八位计分抢答器 毕业综合实践报告（论文）.doc

毕业综合实践报告（论文）题目:八位抢答器学号：姓名： 专业： 指导教师： 成绩：完成时间： 摘要随着计算机技术的高速发展，单片机以其自身的特点，已广泛应用于智能仪器，工业控制，家用电器，电子玩具等各个领域，特别是抢答题目的时候，同样需要单片机来控制整个过程。在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先抢答，必须要设计一个系统来完成这个任务，如果在抢答中，靠视觉很难判断出哪组先答题，利用单片机系统来设计抢答器，是以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可以分辨出哪组优先答题。这样使得选手都处在同一起跑线上，体现公平公正原则本系统设计的八路抢答器主要是采用ATMEL公司的STC89C51单片机作为核心，控制系统的四个模块分别为：显示模块，储存模块，语音模块，抢答开关模块。抢答组数可以在八组以内任意使用。通过本系统的设计后，主持人可以很快判断是谁抢答成功，以及给予相应的惩罚。关键词：单片机STC89C51 抢答器 Abstract In this paper, the electric circuit and designing thought of an answering racer based on the common-used series of 74 IC with 8-wire is introduced, and its function is also described. The answering races function includes timing, counting, and alarming, besides the basic function of an answering racer. The host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count down the time automatically. If anybody answer the question on time, the counting of time will stop; If nobody answer the question on time, the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no use, so the function of alarming is achieved. Keywords: 8-wire, answering racer, design, timing, counting, alarming 目录 第一章绪论1第1节抢答器的研究意义1第2节 抢答器的相关背景1第3节 抢答器的发展现状2第4节 研究目的和内容2第5节 抢答器目前存在的主要问题2第二章 抢答器的设计4第1 节 设计要求4第 2节 设计方案4第3 节 总体原理框图5第4节 硬件的设计64.1 时钟模板64.2复位模块74.3 数码管显示模块84.4发声模板84.5 键盘模板9第5节 软件部分105.1主程序系统结构图105.4 抢答、回答时间调整子程序流程图135.5延时程序设计135.6中断程序设计145.7数码管显示15第三章仿真调试17第1 节 仿真软件介绍17第2节 仿真操作17第3节 仿真作用17第4节调试18结束语19致谢20参考文献21附录一22第一章绪论第1节抢答器的研究意义随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等因此出现了抢答器。抢答器一般是由很多线路组成的复杂电 路，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了数码管显示电路实现了其他功能。抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。第2节 抢答器的相关背景在各类竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一名选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答过程中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使有两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。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。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、抢按 或抢按后的计时、选手得分显示功能。像这类抢答器，制作过程简单，准确性与可靠性高，而且安装维护简单。对于抢答器的应用，如早期的数字电路，随着科技的逐步发展，进而到了单片机的控制来实现其功能，而且功能齐全，电路简单，成本低，性能高，真正朝着 有利的方向发展。第3节 抢答器的发展现状 随着电子技术的发展，现在的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。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 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。第4节 研究目的和内容本系统采用模块化设计智能抢答器在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答 按 钮。主 持人有 开 始 和 结 束、复 位 键。在 后 台 主 持人可 以 修 改，抢 答 时 间 和 选 手 回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为20s，回答问题时间为60s。通过加键和减键 修 改 上 述 时 间，改 完 后 确 认 键 确 定。新 时 间 开 始 有 效，主 持 人 按 键 开 始后，选 手 开始抢答为有效，数码显示屏显示选手号和抢答时间倒计时，在最后五秒发提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。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目前常用的抢答器相比，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机内部，其次，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。第5节 抢答器目前存在的主要问题 目前多数抢答器存在个别不足之处，第一现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有很长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增 加 了 安 装 的 难 度，甚 至 影 响了 现 场人员 的 走 动。第 二，电 路 复 杂。因 为 单片 机 只 完 成 号 码 处 理、计 时、数 据 运 算 等 功 能，其 他 功 能 如 选 手 号 码 的 识 别、译 码、等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第二章 抢答器的设计第1 节 设计要求（1）8人进行的抢答器。（2）抢答选手键盘和主控机通信采用RS232协议。（3）系统设置复位按钮，按动后，重新开始抢答。（4）抢答器开始时数码管显示序号0，选手抢答实行优先显示，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。抢答后显示优先抢答者序号，同时发出音响。，并且不出现其他抢答者的序号。（5）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间有主持人设定，本抢答器的时间设定为20秒，当主持人启动“开始”开关后，定时器开始减计时，同时蜂鸣器有短暂的声响。（6）设定的抢答时间，选手抢答时，显示器上显示选手的号码且选手有30秒答题倒计时。如果30秒内选手没答出就进行下一题。（7）当设定的时间到，而无人抢答时，本次抢答无效，扬声器报警发出声音，并禁止抢答。定时器上显示00。（8）具有选手计分和显示总分的功能。（9）抢答时间和答题时间可以调整。（最大不超过99秒）第 2节 设计方案本系统采用单片机作为整个控制核心。控制系统的四个模块为：显示模块、发声模块、抢答开关模块、主持人控制模块。该系统利用数码管来完成显示功能，记录每个选手的分数，初始分均为100分；通过八个开关按键让选手输入抢答信号，并使用蜂鸣器发声，主持人控制加减分、开始以及确定按钮实现抢答和计分。第3 节 总体原理框图 图1 参赛者系统，除享有抢答按钮的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。本设计中，有一个共阳的数码管组，四个数码管。其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码及显示选手得分三个数码管。主持人依次按下复位键，开始键后开始抢答。可以抢按。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。单片机的选择 用STC89C51的单片机作为控制主机。之所以选择作主机是因为89C51作为 51系列单片机的一种，其使用性能稳定，价格便宜，完全能够满足此次设计的需求。而且89C51内部集成了程序存储器，可以装载用户程 序，方便后续的课程设计需要，不像 8031 因为要外接程序存储器而是电路相对麻烦了。第4节 硬件的设计(1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。(2) 留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。(3) 程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C52单片机。(4) I/O端口，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，但以后用的时候就派上用场了。4.1 时钟模板晶振电路由2个电容，一个晶振组成，如图所示 图2单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。单片机晶振两端有2个电容，这2个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的2个脚上和对地的电容，一般在几十皮法。它会影响到晶振的振谐频率和输出幅度4.2复位模块   复位电路由电容、电阻、复位按键组成，如图所示。 图3 AT89C52的复位引脚（RESET）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期，即可产生复位的动作。以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为1S，两个机器周期为2S，因此，在第9脚上连接一个2S的高电平脉冲，即可产生复位动作。最简单的就是只有一个电阻跟一个电容就可组成一个可靠复位的电路，复杂一点的就加个按键，可以进行手动复位。4.3 数码管显示模块图4 根据设计，系统包含4个LED数码管，都为八段（、），数码管分别显示四位参赛选手的分数。该系统采用共阳极数码管，对于阳阴极数码管，其公共端必须接高电平。数码管中选手初始分都为100分，每当主持人控制对应选手加减分时，数码管显示的数字对应发生改变。4.4发声模板发声模块由单片机和蜂鸣器两大主要部分组成。 图5 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口线的“高”电平或低电平，则在该口在线就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程控“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。4.5 键盘模板键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。  图6 它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里我们取10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。 在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有8个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。第5节 软件部分5.1主程序系统结构图 硬件电路确定后，软件的编程要与硬件相匹配，软硬件才能结合完成所要实现的功能。由功能分析得到以下的软件结构图： 图9 5.2 主程序流程图YNYN 图10 软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。系统软件由两大模块组成：主程序模块和功能模块。主程序模块： 主程序主要完成抢答控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时，单片机通过循环对选手的按键进行实时检测。主持人复位后，选手进行抢答，倒计时开始，途中如果有选手按下抢答键，则主持人按下复位键，此时20s倒计时结束，然后抢答到的选手开始回答问题，由主持人负责加减分，回答对了加十分，回答错误则减十分。主流程图如下：5.3 抢答成功流程图  图11 如图所示当主持人按下开始键，响铃短暂发声提醒选手抢答，选手有30秒时间抢答，当某个选手抢答显示其序号并有60秒答题时间。5.4 抢答、回答时间调整子程序流程图  图12该智能抢答器的抢答时间是可以根据实际情况进行调整，如图所示，如果想调整抢答时间，按下“加1”键。按下“减一”键。LED显示装置会自动显示修改后的抢答时间。抢答时间的设定值范围是099S。八路计分抢答器涉及的单片机程序有延时程序、数码管显示、按键消抖、查表程序、中断定时器/计数器等等5.5延时程序设计延时程序用来控制LED闪烁的时间间隔，蜂鸣器声响时间和按键消抖。延时程序的编写就是利用给寄存器赋值，然后利用DJNZ指令判断寄存器是否为零，在利用几个DJNZ嵌套，结合指令执行所占的机器周期，计算延时程序的延时时间。根据延时时间的不同来设置寄存器的值。5.6中断程序设计外部中断1处理程序程序主要用来处理主持人按键发出的抢答信号的显示和选手抢答按键的允许，在主持人按下按键后，使数码管显示0以示意选手可以开始抢答，同时开外部中断0，即允许选手抢答中断。同时，数码管显示0就说明主持人已经按下按键，所以在这里没有调用键盘消抖延时程序 图13外部中断0处理程序也就是选手抢答中断处理程序。首先调用键盘消抖延时程序，确定有键按下后。当有两位选手同时抢答时根据要求的八号选手优先级，一号选手优先级最低的要求，所以在编写软件的时候首先检测下一位，依次检测下去。按键处理程序此过程就是蜂鸣器响一声，数码管显示选手号，对应选手LED闪烁五次。数码管显示就是给P0送入选手号对应段码；P0.7高电平，使蜂鸣器发声，在调用蜂鸣器发声时间延时程序，然后使P0.7为低电平关闭蜂鸣器发声。LED闪烁是给P2口对应的口线交替送高低电平，同时调用延时程序用来控制闪烁的时间间隔。5.7数码管显示数码管引脚图如下： 图14 十六进制数段码表数字共阳极共阴极0COH3FH1F9H06H2A4H5BH3B0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H8F8H7FH980H6FHA90H77HB88H7CHC83H39HDC6H5EHE86H79HF8EH71H灭FFH00H 图15数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省变量的I/O端口，而且功耗更低。静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×840根I/O端口来驱动，要知道一个89STC51单片机可用的I/O端口才32个呢：），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。第三章仿真调试第1 节 仿真软件介绍 为了更好地完成课程设计这一重要教学环节，我们采用Proteus软件与Keil软件整合构建单片机虚拟实验平台。首先在PC上利用Proteus软件自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能完成电路分析、系统调试和输出显示的硬件设计部分；同时在Keil软件中编制程序，进行相应的编译和仿真，完成系统的软件设计部分。当系统的设计工作完成后，我们可以在PC上看到最终的运行效果。最后再通过proteus设计PCB，再完成真正硬件的调试。 采用以上方案具有以下优势：有利于促进课程和教学改革，更有利于人才的培养；从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的课程设计平台是非常有意义的；利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本；利用仿真系统，具有很大的灵活性和可扩展性。第2节 仿真操作在软件调试过程中，第一阶段，我根据程序流程图在草稿上写出主体程序，然后逐步细化，采用模块化程序设计方法，如初始子程序，延时子程序等等，这样简洁明了，很方便查找问题；第二阶段，我将所写的程序输入到电脑上，利用Keil软件调试：新建项目，保存，新建文件，编译，仿真。在软件仿真中，我在工程项目的 Source Group1母文件夹下添加了两个子文件（一个原文件，一个修改后的文件） ，然后点击Rebuild All Target Files编译图标，编译器马上给我提示，程序正确！这个软件使得程序很快得到验证，也为我的设计提高了效率！第3节 仿真作用 仿真过程是正确实现设计的关键环节，用来验证设计者的设计思想是否正确。方便了我们修改也节省了大量的实验材料，更适合未来的发展趋势。第4节调试硬件电路的调试最主要是对于电路板的安装和调试，先用Protel 99 SE画出电路图然后用仿真软件软件仿真后再确定电路板上各个元器件的位置，确认好位置后才好安装电路板。元器件虽然不算多但是对于电路板的排版和外观方面我们还是下了很多功夫，对于数码管各个引脚的焊接算是比较繁琐的每个引脚都需要仔细焊接。设计中我们便遇见了焊接工艺的问题导致后来回头去找电路板上的问题，这就很得不偿失了。在焊接RS232串口协议时候比较关键，232串口的焊接成功决定了后期程序烧写的关键。对于串口我们还是深入的进行了了解，搜索了很多的资料。在实际设计电路中每个单元电路都能设计，但是要将每个单元部分整合起来相互关联、相互控制，却让我们大伤脑筋。因为电路功能相互牵制，我们总是会顾此失彼，保证了一个功能的实现，却难免会影响到另一功能的完美运行。结束语在八位抢答器设计过程中，体会到团队的重要性，经过小组成员的商讨以及唐老师的指导下我们小组完成了八位抢答器的设计，也更加明白人生并不是一条宽阔平坦的大道，总是充满了坎坷与挑战，总会有崎岖和荆棘丛生的荒野。然而生命是一个过程，生活是一种态度，只要我们永怀一颗感恩的心，以一种乐观的态度，永远对生命充满希望，那么不论什么境况，慢慢体味细细品尝，总能感悟出其中的美意；只要我们用一颗豁达且认真的态度对待，那么就永远有一缕曙光在我们的前方，照亮我们前行的路。即将开始新的历程，对我的后来者们予以祝福，且行且歌且珍惜。致谢本论文的完成，得益于唐老师细心指导，使本人有了完成论文所要求的知识积累，更得益于小组成员从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对我们小组表示感谢！参考文献1辛友顺，韩彦征编著，51单片机原理与实践/高卫东，.北京航空航天大学出版社，2008. 2 刘红玲、邵晓根，微机原理与接口技术，中国电力出版社，2006年第一版 3 冯博琴，微型计算机原理及接口技术，清华大学出版社4 艾德才，微型计算机原理与接口技术，高等教育出版社 5 沈美明，IBM-PC汇编语言程序设计，清华大学出版社6 任致程，经典集成电路400例机械工业出版社，20027 薛栋梁，单片机原理及应用，中国水利水电出版社，2001 8 谢筑森，单片机开发与典型应用设计，中国科学技术大学出版社9李广弟，单片机基础，北京航空航天大学出版社2007年第三版附录一OK EQU 20H RING EQU 22H DATA0 EQU 36H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTT0 ORG 000BH AJMP T0INT ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040HMAIN: MOV R1,#14H MOV R2,#1EH MOV 38H,#3CH MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0F0H MOV TL0,#0FFH MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H SETB EA SETB ET0 SETB ET1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0 START: MOV DATA0,#0FFH MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH MOV R3,#0BH ACALL DISPLAY JNB P3.3,SELSUB0 JNB P3.2,SELSUB1 JB P3.6,NEXT SETB EX0 ACALL BARK MOV A,R1 MOV R6,A SETB OK MOV R3,#00H AJMP COUNT NEXT: JNB P1.0,FALSE1 JNB P1.1,FALSE2 JNB P1.2,FALSE3 JNB P1.3,FALSE4 JNB P1.4,FALSE5 JNB P1.5,FALSE6 JNB P1.6,TZ1 JNB P1.7,TZ2 AJMP START TZ1: AJMP FALSE7TZ2: AJMP FALSE8FALSE1: MOV R3,#01H AJMP ERRORFALSE2: MOV R3,#02H AJMP ERRORFALSE3: MOV R3,#03H AJMP ERRORFALSE4: MOV R3,#04H AJMP ERRORFALSE5: MOV R3,#05H AJMP ERRORFALSE6: MOV R3,#06H AJMP ERRORFALSE7: MOV R3,#07H AJMP ERRORFALSE8: MOV R3,#08H AJMP ERRORSELSUB0: MOV A,R1 20s MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A 2 MOV R4,B0 MOV R3,#0AH ACALL DISPLAY JNB P3.4,INC0 JNB P3.5,DEC0 JNB 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