基于-单片机的八路抢答器的设计.doc

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1、|摘 要随着科学技术的发展和普及，各种各样的竞赛越来越多，其中抢答器的作用也越来越重要。本文设计出以 AT89C51 单片机为核心的八路抢答器，采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生与输入信号相对应的输出信号，最后通过 LED 数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出是哪组优先按下的按键，充分利用了单片机系统结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。本设计是以抢答为出发点。考虑到根据需要设定限时回答的功能，利用 89C51 单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和

2、记数的原理，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。用开关做键盘输入，蜂鸣器发声提示。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为无效；满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在该状态下，按键是无效的。关键词：抢答器 单片机 LED 数码显示管 定时器/计数器|ABSTRACTWith the development and popularization of science and technology, all kinds of competitions become more and more, so re

3、sponder is more and more important. This paper designed eight-way Responder based on AT89C51 MCU, with digital display direct instructions, automatic latch showed results, and automatic reset design ideas. It can according to different contest input signal by MCU control, handle and produce differen

4、t with the input signal corresponding output signal, finally LED digital pipe display by the corresponding points, even if the two groups of vies differs a few microseconds, also time can distinguish which group of priority press buttons, fully utilize the signal-chip microcomputer system structure

5、is simple, powerful, good reliability and practicability strong characteristic.This design is for the starting point. Responders considering the set limit to answer in 89C51 single-chip microcomputer and function, use of peripheral interfaces, scare-answering system of the microcontroller timer/coun

6、ter timing and numeration principle, software and hardware organically, and makes the system can correctly to the time, at the same time making digital tube can properly show time. With a switch does keyboard output, the speaker happen hint. And the system can realize: in the contest, only after beg

7、inning vies to effective, if at the stat of the contest for the invalid; former contest full automatic rest and clock after the system master mandatory rest; key lock, in this effective condition, buttons invalid.Key words: Responder Single chip microcomputer LED digital display tube Timer / counter

8、|目 录第一章 绪论 .11.1 抢答器发展概况.11.2 本课题研究的意义.11.3 系统设计的功能.2第二章 单片机系统原理 .32.1 单片机的原理.32.1.1 单片机的简介.32.1.2 单片机的分类.32.2 单片机的工作过程.42.3 单片机的引脚及其作用.5第三章 八路抢答器的电路设计 .73.1 电路设计原理.73.2 八路抢答器模块化设计.73.3 时钟与复位模块.83.3.1 时钟模块.83.3.2 复位模块.93.4 显示模块.93.5 按键输入模块.113.5.1 键盘的去抖动.113.5.2 按键电路图.123.6 报警模块.12第四章 软件设计 .144.1 系统

9、程序设计.144.2 抢答器主程序流程图.154.3 非法抢答查询子程序.154.4 抢答时间调整子程序.16第五章 软件仿真及程序调试 .175.1PROTEUS软件仿真 .175.2KEIL软件的使用 .17谢 辞 .19参考文献 .20附 录 .21附录 1：电路原理图.21附录 2：程序清单.22|第一章 绪论1.1 抢答器发展概况当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，于是抢答器应用而生。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辨认出选手号码。现在

10、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、抢答前或抢答后的计时、选手得分显示等功能。随着我国抢答器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。了解国内外抢答器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。目前市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。那么选择一款真正适合的抢答器就非常重要。抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。目前电子抢答器的中心构造一

11、般都是由数字电子集成电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音记分抢答器。非语音记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。语音记分抢答器是由一个抢答器的主机、主机的显示屏以及选手的记分显示屏等构成，具有记分等功能。电子抢答器多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。无线电脑抢答器是由主机和抢答器专用的软件和无线按钮构成。无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑再和投影仪配合起来，利用

12、专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。1.2 本课题研究的意义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，无论是军队还是电视节目中,都可能会举办各种各样的智力竞赛,都会用到抢答器。如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。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很多的缺点

13、，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。而我所设计的八路智能抢答器，具有元件普通 ,易于购买等优点,很好地解决了制作困难和难于购买的问题。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。怎样来设计抢答器，能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？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传统的抢答器相比，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

14、机内部。第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于传统抢答器，并能够解决以上提出的问题。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。1.3 系统设计的功能根据一般比赛对抢答器功能的要求，本文设计出的抢答器系统功能如下：(1)抢答器可以同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，分别用 8 个按钮 S1S8 表示。(2)主持人可以通过智能抢答器的按键设定每道题的抢答时间和回答时间。(3)具有清零和非法抢答控制功能，设置一个系统清除和抢答控制开关，并由主持人操控，避免选手在主持人说“开始”前提前抢答，违反规则。(4)当主持人启动“开始抢答按键”后，定时器进行减计时，在 20 秒内无人抢答表示所有参赛选手或参赛

15、队对本题弃权，抢答时间耗尽后禁止抢答。(5)倒计时 5 秒时，如果仍无人抢答，则系统每 1s 报警一次，用以提示参赛选手。(6)抢答器具有锁存与显示功能。即选手按下按键，锁存相应选手的参赛编号，并在 LED 数码管上显示，一直保持到主持人将系统清除为止，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，其他按键者将不能响应，以便公平地选择第一个抢答者。(7)参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号，同时进入回答问题的 30s 倒计时。回答问题时可以选择启用锦囊，即答题时间变为 60 秒。(8)倒计时期间，如果主持人想终止倒计时，可以按下“停止”键，系统会自动进入准备状态

16、。本设计中主要硬件设备：AT89C51 单片机、8 输入与非门 74HC30、共阴极 LED 数码管、12MHz 晶振、74LS04 反相器、按键若干、报警喇叭、变压器、整流器、电容、电阻、7805 稳压芯片。|第二章 单片机系统原理2.1 单片机的原理2.1.1 单片机的简介目前，80C51 单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的接口，构成综合应用系统，以增强其功能。89C51是 Intel 公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个 8 位的微型处理器 CPU；一个 128 字节的片内数

17、据存储器 RAM；4k 片内程序存储器 ROM；四个 8 位并行的 I/O 接口 P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 UART的串行 I/O 口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是 12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。下面简单介绍下其部分功能。中央处理器 CPU 是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由 8 位算术逻辑运算部件(简称 ALU)、定时控制部件，若干寄存器 A、B、B5W、5P 以及 16 位程序计数器(PC)和数据指针寄存器(DM)等

18、主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对 8 位信息进行、/ 四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序计数器 PC、定时与控制电路等组成的。指令寄存器中存放指令代码。枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或 IO 接口电路，完成指令功能。程序计数器 PC才程序计数器 PC 用来存放下一条将要执行的指令，共 16 位可对以 K 字节的程序存储器直接寻址 C 指令执行结束后，PC 计数器自

19、动增加，指向下一条要执行的指令地址。CPU 功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功自略异。有的指令涉及到枷各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上，CRJ 是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。所谓 CRJ 的时序是指控制器控照指今功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。2.1.2 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。|（1

20、） 通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51 是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成 ADC 接口等功能的温度测量控制电路。（2） 总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。（3） 控制型/家电型这是按照

21、单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51 类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。2.2 单片机的工作过程单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用命令的形式写下来，这是由设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特

22、定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令） ，这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像一幢大楼由许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼的每个房间的被分配到唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条

23、取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器 PC（包含在 CPU 中） 。在开始执行程序时，给 PC 赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC 之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是 1、2 或 3，以指向下一条指令的起始地|址，保证指令顺序执行。2.3 单片机的引脚及其作用89C51 单片机的引脚图如下：图 2-1 89C51 单片机的引脚图Vcc（40 脚）：接+5V 电源正端； Vss（20 脚）：接+5V 电源正端。XTAL1（19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器

24、构成采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚接地；对于CHOMS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于 CHMOS 芯片，该引脚悬空不接。控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、ALE/P、PSEN 和 EA/VPP 等 4 种形式。（1）RST/VPD（9 脚）：RST 即为 RESET，VPD 为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电

25、平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当 VCC 发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源 VPD（+5V）为内部 RAM 供电，以保证RAM 中的数据不丢失。（2）ALE/ P （30 脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出。（3）PSEN（29 脚）：片外程序存储器读选通输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期 PESN 两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN 信号将不出现。（4）EA/Vpp（31 脚）：EA 为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当 E

26、A 端|保持高电平时，单片机访问片内程序存储器 4KB（MS52 子系列为 8KB） 。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当 EA 端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有 EPROM 的单片机，在 EPROM 编程期间，该引脚用于接 21V 的编程电源 Vpp。输入/输出（I/O）引脚 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口(1)P0 口（39 脚22 脚）：P0.0P0.7 统称为 P0 口。当不接外部存储器与不扩展 I/O 接口时，它可作为准双向 8 位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O 口时，P0 口为地址/数据分时复

27、用口。它分时提供 8 位双向数据总线。对于片内含有 EPROM 的单片机，当 EPROM 编程时，从 P0 口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。(2)P1 口（1 脚8 脚）：P1.0P1.7 统称为 P1 口，可作为准双向 I/O 接口使用。对于 MCS52 子系列单片机，P1.0 和 P1.1 还有第 2 功能：P1.0 口用作定时器/计数器2 的计数脉冲输入端 T2；P1.1 用作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX。对于 EPROM编程和进行程序校验时，P0 口接收输入的低 8 位地址。(3)P2 口（21 脚28 脚）：P2.0P2.7 统称为 P2 口，一般可作为

28、准双向 I/O 接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256 个字节时，P2 口用于高 8 位地址总线送出高 8 位地址。对于 EPROM 编程和进行程序校验时，P2 口接收输入的 8 位地址。(4)P3 口（10 脚17 脚）：P3.0P3.7 统称为 P3 口。它为双功能口，可以作为一般的准双向 I/O 接口，也可以将每 1 位用于第 2 功能，而且 P3 口的每一条引脚均可独立定义为第 1 功能的输入输出或第 2 功能。P3 口的第 2 功能见下表：表 2-1 单片机 P3 口管脚含义引脚 第 2 功能P3.0 RXD（串行口输入端）P3.1 TXD（串行口输出端）P3.2 INT0（外部中断 0 请求输入端，低电平有效）P3.3 INT1（外部中断 1 请求输入端，低电平有效）P3.4 T0（定时器/计数器 0 计数脉冲端）P3.5 T1（定时器/计数器 1 计数脉冲端）P3.6 WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7 RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）综上所述，MCS51 系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：(1)单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第 2 功能；|(2)单片机对外呈 3 总线形式，由 P2、P0 口组成 16 位地址总线；由 P0 口分时复用作为数据总线。