《八路竞赛抢答器》word版.docx

单片机原理及应用课程设计报告题 目： 八路竞赛抢答器专 业： 通信工程年 级： 2011级学 号： 1110618033学生姓名： 韦留帅联系电话：导老师： 王辉完成日期：2014年05月12日摘要利用单片机系统构成电子智能抢答器。在抢答器系统中，设有八个抢答组，可任意使用。并且具有倒计时和时间设置报警功能。本设计使用STC89C52单片机系统对信号进行锁存、显示等功能。通过对该系统的设置，使其具有自动计时功能，并且在规定时间内若有人抢答，则技术其停止在当前位置，抢答有效，若无人抢答则蜂鸣器会发出报警声，若不在设置时间内抢答，则视为抢答无效。该设计主要通过对单片机I/O口电平的高低改变从而实现数码倒计时和报警功能，从而达到八路智能抢答的效果。本文分别从硬件和软件两方面分别阐述该控制系统的设计方法，并通过运行和调试使该系统达到预期设计要求，具有反应快、功能强和便于修改的的性能。关键词：抢答器；STC89C52;定时；报警ABSTRACTSCM system use an electronic smart Responder. In the Responder system with eight Responder groups are free to use. And has a countdown and time to set the alarm function. This design uses STC89C52 SCM system latches the signal and display functions. By setting the system so that it has an automatic timer function, and if anyone answer within the specified time, the technical stop at the current position, effective answer, if nobody answer the buzzer alarm will sound, if set answer within the time is considered valid answer. The design is mainly through changes in the level of MCU I / O port level to achieve digital countdown and alarm functions, so as to achieve the effect of eight intelligent answer. In this paper, respectively, both from the hardware and software design methods were described in the control system, and by making the system run and debug the expected design requirements, with fast response, powerful and easy to modify the performance.Keywords: Responder; STC89C52; timed; alarm目录摘要IABSTRACTI1设计要求及方案选择11.1设计要求11.2方案选择12理论分析与设计32.1STC89C52单片机介绍32.2数码管及其内部电路42.3芯片74LS245的介绍52.4晶振的介绍62.5蜂鸣器63电路设计73.1硬件电路的设计73.2软件的设计114系统测试154.1调试所用的基本仪器清单154.2调试结果154.3测试结果分析155总结15参考文献16附表17181设计要求及方案选择1.1设计要求设计一个八路竞赛抢答器，要求：1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0S7表示；2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制；3. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右；4. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止；5. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。1.2方案选择方案一：利用优先编码器74LS148和基本触发器74LS279实现八路竞赛抢答器。图1.1 74LSXX抢答电路工作原理：如图1.1所示，当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。方案二：利用基本RS触发器和8线-3线优先编码器实现八路竞赛抢答器。工作原理：在选手抢答前， “清除/起始” 开关S使基本RS触发器输出端Q为0，使集成8线-3线优先编码器禁止；当主持人按下“清除/起始”开关S时，基本RS触发器输出端Q为1，与优先扩展输出端Yex共同作用，使集成8线-3线优先编码器选通输入端ST为0，允许编码，等待数据输入。此时优先按动序号的组号立即通过编码器按BCD421码输出，经RS锁存器74LS279将该数码锁存到LED显示器上。与此同时，Yex（引脚为14）由1翻转为0，与非门G1输出为1，选通输入端ST为1，编码器被禁止。此外，在Yex由1翻转为0时，还驱动报警电路工作，发出声音。方案三：利用STC89C52单片机实现八路竞赛抢答器。工作原理：如下图1.2所示，本方案以89C52单片机作为主控核心，与数码管、蜂鸣器等构成八路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时/中断等电路，在抢答器系统中，设有八个抢答组，可任意使用。并且具有倒计时和时间设置报警功能。设计的八路抢答器具有倒计时和实时显示抢答选手的号码的特点，还有复位电路，使其再开始新的一轮的答题和比赛。并且从硬件和软件两方面分别阐述该控制系统的设计方法，并通过运行和调试使该系统达到预期设计要求，具有反应快、功能强和便于修改的的性能。综上所述，考虑到电路的简单那易行和电路的稳定及反应灵敏程度，在这里选择方案三，用STC89C52单片机实现八路竞赛抢答器。图1.2单片机八路抢答器2理论分析与设计2.1STC89C52单片机介绍如图2.1所示，STC89C52有四十个管脚，STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。 主要特性如下： 1. 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统8051. 2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机） 3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工 作频率可达48MHz 4. 用户应用程序空间为8K字节 5. 片上集成512字节RAM 6. 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉， P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8. 具有EEPROM功能 9. 具有看门狗功能 10. 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2 11. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。图2.1 STC89C52引脚图 2.2数码管及其内部电路如下图2.2所示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。与此相同还有两位一体、四位一体和八位一体的数码管，在此不再介绍。在本次设计中用的单个数码管和两位一体的数码管均是共阴极数码管。图2.2数码管引脚及内部电路2.3芯片74LS245的介绍图2.3芯片74LS245引脚及内部电路图74LS245是用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 如果用C51的P0口输出到数码管，那就要考虑到数码管的亮度以及P0口带负载的能力，当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。选用74LS245提高驱动能力。P0口的输出经过74LS245提高驱动后，输出到数码管显示电路。2.4晶振的介绍图2.4晶振晶振常用于给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。原理：在石英晶体的两个极板上加一个电场，晶片会产生机械变形，对极板施加机械力使其变形，又会在极板上产生相应的电荷，这叫压电效应。如果在两个极板上加上交变的电压，晶片便会产生机械变形震荡，同时这种机械震荡还会产生交变的电场（比较的微小），但是当外加交变的电压的频率与晶片固有的频率（由其形状和尺寸决定）相等时，机械振动的幅度会加剧，产生交变电场也增大。叫做压电谐波。该设计中使用的为11.0592M的无源晶振。2.5蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）图2.5蜂鸣器如图2.5所示压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。蜂鸣器压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。在该设计中使用的为压电式有源蜂鸣器。3电路设计3.1硬件电路的设计下图3.1为本次设计原理图：图3.1八路竞赛抢答器原理图如图采用单片机STC89C52作为控制芯片，单片机的P0口外接一个两位一体的共阴数码管，用来显示30s的倒计时显示。并在P3口上并接开关按键，按键另一端接地。在程序编程上采用查询，查询P3口P3.0到P3.7的八个端口呈低电平，即查询是哪个选手先按键，然后将选手号码的字节数据送至串行口并在P1口外接的数码管上显现出来。蜂鸣器是利用三极管处于开关状态是的导通与截止工作，在三极管导通时蜂鸣器工作，三极管截止时蜂鸣器不工作。三极管采用8550 PNP型基极接于P2.4口置其低电平时三极管导通，置其高电平时三极管截止。 数码管采用共阴极七段显示，其内部发光二极管为共阴极接低电平，当对应发光二极管一端为高电平时发光二极管点亮，显示的数字或字符由送入的字节数据控制，电路中有一个一位数码管和一个两位一体的数码管，一位数码管用来显示抢答时，抢答的组数，两位一体的数码管用来显示30s倒计时显示。抢答组数由P3口的按键控制，通过是否按下按键来辨别是哪一组抢答，并在抢答时，倒计时停在当前值。30s倒计时显示，则由开始键按下后，开始计时，若在规定时间内无人抢答，最后数码管显示00并且蜂鸣器发出报警声。 （1）抢答组电路如图3.2所示，该部分电路主要用来设计抢答组，用八个按键分别区分从S1-S7八个抢答组，按键的一端与单片机的P3.0-P3.7相连，另一端均接地。接通电源后，单片机的P3.0-P3.7均为高电平，通过按下按键，把对应的管脚拉低，通过检测管脚的高低电平，便可得知抢答的是第几组，从而在数码管上显示出抢答的组数。数码管通过74LS245与单片机的P1.0-P1.7相连，数码管是一个共阴极的单位数码管，主要用来显示强大的组数，没有按键按下时，一直显示数字0保值不变，在规定时间内，有按键按下时，则显示与按键相对应的数字，即抢答的组数。不在规定时间内若按下按键，则数码管仍旧显示0，不计数。其中与数码管相连的74LS245是一个八路同向三态双向数据总线驱动芯片，具有三态功能，既可以输入数据，也可以输出，用在这里主要用于驱动数码管的显示。图3.2抢答组电路（2）单片机最小系统设计图3.3最小系统电路如图3.3所示为单片机的最小系统电路，其中左边部分为复位电路，右边为时钟震荡电路。外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。时钟震荡电路单片机必须在STC89C52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。（3）报警电路蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。C52增强型单片机实验板通过一个三极管S8550来放大驱动蜂鸣器。如图3.4所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P2.3引脚控制，当P2.3输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.3输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.3脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。图3.4蜂鸣器驱动电路（4）时序电路图3.5倒计时电路如图3.5所示，S13为两位一体的共阴极数码管，通过限流电阻J2与单片机的P0.0-P0.7相连，用来显示倒计时，当主持按下开始按键S11（start）后，数码管显示的时间有30开始进行倒计时，直到抢答组抢答为止，并停留在当前示数。按下复位按键后，数码管再次恢复“30”的显示。其中we1和we2为两位控制键分别控制数码管的十位和个位的显示。3.2软件的设计（1）程序流程图该图显示了整个电路的工作过程，结合硬件的软件电路，可知其整个电路的工作工程如下：主持人按下START按键蜂鸣器发生0.5s倒计时开始计时是否有人抢答N0YES返回停止计时，显示抢答组继续计时计时结束，蜂鸣器报警复位复位图3.6程序流程图（2）对应的程序如下：#include#define uc unsigned char#define ut unsigned intsbit we1=P20; /数码管显示位sbit we2=P21; /数码管显示位sbit beep=P23;/报警位sbit start=P22; /开始位uc aa,num1,key,num;uc code table1=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uc code table2=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f;void display(uc );/声明子程序uc keyscan();void init();void delay(uc );void main()/主函数init();/初始化while(1)if(num1=30)num=0;if(start=0)beep=0;/开蜂鸣器delay(500);/延时0.5sbeep=1;/关蜂鸣器num1=30;num=0;TR0=1;/开计数器display(num1);/显示计数P1=table2keyscan();/显示抢答组 void delay(uc z)/延时子程序uc x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void time1() interrupt 1 /中断程序TH0=(65536-50000)/256;/赋初值TL0=(65536-50000)%256;/赋初值aa+;if(aa=20)/达到1saa=0;num1-;/每1s减1if(num1=0)TR0=0; /关闭计数器num1=0;/计数结束while(!num1)we1=0;we2=0;beep=0;/报警 void init() /初始子函数num1=30;num=0;TMOD=0x01;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1;/开总中断ET0=1;void display(uc num1)/显示子函数P0=0;we1=0;we2=1;P0=table1num1/10;/倒计时十位显示delay(10);we2=0; we1=1P0=table1num1%10;/倒计时个位显示delay(10);uc keyscan() /抢答子函数key=P3;while(key!=0xff)delay(500);/延时消抖if(key!=0xff)TR0=0;key=P3;we1=0;we2=0;display(num1);switch(key)/判断抢答组case 0xfe:num=1;break;case 0xfd:num=2;break;case 0xfb:num=3;break;case 0xf7:num=4;break;case 0xef:num=5;break;case 0xdf:num=6;break;case 0xbf:num=7;break;case 0