基于单片机八路抢答器设计.doc

本科生毕业论文（设计）题 目: 基于单片机八路抢答器的设计 姓 名: 学 院: 理 学 院 专 业: 电子科学与技术 班 级: 08级（2）班 学 号: 1886080220 指导教师: 职称: 2012年 3 月 16 日安徽科技学院教务处制基于单片机八路抢答器的设计摘要二十一世纪我们进入信息高速发展时代，单片机以其自身的特点，现已广泛应用于智能仪器、工业控制、家用电器等各个领域。在抢答过程中，光靠听觉是很难判断出哪组先答题，为了体现公平公正的原则，所以设计出八路抢答器这个系统。本系统主要是采用AT89C52单片机，具有性能可靠、电路简单、成本低等特点。它的功能实现是比赛开始，主持人读完题之后按下开始开关，即计时开始，此时数码管开始进行30秒倒计时，直到有一个选手抢答时，对应的会在数码管上显示出该选手的编号以及剩余时间，同时蜂鸣器也会发出声音，以提示有人抢答本题，在规定的最后5秒时间内还没有做出抢答，蜂鸣器发出报警，提示选手尽快作答，如果30秒内无人作答则此题作废，即开始重新一轮的抢答。关键词：抢答器；数码管；单片机AbstractIn twenty-first Century we entered the rapid development of the information age, single chip with its own characteristics, has been widely used in intelligent instruments, industrial control, household appliances and other fields. The answer in the process, light relies on hearing is very difficult to determine which group to answer the question, in order to reflect fair principle, so the design of eight way responder in the system.This system is mainly used AT89C52 MCU, has reliable performance, simple circuit, low cost. Its function is read after the title game, the host press start switch, namely, start time, the digital tube start30 seconds countdown, until one player contest, corresponding to the will in the digital tube displays the player's number and the time remaining, and a buzzer would sound, to prompted some people to answer that, in the last 5 seconds of time also made no answer, buzzer alarm, prompting players to answer as soon as possible, if30 seconds no answer this question voided, i.e. began to round responder.Key words:Responder; Digital control; Single-chip microcomputer目录摘要2Abstract3第一章 绪论6第二章 八路抢答器整体设计方案72.1方案设计72.2方案论证8第三章 系统硬件设计103.1单片机的选择与介绍103.2时钟电路与复位电路123.2.1时钟电路123.2.2复位电路123.3抢答电路133.4 显示电路133.5控制电路143.6报警系统153.7整个系统的工作原理15第四章 软件设计164.1定时中断模块164.2外部中断模块164.3报警模块174.4控制模块184.5主程序模块19第五章 系统的仿真215.1 Keil软件的仿真215.2 Proteus软件仿真215.3仿真分析23第六章 总结24参考文献25致谢26附录一 电路原理图27附录二 系统主程序28第一章 绪论二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”。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电路组成的，线路复杂，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它功能。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。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、存储模块、语音模块、抢答开关模块。该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号，利用一个数码管来完成显示功能，用按键来让选手进行抢答，在数码管上显示哪一组先答题的，从而实现整个抢答过程。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用89C52单片机作为核心。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理， 输出控制信号，单片机控制的智能抢答器设计。 第二章 八路抢答器整体设计方案2.1方案设计方案一: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。抢答按钮啊编码电路译码显示显示电路译码电路定时电路秒脉冲产生电路优先编码电路锁存器主持人开关控制报警电路控制电路模数电抢答器设计方案方案二:该系统采用8051系列单片机89c52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。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机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，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。MCS-51单片机特点如下：<1>可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令和数据都可以写在ROM里，许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高，易扩充。<2>单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。<3> 控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。方案比较及其选用依据，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89c52单片机采用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张功能。而方案一采用了中小规模集成电路，有其复杂的电路性能，从而可能会使信号的输入输出产生延时及不必要的误差。依此依据选择方案二比较适合。总原理图见附录2。其原理框图如下:单片机时钟电路报警电路复位电路抢答电路控制电路显示电路单片机抢答器设计方案2.2方案论证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、证券、股票交易及各种智力竞赛等场合。在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，因此设计出了抢答器。方案一由很多电路组成，线路复杂，可靠性不高，功能比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。因此我们设计采用方案二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它功能，主持人更好的判断，也体现比赛的公平公正原则。第三章 系统硬件设计3.1单片机的选择与介绍AT89C52是8位通用微处理器。采用标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。 Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。 P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑 门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2 ：振荡器反相放大器的输出端。AT89C52引脚图3.2时钟电路与复位电路 3.2.1时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。本设计采用的单片机提供各种微操作的时间基准，时钟信号以两种方式取得即：内部振荡和外部振荡，而本设计采用的是内部振荡方式。3.2.2复位电路复位电路的第一功能是上电复位。一般电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.755.25V。RST端的外部复位电路有两种操作方式：上电自动复位和按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，本系统设计采用上电复位，上电复位是直接将RST端通过电阻接高电平来实现单片机的复位。 复位与晶振电路3.3抢答电路本文采用矩式键盘输入装置，如图所示：抢答电路图3.4 显示电路在单片机应用系统中，对于结果都是要显现出来，本文采用的是环保的4位LED显示器。显示电路图如下所示：显示电路4位数码管动态显示原理与实现：P0.0-P0.6端口接动态数码管的字形码笔段，P2.0-P2.3端口接动态数码管的数位选择端。4位数码管的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增加位选端控制电路，位选端由独立的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端控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态显示原理。在轮流显示过程中，每位元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体的余辉效应，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资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，并且功耗更低3.5控制电路控制电路采用4个独立按键来控制抢答时间的加减，时间对抢答器功能的调节，如下图所示。控制电路其原理简单明了，当开始按键按下时，对于的IO端口被置于低电平，中断程序实现对应的功能。3.6报警系统因为抢答器的报警比较简单，只起提示选手的抢答成功信息及时间警告等少许功能，本次报警电路核心器件采用一个蜂鸣器实现报警。如下图所示：报警电路3.7整个系统的工作原理本系统采用单片机作为整个控制中心，分为四个系统：显示模块、控制模块、报警模块、抢答模块。当主持人按下开始键时，向单片机P3.2引脚输入一个低电平信号，表示整个电路开始工作，此时数码管前两位显示选手编号（无人抢答显示00），后两位显示倒计时剩余时间。若在25秒内仍然无人抢答，蜂鸣器在最后5秒发出连续报警，提示抢答时间快要结束；若在30秒内有人抢答，并且抢答成功，则将选手编号显示在数码管前两位上，后两位显示抢答剩余时间，同时蜂鸣器发出一声报警，提示其他没有抢答的选手此题已被人抢答成功。若在抢答过程中遇见特殊情况，主持人则可以通过时间加，时间减按键来进行时间调节。若要开始新的一轮抢答，主持人按下复位键再按开始键即可。第四章 软件设计4.1定时中断模块因为抢答器中需要显示倒计时来提示选手们抢答时间，在规定时间内作答，所以需要有定时中断模块，当时间小于6秒时，抢答器需要提供警告，以及当抢答时间结束时，要关闭外部中断，表示抢答结束，此时再有键按下抢答器也不会做出反应。流程图如下图所示。定时器0中断1秒中断秒加1？数码管显示秒值中断返回抢答器定时器中断流程图4.2外部中断模块抢答器主要外部中断来自于选手们的抢答，当选手抢答时，抢答器同时判断被按下的键号并显示在数码管之上，然后再数码管上显示剩余时间，同时关闭中断，表示抢答结束，此时再有键按下抢答器也不会做出反应。外部中断流程图如下图外部中断0中断数码管显示5数码管显示3数码管显示4数码管显示2数码管显示6数码管显示1数码管显示0K0按下？数码管显示7中断返回K2按下？K7按下？K6按下？K5按下？K4按下？K3按下？K1按下？外部中断流程图4.3报警模块报警模块主要作用有两个，一是当时间还剩5秒时，蜂鸣器放出报警，以此提示选手们抢答时间将要结束；二是当有选手第一时间抢答成功时发出报警声，提示其他选手不必再抢答。定时0中断秒加1？报 警中断返回时间=6YY报警程序流程图4.4控制模块控制模块主要作用是对抢答器的开始和复位功能进行控制，主要由主持人来实现次功能。当开始键被按下时，抢答器开始正常工作；当抢答器停止工作是，可以按下复位键使抢答器回答初始化状态，控制程序流程图如图所示。初 始 化 部 分K9=0？K9=0？K9=0？K9=0？启动中断，数码管开始倒计时时间加1时间加1中断返回YYNYY控制程序流程图4.5主程序模块主程序主要完成硬件初始化，子程序调用和程序间的切换，由于本设计要求抢答器具有开始、复位、抢答、三种方式切换功能，所以主程序除了要进行硬件部分的初始化以外还要进行各个程序之间的调用和切换，主程序流程图如图所示。开 始初 始 化 部 分K9=0？启动中断，数码管开始倒计时若有选手抢答中断停止，数码管显示选手编号及所剩时间结 束YY主程序控制流程图第五章 系统的仿真5.1 Keil软件的仿真将程序放入Keil软件中，运行查找错误，根据提示修改错误，直至0错误0警号为止，说明程序调试成功，然后生成HEX文件，且将HEX文件加载到电路中。如图：程序调控5.2 Proteus软件仿真（1）查找所需要的元器件；（2）根据电路图进行连线；（3）是用来写线所对应的坐标；（4）装载keil生成和HEX文件进行仿真。通过以上步骤，来实现抢答器设计的仿真实现，仿真如图所示：抢答器Proteus的仿真电路仿真运行图5.3仿真分析本系统经过好多次的调试与运行，最终成功。在proteus仿真过程中，自己受益匪浅，让我认识到单片机的功能之强大，通过这次设计，我发现自己很多东西都是不会，在老师的知道下，我发现自己还有很多东西需要学习。这次设计对于我以后的工作生活都是让我受益匪浅，让我懂得在以后的学习中要不断的学习。第六章 总结通过此次的抢答器的设计，让我重新拾起了以前所学习的电子知识，及我觉得此次设计让我更加巩固了所学的知识并在设计的过程中学会了与时俱进，克服了编程的枯燥感，让我受益匪浅，让我学会很多。（1）掌握了电子系统设计的流程，熟悉了软件编程方法以及各种硬件电路。（2）对于单片机的理解更加充分了。（3）通过各种计算机辅助设计工具完成了本次设计，掌握了这些工具的使用方法和技巧。（4）学会了利用Keil uVision3对C语言进行编译的过程，进一步加深了对PROTEUS软件的学习。这次设计过程中，我很深刻认识到自己知识的缺乏，通过不断的查找课本以及网上资源等，才得以完成这次的仿真。当然由于自己知识实在的不足，设计中还是存在很多的缺陷，真诚的接受老师给予的批评指正。参考文献1余发山 王福忠 单片机原理及应用技术 中国矿业大学出版社 2008.2吴黎明 单片机原理及应用技术 科学出版社 2003.3刘乐善 微型计算机接口技术及应用 华中科技大学出版社 2004.4 李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统的设计 电子工业出版社，2004.5 吴黎明, 王桂棠, 洪添胜单片机原理及应用技术 科学出版社,2005.6 韩克, 柳秀山, 等. 电子技能与E D A 技术 暨南大学出版社,20047李勋,刘源.单片机实用教程 北京航空航天大学出版社,2000,1-2008胡汉才.单片机原理及系统设计 清华大学出版社,2002,200-2609戴梅鄂,史嘉权.微型计算机技术及应用 清华大学出版社,2002,1-2210李朝清.单片机原理及接口技术 北京航空航天大学出版社,1999,150-17311李珍付,植桐.单片机原理与应用技术 清华大学出版社,2003,15-3012 美弗朗西斯·X·迪博尔德经济预测 中信出版社，200313 Gersho A,Gr R M.Vector quantization and signal CompressionBoston,Kluwer Academic Publishers.14丁玉美高西全数字信号处理M西安电子科技大学出版社，200615柴钰.单片机原理和应用M.西安电子科技大学出版社.16张靖武.单片机系统的PROTUSE设计和仿真M.电子工业出版社.2007.17唐 工.51单片机工程应用实例M.18张立科编著单片机典型模块设计实例导航北京人民邮电出版社，200419李金利编著单片机原理及应用技术北京高等教育出版社，200420董晓红编著单片机原理及接口技术西安电子工业出版社，200721王振红编著数字电路设计与应用实践教程北京机械工业出版社，200322张靖武编著单片机系统的proteus设计及仿真北京清华大学出版社，200323潭浩强编著C程序设计北京：清华大学出版社，2004致谢匆匆时光，转眼间大学四年就这样划过眼前，蓦然回首留下的每个脚步都是那么的难以让人忘怀，每一份情感都是那么的真实，那么的令人珍惜。这篇论文是在老师的指导下完成的，感谢老师这段时间给我的支持与关心，在很多方面都是老师细心的教导，感谢老师陪我走过的这段时间。这段时间让我感触很多，自己四年的时光感觉没有学到什么，而我们在老师面前我们还是那么的倍受关怀，那么的真实的对待我们，老师谢谢你，谢谢你不厌其烦的为我调试程序。在以后的工作道路上我知道自己还是有很多需要学习，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。还要感谢在这段时间给予我帮助的同学，感谢你们的陪伴，谢谢！最后由衷的感谢在四年大学时光里给予我帮助的同学和老师，谢谢你们的帮助，谢谢你们让我学会很多，懂得很多。希望在以后的道路上你们一路走好！在这离别之际，希望我们以后一路顺风，工作顺利，老师事业顺心，身体健康！附录一 电路原理图附录二 系统主程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit speak=P34;sbit huang=P30;sbit red=P31;sbit sjia=P36;sbit sji=P37;sbit kai=P30;sbit fuwei=P31;sbit kais=P32;uchar num,temp,shijian,shi,ge,ashi,age,aa,tt,bb,i;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;void delay(uint z)uchar x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void bj()for(i=0;i<110;i+)speak=speak; delay(6);for(i=0;i<230;i+)speak=speak; delay(2);void keyscan()if(sjia=0)delay(5);if(sjia=0)shijian=shijian+1;if(shijian=99)shijian=0;while(!sjia);if(sji=0)delay(5);if(sji=0)shijian=shijian-1;if(shijian=0)shijian=30;while(!sji);void zhuanhuan()shi=shijian/10; ge=shijian%10; ashi=num/10; age=num%10;void sound()speak=0;void main()huang=0;red=0;EA=1;TMOD=0x11;T2CON=0x01;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TH1=(65536-5000)/256;TL1=(65536-5000)%256;TH2=(65536-50000)/256;TL2=(65536-50000)%256;ET0=1;TR0=0;ET1=1;TR1=1;ET2=1;TR2=0;IT0=1;EX0=1;IT1=1;EX1=1;aa=0;bb=0;shijian=30;while(1)keyscan();void int_0() interrupt 0huang=1; TR0=1; TR2=1;void timer_0() interrupt 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