基于51单片机抢答器设计

课课程程设设计计（论论文文） 课程名称： 单片机原理及其接口技术 题 目： 智力竞赛抢答器的设计 院 （系）： 理学院 专业班级： 电子信息科学与技术 1301 班 姓 名： 毛文强 学 号： 131004014 指导教师： 2016 年 7 月 1 日 西安建筑科技大学西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书 专业班级：电子信息科学与技术1301 学生姓名:毛文强 指导教师(签名): 一、课程设计（论文）题目一、课程设计（论文）题目 基于 51 单片机智力竞赛抢答器的设计 二、本次课程设计（论文）应达到的目的二、本次课程设计（论文）应达到的目的 熟悉8路抢答器工作原理和设计方法，利用单片机实现抢答器 抢答，并采用Proteus软件仿真，理论联系实际，将理论知识转换为 实践能力。 三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、 技术参数、设计要求等）技术参数、设计要求等） 主要内容：编写程序，利用单片机控制抢答器及显示。 要求： （1）要求采用51单片机作为控制器； （2）通过一个共阴极数码管进行号码显示； （3）抢答器需要实现锁存优先抢答号码及显示等功能。 四、四、应收集的资料及主要参考文献：应收集的资料及主要参考文献： 1 严洁.单片机原理及其接口技术.第一版.机械工业出版社, 2010.7792 2 谢维成，杨家国.单片机原理接口及其应用系统设计.第一版. 电子工业出版社,2014.104110 3 胡汉才.单片机原理及其接口技术.第一版.清华大学出版社， 2004.156156 4 楼然苗，李广飞.单片机课程设计指导.第二版.清华大学出版 社，2009.8087 5 杨居义，马宁.单片机原理设计指导.第一版.清华大学出版社， 2009.8889 五、审核批准意见五、审核批准意见 教研室主任（签字）教研室主任（签字） 摘要 本次课程设计通过对 8 路智力竞赛抢答器的研究与分析，了 解抢答器的工作原理，以 AT89C51 微处理器作为主要模块、数 码管做为显示模块组成的用于表决选择的抢答器。本文主要介绍 AT89C51 微处理器、数码管和蜂鸣器等电子元器件的相关功能 及其应用。合理选取 AT89C51 系列集成电路芯片通过划分功能 模块完成抢答部分与显示部分的电路设计，结合实际应用与理论 设计，使用蜂鸣器构成扩展电路，通过八个按键开关来摸拟八路 选手的抢答，开始键按下，则进入到八个按键的扫描中。通过数 码管来显示抢答选手的号数，并由蜂鸣器发出抢答产生信号，利 用 Proteus 电路模拟仿真软件，实现 8 路智力竞赛抢答器的模拟 仿真，最终实现可控 8 路智力竞赛抢答器的设计。 关键词：抢答器，集成芯片，AT89C51，Proteus Abstract The course is designed by 8 quiz Responder research and analysis to understand Responder works with AT89C51 microprocessor as the main module, LED display module as the Responder for voting choice. This paper describes the correlation function and its application AT89C51 microprocessor, digital control, buzzer, and other electronic components. Reasonable selection AT89C51 series is completed by dividing the integrated circuit chip modules answer part of the circuit design and the display section, combined with the practical application of theory and design, constitute a buzzer expanding circuit, through eight key switch to analog eight players answer, start key is pressed, the process proceeds to the scan in eight buttons. Through digital number to show the number of players answer, the answer issued by the buzzer signal generated using Proteus circuit simulation software, simulation 8 quiz Responder, and ultimately controllable 8 quiz Responder design. KeyKey WordsWords：Responder，Integrated chip，AT89C51，Proteus 目录 1 绪论 1 1.1 课设背景 1 1.2 Proteus 仿真简介 .2 2 设计方案 4 2.1 硬件设计方案 .4 2.2 软件设计方案 .4 3 硬件电路设计 .6 3.1 微处理器 AT89C51 简介 .6 3.2 管脚说明 7 3.3 模块电路原理分析 .9 3.3.1 抢答器的电路框图 9 3.3.2 时序控制电路 .10 3.3.3 时钟电路 .10 3.3.4 扩展电路 .11 4 软件方案设计 13 4.1 程序设计 .13 4.2 总电路仿真测试 .15 5 心得体会 16 参考文献 17 1 绪论 1.1 课设背景 随着各种知识竞赛电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢 答器排上了用场，抢答器不仅体现选手之间的公平抢答，而且能 增加节目现场的紧张、活跃气氛。 在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知 道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任 务。这次设计就是用 AT89C51 微处理器和其他元器件设计一个 八路抢答器。数字抢答器由主体电路与扩展电路组成，优先编码 电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出； 用控制电路和主持人开关启动电路，以上两部分组成主体电路。 通过蜂鸣器实现在选手抢答开始或抢答成功时响铃提示功能，构 成扩展电路。 本次课程设计的设计目的归纳为： 1.抢答器可同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，分别用 8 个 按钮就表示； 80 SS 2.为节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和 抢答的开始； 3.抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选 手按下抢答按钮，编号立即锁存，并在 LED 七段数码管上显示 出选手的编号、蜂鸣器给出音响提示，同时要封锁输入电路，禁 止其他选手抢答。优先抢答选手的编号保持到主持人将系统清零 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 1 页 共 17 页 为止。 1.2 Proteus 仿真简介 Proteus 软件是英国 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿 真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件 的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从 事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青 睐。 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、 代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计， 真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路 仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台， 其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、808 6 和 MSP430 等，2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器， 并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。 在 PROTEUS 绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文 件：*.HEX 可以在 PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状 态和过程。PROTEUS 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也 可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到 实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。 这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器 件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果 等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于 PROTEUS 提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修 改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的 虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的 平台。 随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门 重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特 点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造 的风险。相信在单片机开发应用中 Proteus 也能茯得愈来愈广泛 的应用。使用 Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿 真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生 的电路设计能力及仿真软件的操作能力。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 3 页 共 17 页 2 设计方案 2.1 硬件设计方案 抢答器由基本电路和扩展电路两部分组成。基本电路完成基 本的抢答功能，即抢答开始后，当选手按下抢答键，能显示选手 的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完 成抢答开始和抢答成功时有蜂鸣器响起提示。 根据课程设计要求可以大概构思出硬件电路图：数码管与单 片机的 P0 口的低七位相连接；P0.7 口与蜂鸣器相连接；P1 口接 八个按键；P2 口接八个 LED 灯分别显示八位选手抢答的指示信 号。 用以 AT89C52 为核心的单片机控制方案，通过相应的程序，并通 过按键来进行电平识别，再由单片机输出相应的程序，并将相应 数值通过数码来显示。用单片机来制作的抢答器，硬件电路比较 简单，容易明白，且成本相对较低。 2.2 软件设计方案 （1）中断的开通与关断设计 为达到在主持人未按下按键前抢答无效应该设置外部中断为 开中断，外部中断 0 为关中断。当开始抢答信号发出后，开外部 中断 0 以接收选手抢答中断信号。选手抢答后，开外部中断 1 从 而使主持人再次按下按键后可以开始下一次抢答。 （2）数码管的显示 方案一：采用静态显示，是指当数码管显示某一字符时，七 段数码管的对应段的发光二极管被选中，在这种显示方式下，每 段 LED 都对应一个单片机口线。 方案二：采用动态显示，对于多位数码管显示时，每一位数 码管轮流显示，当显示间隔时间较短时人眼就分辨不出是动态显 示，而是每一位都是一直都在显示。 比较二者，静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管 导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需 要更新显示内容时，CPU 才去执行显示更新子程序，这样既节约 了 CPU 的时间，又提高了 CPU 的工作效率。其不足之处是在需要 用于显示的数码管较多时占用硬件资源较多，每个 LED 数码管需 要独占 8 条输出线。随着显示器位数的增加，需要的 I/O 口线也 将增加。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但是要 保证显示器正常显示，CPU 必需每隔一段时间执行一次显示子程 序，占用 CPU 大量时间，降低了 CPU 的工作效率，同时显示亮度 较静态显示器低。 通过以上分析，结合本课题只提供一位数码管，所以采用方 案一。 3）抢答信号指示灯 对于这一位 LED 灯的闪烁可以通过软件程序的编写，交替送 出电平高低控制其闪烁。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 5 页 共 17 页 3 硬件电路设计 3.1 微处理器 AT89C51 简介 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、 高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种 带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可 擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集 和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合 在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如 图 3-1 所示。 图 3-1 AT89C51 逻辑符号 3.2 管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的 低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被 内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为低八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口 缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时， 其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利 用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时 接收高八位地址信号和控制信号。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 7 页 共 17 页 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接 收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上 拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 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（外部中断 1） P3.4 T0（计时器 0 外部输入） P3.5 T1（计时器 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） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个 机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电 平用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于 输入编程脉冲。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。因此它可用作对外部输出的脉 冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器 时，将跳过一个 ALE 脉冲。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。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部 执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器 取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存 储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储 器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方 式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此 间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向 放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部 时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽 无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.3 模块电路原理分析 3.3.1 抢答器的电路框图 如图 3-2 所示为电路框图。其工作原理为：接通电源后，主 持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示 器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置，“开始”状态， 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 9 页 共 17 页 宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。 选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、 编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二 次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次 操作“开始、停止“状态开关。 图 3-4 抢答器框图 3.3.2 时序控制电路 控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能： a.主持人将控制开关拨到“开始“位置时，扬声器发声，抢答 电路进人正常抢答工作状态； b.当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路停止工 作。 3.3.3 时钟电路 外部震荡电路单片机必须在 AT49C51 的驱动下才能工作，在 单片机内部有一个时钟震荡电路，只需要外接一个振荡器就能产 生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，外部震荡电路如 图 3-5 所示。 图 3-5 外部震荡电路 3.3.4 扩展电路 数码管的设计: 图 3-6 中数码管采用的是 1 位七段共阳数码 管，其中 a - g 段分别接到单片机的 P1.0 - P1.6 口，由单片机 输出的 P1 口数据来决定段码值。 图 3-6 数码管显示电路 蜂鸣器的发声主要用于对有抢答时的报警信号，以提示主持 人。蜂鸣器的发声由三极管放大电压、电流来驱动，其中三极管 的基集接单片机的 P2.0 口，以提供导通基集电流，从而经放大 后达到蜂鸣器的发声电压、电流。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 11 页 共 17 页 图 3-7 报警电路 4 软件方案设计 4.1 程序设计 抢答器的程序初始化主要完成中断初始化，数码管显示初始 化。中断初始化主要是对主持人按键中断信号和抢答中断信号的 初始化，首先设置为主持人中断优先，抢答中断其后，即只有主 持人按下按键后才允许选手抢答。而对于数码管的初始化显示在 本课题中是使数码管全灭。初始化程序如下： MOV A,#7FH ；初始化 MOV P0,A SETB EA ；CPU 开中断 SETB EX1 ；开外部中断 1 SETB IT1 ；外部中断 1 设为电平触发方式 CLR EX0 ；关外部中断 0 程序主要是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。处理程序和流程图如下： SETB EX0 ；开外部中断 0 SETB IT0 ；外部中断 0 设为电平触发方式 MOV A,#40H MOV P0,A ；主持人按键显示段码送到 P0 显 示 RETI ；中断返回 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 13 页 共 17 页 总程序如下： ORG000 JMP BEGIN TABLE: ; 共阴极数码管显示代码表 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ; 01234 DB 6DH,7DH,07H,7FH ; 46789 DELAY: MOVR5, #20 ; 延时 2020ms 子程序 LOOP4: MOVR6, #50 LOOP5: MOVR7, #100 DJNZR7, $ DJNZ6, LOOP5 DJNZR5, LOOP4 RET BEGIN: MOV P2, #0FFH ; P2 口置高电平，准备接收信号 MOV R4, #0; “R4“的位标志值清零。 MOVA, R4; “R4“位标志值送 A 寄存 AGAIN: MOV DPTR,#TABLE ;共阴极数码管代码表首址送 MOVC A, A+DPTR ;取出显示“0“的代码送 P 口显示 MOV P1, A LOOP1: MOVA, P3;接收 P3 口的抢答信号。 CPL A ;抢答信号求反 JZ LOOP1 ;如果没有抢答信号再返回 LOOP1 LOOP2: RRC A;有抢答信号则逐次移动判断是那一位抢答 INC R4 ;每移一次位，R4 位标志值加 1 JNC LOOP2如果没有遇到抢答信号返回 LOOP1 继续移 位 MOV A, R4 ;遇到抢答信号把 R4 位标志的只送 A MOVC A, A+DPTR ;找到相应位的显示代码 MOVP1, A;送 P1 口显示 LOOP3: JNB P2.2, BEGIN ;若主持人按了复位信号健则转向程序复位 CPL P2.0 ;若没按复位信号键，则通过 P2.2 给出高低信号驱动蜂鸣器 LCALL DELAY ;调用延时程序 SJMP LOOP3 ;P2.2 口反复间隔 0.4 秒变化，驱动蜂鸣器 4.2 总电路仿真测试 电路仿真模拟图如图 4-1 所示，当主持人开关置于“清零” 位置时，选手按下抢答键不会有任何作用，只有当主持人宣布抢 答开始，同时将主持人开关拨到“开始”位置时，选手方可开始 抢答，假设 7 号选手抢答成功，则数码管上显示“7”,同时蜂鸣 器响起提示已有选手抢答成功。由于 X3 的锁存效果，选手抢答 成功之后