式键盘的示意图如图2.7所示： 图2.7 44矩阵式键盘的示意图 图2.8 四位共阴极LED动态 显示接口电路 首先由P1口的高四位输出0电平，从P1口的低四位读取键盘的状态；再从P1口的低四位输出0电平，从P1口的高四位

18、读取键盘状态。将两次读取的结果组合起来就可以得到一组特编码，如表2.2所示：表2.2 44矩阵式键盘键码表按键名称K0K1K2K3K4K5K6K7K8特征键码77H7BH0BBH0DBH7DH0BDH0DDH7EH0BEH按键名称K9KAKBKCKDKEKF未按特征键码0DEH0B7H0D7H0EEHOEDH0EBH0E7H0FFH2.4.3 显示电路显示电路为四位共阴极LED动态显示接口电路。具体电路图如图2.8所示。单个共阴极7段数码的段选码如表3所示：表2.3 7段共阴数码管段选码表显示字符0123456789共阴极段选码3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH共阴极

19、LED数码管将发光二极管的阴极（负极）短接后作为公共阴极，当驱动信号为高电平、“-”端接低电平时才能发光。这样的多位显示，将所有位的选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各部分的分时选通。由于所有位选皆由一个I/O口控制，在每一瞬间6位LED会显示相同的字符。想要每一位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字型码，而位选则控制I/O口在该显示位送出低电平，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每一位分时显示该位应显示字符。其管脚配置及动态显示接口电路如图2.9所示： 图2.9 共阴极数码管管脚配置及动态显示接

20、口电路2.4.4 报警电路考虑到实验室现有的元器件，设计中采用了蜂鸣器报警电路，如果有条件还可以采用更高级的语音报警电路，那样更加直观方便。电路的接法如图2.10 所示： XTAL2XTAL1晶振C2C1单 片 机图2.10 蜂鸣器报警电路 图2.11 单片机外接晶体的接法工作工程：蜂鸣器经过74LS04接在P3.7口，当P3.7输出为低电平“0”时，74LS04端输出为“1”，晶体管导通，蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫；当P3.7输出为高电平“1”时，三极管截止，蜂鸣器停止鸣叫。电路中74LS04不仅起到了反向作用，还有增大负载能力的作用。2.4.5 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所

21、需要的时钟信号。设计中采用了比较典型的内部时钟方式，如图2.11 所示：其工作原理是：片内高增益反向放大器XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。2.4.6 复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是将程序计数器PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。复位操作不影响片内RAM的内容，但是对SFR中的一些寄存器有影响。图2.12 复位电路单片机的复位是靠外部电路复位的。其复位方式有上电复位和按键手动复位两种。复位电路中的电阻、电容数值的设置，是为了保证在RST管脚处至少保持两个机器周期（

22、24个振荡周期）的高电平而完成复位过程的，也就是在斯密特触发器的输入端维持在最低阀值电压以上足够长时间，使斯密特触发器产生一个正脉冲。电阻值通常为1K，电容值通常为22uF。图2.12为复位电路接法。 2.5 制板根据设计的电路原理图，利用我们的制版软件Altium Designer Winter 09 设置我们的PCB电路板。设计流程：设计原理图、定义元件封装、设置PCB图纸、生成网表和加载网表、布线、调试及故障分析系统软件的设计。2.5.1 设计原理图创建一个新项目；创建一张新的原理图图纸；查找元件；在原理图中放置元件；设置元件属性；放置电源和接地符号；绘制原理图。2.5.2 定义元件封装

23、 原理图设计完成后，元件的封装有可能被遗漏或有错误。对于用户自己设计的元件或者是某些特殊元件，必须由用户自己定义或修改元件的封装。 2.5.3 设置PCB图纸可以设定PCB电路板的结构及尺寸，板层数目，通孔的类型，网格的大小等，既可以用系统提供的PCB设计模板进行设计，也可以手动设计PCB板。 2.5.4 生成网表和加载网表 网表是电路原理图和印刷电路板设计的接口，只有将网表引入PCB系统后，才能进行电路板的自动布线。 2.5.5 布线调试及故障分析系统软件的设计设置布线规则后，先自动布线，然后手工调整。在元件很少且布线简单的情况下，也可以直接进行手动布线。制成的电路板如图2.13所示：图2.

24、13 抢答器的PCB电路图2.6 系统软件的设计众多软件的联合使用对应用系统的设计起到了很重要的作用，在实物制作之前对设计进行仿真，可以检验程序的执行结果是否与设计的功能相同，这样可以对程序进行改进。在这里用到了Keil C和Proteus，同时在电路制板时用到了Altium Designer Winter 09绘制PCB板。2.6.1 主流程调用键值处理按键扫描是否有健按下 初始化开始返回主流程图如图2.14所示 N Y 图2.14 主流程图2.6.2 按键扫描流程每一个按键都对应一个处理子程序，按键扫描流程图如图2.15所示，包括了对矩阵键盘和调整时间按键的扫描。启动定时器T1倒计时60s

25、 Flag=0Flag3=2或者Flag3=4 Flag3=4ADD/SUB=0SCC+/SCC-矩阵键盘扫描有键按下 Flag=1 N Y N Y N Y Y图2.15 按键扫描流程2.6.3 中断流程图设计采用了外部中断，中断程序流程图如图2.16所示： 启动T1 定时器关闭定时器T1Flag3=4再次启动T0倒计时Flag3=3 关闭定时器T1Flag3=2START=0开启T0计时倒计时30sFlag3+Flag3=1定时器T0，T1； 外部中断T1，再次初始化 中 断 返 回 中断初始化 RESET=0 图2.16 中断流程图2.6.4 编译及仿真软件软件Keil C的使用Keil

26、C是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时支持汇编和C语言的程序设计，本设计使用它作为C编译器，使用方法如下：首先建立一个工程，然后将C程序文件添加到工程下链接编译，接着设置生成并输出HEX文件，如果程序编译后有错误就进行调试10。proteus7.4的使用PROTEUS软件是英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件。它是一个集模拟电路、数字电路、模/数混合电路以及多种微控制器系统为一体的系统设计和仿真平台。是目前同类软件中最先进、最完整的电子类仿真平台之一。它真正实现了在计算机上完成从原理图、电路分析与仿真、单片机代码调试与仿

27、真、系统测试与功能验证到PCB板生成的完整的电子产品研发过程10。具体仿真图见附录B。3 调试及故障分析通过对制版过程中出现的问题和故障进行不断的调试和改进，以达到我们预定的电路的效果。3.1 硬件焊接及故障分析电子电路是由许多元器件和导线连接而成，每一个元件和导线的好坏，连接的正确可靠与否，都可能产生故障，情况很复杂。有的是一种原因引起的简单故障，也有的是多种原因引起的复杂故障。以下是一些常见的故障：（1）电路组装有错误或连接不牢，致使电路与原理电路不一致。（2）电路元器件本身特性不良或损坏，特别是芯片的损坏最为常见，其次是电容的击穿、短路以及电阻的阻值与标称值不符。因此在组装电路前应进行检

28、查和筛选，以防组装完电路后，再查找原因所带来的种种麻烦。（3）各仪器连线是否正确，是否与电路共地；仪表使用是否得当。（4）以上检查无错误时，应考虑电路设计，这也是实验中尤其是在数字电路中常遇到的。硬件搭建：按照设计的原理图一步一步完成电路的搭建。这过程中一定要耐心、细心，否则很容易跳错线。实物电路搭好以后，仔细对照原理图检查一遍，然后就可以上电检测了。制作硬件过程中，出现了以下问题经过检查得到了解决：（1）接上电源后发觉数码管无显示。经检查后现单片机的29脚悬空未接，应该接在高电平上，这是单片机正常工作的前提。（2）单片机不工作。检查后判定是振荡电路不起振，原因是用跳线将振荡电路连在了远离单片

29、机的位置，影响了振荡电路的稳定。（3）矩阵键盘的其中一行不正常工作。经检查后发现是虚焊。3.2 程序调试程序调试：分步骤进行调试，对每一个子程序进行编译链接后，将整个程序全部编译，生成HEX文件加载到单片机上，进行仿真。出现错误和警告时要进行分析，解决问题。仿真分析：启动（上电）后，显示0000。当主持人按键，显示30秒的抢答时间，如有选手抢答，会显示选手号码以及60秒的回答时间，回答时间剩余5秒时，会响提示音。如果第一位选手不能回答，那么主持人再次按下START键允许其他选手继续抢答，允许其他选手抢答的时间为上一次抢答的剩余时间，答题时间仍是60秒。如果没有人抢答，抢答倒计时还有5秒的时候会

30、响提示音，抢答时间过后抢答器会自动进入复位状态，可以进行下一轮的抢答。 如果主持人未按START键，有选手按了抢答按键，犯规抢答，显示犯规选手号并闪烁FF，直到主持人复位。这与预期的效果是一致的。4 总结时光飞逝，岁月如梭。一晃我从一个青涩懵懂的高中生变成了大学毕业生。在怀化学院物理与信息工程系学习的四年，我学到了很多知识。也成长了很多，经过四年对专业知识的学习最终给自己和学校交的一份答卷便是我的毕业设计，通过此次设计，我学到了很多知识如更加深入的学习与了解了单片机的知识与使用方法，因为我们没有学过altium designer winter和protrous软件，我通过查阅有关书籍和网上查阅

31、自学了这两门软件，通过不断的与同学和老师交流和学习我终于完成了这次的毕业设计。与普通抢答器相比，本设计有以下几方面优势：（1）具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人提前抢答违反规则。（2）具有定时功能，在规定时间内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权。实物的制作仅仅是在实验室完成的，在实际应用中还有许多问题需要考虑，比如选手是分散在主席台下的，那么选手的按键就要通过总线进行连接，而不是实验板上简单的矩阵键盘式的连接。另外，抢答器的功能有待进一步增强，比如增加计分功能。而功能的扩展恰恰体现了本设计中选用单片机作为核心控制器的优势简单的接线、灵活的可编程性。参考文献1 李增生.对抢答

32、器的改进J.电子制作,2008,(12).2 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.3 程相波,卫安军.基于MCS-51单片机的八路抢答器设计方法研究J.北京工业职业技 术学院学报,2007,(2).4 黄正谨.综合电子设计与实践M.东南大学出版社，2002-3.5 徐熙文.电路基础M. 高等教育出版社,2003.6 石生.电路基本分析M. 高等教育出版社,2006. 7 李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京：北京航天航空大学出版社，2004.8 冯育长.单片机系统设计与实例指导M.北京：西安电子科技大学出版社，2007.9 李华.MCS-51系列

33、单片机实用接口技术M.北京：北京航空航天大学出版，1993.10杜树春.基于Proteus和Keil C51的单片机设计与仿真M.电子工业出版社,2012.致 谢在本次毕业设计过程中，我要感谢四年来我的各科老师感谢他们对我的教育。特别是在段教授的单片机的课程中，我不仅学到了对于我们专业非常重要的单片机的课程，更多的提高了自己的动手能力，对我这次的毕设设计打好了坚实的基础。在他的课程中我也学到了仔细认真、细致严谨的治学态度，对我以后的工作学习有很大的指导作用，使我受益终身。同时，我还要非常感谢我的指导老师张学斌老师，张老师对本论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节都给予了细心指引与教导，

34、使我得以最终完成毕业设计，在此对张老师表示衷心感谢！同时也要感谢我的各位同学，他们在设计的各个阶段给了我很多帮助和建议。最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议的各位老师表示感谢！附录：附录A:附录B：附录C：#includeunsigned char key;unsigned char key1;unsigned char sec;unsigned char sec2;unsigned char flag;unsigned char flag1=0;unsigned char flag2=0;unsigned char flag3=0;unsigned char i; sbit LO

35、UDER=P37;sbit RED=P34;sbit PAUSE=P35;sbit RESTART=P36;sbit ADD=P30;sbit SUB=P31;unsigned char led17=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D, 0x7D,0x07, 0x7F,0x6F,0X71;/*delay()延时函数*/void delay(int t)unsigned char i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j100;j+);void delay1()unsigned char i,j;for(i=0;i8;i+)for(j=0;j4) TR0=1; key=0; flag2=0; flag=0; PAUSE=1; RESTART=0; TR1=1; flag=0; flag1=1; EX1=1; LOUDER=0; delay(250); LOUDER=1;/*定时器T0,计时30秒*/void Timer1() interrupt 1static unsigned char count; TL0=0XB0; TH0=0X3C; count+; if(count=20