毕业设计（论文）-基于单片机的声光显示智力竞赛16路抢答器.doc

毕 业 设 计 论 文题目：声光显示智力竞赛16路抢答器系 别： 电气与电子工程系专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师: 河南城建学院2011年 5月 24 日I河南城建学院毕业设计（论文） 摘要摘 要 抢答器是一种应用非常广泛的设备,无论是在学校、工厂、军队还是益智性电视节目都会举办各种各样的智力竞赛, 都会用到智力抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器, 但绝大多数是早期设计的, 以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。这部分抢答器已相当成熟, 但功能越多的电路相对来说就越复杂, 且成本偏高, 故障高, 显示方式简单( 有的甚至没有显示电路) , 无法判断提前抢按按钮的行为, 不便于电路升级换代。近年来随着单片机的应用不断深入,基于单片机控制的抢答器的设计越来越被人们广泛的接受， C51 语言的成熟和单片机本身的汇编语言的融合即混合编程使得它比一般的汇编语言有更好的可读性。 本次设计中将采用AT89S51单片机为主控核心，在设有16个抢答键的抢答电路模块、控制电路模块和LED显示电路模块的共同作用下,可供16人同时抢答。主持人按下开始按钮后，哪一个先抢答，则在数码管上显示选手编号，同时给出声音提示并封锁输入，其他选手再抢答则无效。具有定时抢答功能,抢答时间可由主持人设定。在设定时间内抢答有效,定时器停止工作。定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效。关键词:抢答器智力；单片机； 抢答器；数码显示河南城建学院毕业设计（论文）摘要ABSTRACT Contest device is a very extensive equipment, whether in schools, factories, the army is TV programs will conduct all kinds of intelligence contest, can use vies to implement. Already on the market at present various quizzes responder, but great majority is early design to analog circuits, digital circuit or analog circuits and digital circuit combination of products. This part of the contest is quite mature, but already relatively more circuit function of the complex, and higher cost, fault high, show way simple (some didnt even show circuit), press the button to judge the behavior of early rob, do not facilitate circuit upgraded. In recent years, with the application of SCM unceasingly thoroughly, based on single chip microcomputer control the design more and more be responder widespread acceptance of mature and C51 language, the microcontroller itself assembly language fusion hybrid programming makes it is than the general assembly languages have better readability. This design will be used for controlling AT89S51 core, with 16 contest key in the contest circuit module, control circuit module and LED display circuit module, which under the common function of 16 people also contest. Host press the start button, which first contest, is in the digital tube is presented, and demonstrated contestant Numbers and sealed input, sound reminders other contestants is invalid. Responder again Have regular contest function, vies to answer first time set by the host. In setting time vies to answer first effectively, the timer stop working. The time has come regularly, no contest, this contest null and void.Keywords: vies to implement intelligence; SCM; Contest manometers; Digital displayIV河南城建学院毕业设计（论文）目录目 录1.摘要I2.绪 论12.1课题研究的意义及动态、比较12.1.1 课题研究的意义12.1.2 课题研究的动态12.1.3 课题研究比较22.2 课题研究的主要内容32.3 拟解决的关键性问题32.4 方案论证与比较43.硬件电路设计53.1 系统框图53.3 功能模块设计63.3.1 时钟电路设计123.3.2 复位电路设计133.3.3 抢答电路设计143.3.4 报警电路设计204.软件设计214.1 Keil C51语言简介214.2 程序流程图214.3 程序设计224.3.1 主程序设计234.3.2 时钟电路程序设计234.3.3 抢答电路程序设计234.3.4显示电路程序设计244.3.5 控制电路程序设计25结论27致谢28参考文献29附录30河南城建学院毕业设计（论文）绪论绪 论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。早期的抢答只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示分辨出选手号码。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。随着发展，抢答器的制作不断的改进，现在大多数抢答器使用了单片机(如MCS-51)和数字集成电路，也增加了写功能，比如可以显示选手的号码，提前抢答或超时间的抢答的计时，选手得分的显示等功能。利用数字集成电路实现智力抢答器的设计是以中规模的数字集成电路为主的，但是这种集成电路的集成度不高，所以需要的芯片便相应的较多，而且由于采用逻辑芯片受外界条件影响大，容易产生较大失真，难于调试。而用单片机设计的抢答器解决了以往设计方法中的不足之处，比如增强了时序控制的灵活性，同时由于输入输出端口丰富，可以在本设计的基础上稍加修改就可以设计具有更多组输入的抢答器。同时也使我们更加了解了单片机的工作原理以及在智能化场合的应用，并且使我们深刻的掌握了自己的相关专业知识。基于单片机的智力抢答器的设计包括硬件设计和软件设计两部分，硬件设计可以用Proteus设计完成，软件设计可以用Keil C51完成，设计完成后还可以通过Proteus和Keil C51联机进行仿真。2.1课题研究的意义及动态、比较2.1.1 课题研究的意义学校、电视台等单位经常举办智力竞赛，抢答计分器是必要设备。举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。在许多比赛活动中，为了准确、公平、公正、直观地判断出第一抢答者，通常需要一台抢答器，通过数码显示管、灯光及音响等多种手段指示出第一抢答者。所以，研究智力抢答器具有较强的实际意义。巩固所学的知识，学会通过各种途径查找资料；能够把所学的理论知识联系实际，解决实际问题；掌握抢答器的工作原理及其设计方法；对Keil C51语言有了更深层次的掌握，对单片机的设计流程也有了更系统的学习。2.1.2 课题研究的动态抢答器的发展是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功能及发展的快速。对于智力竞赛16路抢答器设计我们目前可以采取模拟电路方法、数字电路电路、模拟电路和数字电路相结合的设计、PLC的方法、EDA的方法、基于单片机的方法。目前由于随着信息科技技术和控制技术的快速发展各种控制系统越来越偏向于智能化，小型化，低功耗，快速稳定而准确。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 因此越来越多的系统设计概念偏向于EDA（电子设计自动化）,EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可*性，减轻了设计者的劳动强度。它克服了使用单片机设计系统自身I/O端口不足的同时，也克服了使用模拟电路和数字电路设计系统时硬件电路比较复杂和成本比较高的问题。智力抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用与各种智力和竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路比较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的就用一些专用的集成块，而专业集成块的购买又比较困难。抢答器由单片机以及外围电路组成可以使得外围电路非常简单，但是功能并不比一般的抢答器少。抢答器可分为电子抢答器和电脑抢答器，而电子抢答器根据其搭配的配件不同，又可分为非语音非计分抢答器和语言计分抢答器。非语音非计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计分的显示屏。语言计分抢答器时有一个抢答器的主机和主机的显示屏和选手的计分显示屏组成。电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。无线电脑抢答器的构成是由：主机和抢答器专用的软件和无线按钮；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。线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑在和投影仪配合起来，利用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。2.1.3 课题研究比较众所周知，任何一件东西有其优点自然也会尤其缺点，用单片机设计16路智力抢答器自然也一样，有其优点也有其缺点。单片机设计系统时比较简单，硬件电路省去了很多复杂的电路，不像模拟电路和数字电路一样，设计起来比较复杂，而且也不容易像模拟电路和数字电路中的逻辑芯片受外界条件影响大，容易产生较大失真，难于调试。并且由于目前市场上的单片机已经发展很成熟，而且被大批量的生产，市场价格比较便宜，所以设计成本低廉。单片机越来越普遍的应用，使得我们对单片机有一种熟悉感，再加上我们目前接触和学习较多的也是单片机。这给我们使用单片机来设计系统时提供了很大的人为方面的便利。由于单片机有其固定的端口（40引脚），所以我们在设计比较大的系统时可能会出现I/O端口不足的情形，这给我们设计系统时带来了很大的不便。如果我们要继续使用单片机来设计，就需要扩展芯片的功能，使其有足够的引脚来满足系统设计的要求，比如说8255A的扩展。I/O端口不足，需要用到其他芯片扩展，也增加了系统设计的成本。其次，在利用单片机进行设计时，我们要利用C语言或汇编语言编写单片机各控制电路的程序来实现在我们设计中的各项功能，可是在利用C语言或汇编语言编写单片机各控制电路的程序时，就要求我们要对各个程序的设计有较好的理解，否则我们的设计将无法实现，这样就加大了我们再设计中的编程难度。2.2 课题研究的主要内容在抢答未开始时任何抢答均无效，抢答开始可显示最先抢答代表队的编号,同时给出声光提示,并封锁输入的数据,在系统清零前禁止其他选手抢答。具有定时抢答功能,抢答时间可由主持人设定。在设定时间内抢答有效,定时器停止工作，定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效，其主要技术参数如下：(1) 可同时供16 个代表队参加比赛；(2) 给节目主持人一个控制开关,用来控制系统清零和抢答开始；(3) 具有声光报警功能；(4）有数码显示功能。2.3 拟解决的关键性问题声光显示智力竞赛16路抢答器设计的关键性问题主要有总的硬件电路的设计，软件程序的设计以及设计中核心控制单片机型号的选取。总的硬件设计具体包括4*4矩阵键盘设计，控制电路设计，LED显示电路设计；软件程序的设计包括4*4矩阵键盘程序设计，控制电路设计程序设计，报警电路程序设计等。主持人按开始键后，抢答器开始20秒倒计时。20秒之内有人抢答，则在LED数码管上显示该代表队编号并封锁输入，并且有声光提示，而其他选手再次抢答无效。在下一轮的抢答开始前，主持人可以利用开始按键再次20秒倒计时，这样个代表队就可以进行下一轮抢答。此时按下开始键，复位键有效。当设计运行出现错误或需要返回到初始时刻时，主持人可以通过利用复位键按键进行复位。主持人可以通过控制设计程序预先设定抢答时间和限时时间。42河南城建学院毕业设计（论文）摘要2.4方案论证与比较方案一:采用纯数字逻辑电路实现优点是：不用编程、思路简单、便于调试和掌握。缺点是：传统的方案实现定时抢答器的设计是以中规模的数字集成电路为主的。这种集成电路的集成度不高，所以需要的芯片便相应的较多。定时（如30秒）需要一个独立的定时电路，类似的报警音频发生，显示译码，数据锁存等，这些均为一些与主控制电路分离的专设分立电路，因此硬件电路较为复杂，所以产品体积就相应较大，携带起来不方便，而且中规模集成成品以后很难扩展功能（例如：扩展多个定时：30秒，60秒，90秒），因为它只能用于固定模式，所以不适用于现代发展的需要。此外，由于采用逻辑芯片受外界条件影响大，容易产生较大失真，难于调试。方案二:采用单片机实现优点是：硬件简单、功能齐全、，操作方便、成本较低、灵敏可靠。用单片机内部时钟定时，功能也可根据需要自行扩展。内部译码器的嵌入，更是减少了CPU负担及软件编写的复杂性。利用单片机进行控制不但电路图简单，而且适用于多种条件下，还可方便扩展。综合比较，本设计采用方案二。河南城建学院毕业设计（论文）硬件电路设计3.硬件电路设计3.1 系统框图AT89S51单片机要实现主持人按开始键后，抢答器开始20秒倒计时。20秒之内有人抢答，则在LED数码管上显示该代表队编号并封锁输入，其他选手抢答无效。此时按下开始键，复位键有效。在开始抢答之前，主持人可预先设定抢答时间和限时时间。系统具有声光提示功能。由我们分析可以看到，核心部分还是AT89S51单片机，基于AT89S51单片机的系统框图如图3.1所示： 电源电路复位电路AT89S51声光显示主持人按键数码提示选手按键图 3.1 系统框图3.2 系统分析智力抢答器设计采用AT89S51单片机进行设计，在AT89S51单片机的4个8位的I/O中，一个口(如P0口)控制七段数码管的显示，一个口(如P2口)驱动数码管即接数码管的DP接口，另一个口(如P3口)作为控制电路，控制抢答器的开始、停止、抢答时间的调节及限时时间的调节，最后一个口(P1口)则作为输入口也就是抢答器按钮，而往往我们在设计电路的时候，抢答器按钮一般设计成键盘形式，由于在本课程设计的要求中要求有16个代表队抢答，所以剩下的最后一个8位的I/O如果设计成独立键盘(要求每个端口控制一个按钮)的形式，8位的I/O并不满足16组抢答的要求，所以这里我们采用44矩阵键盘的设计方案,满足了16个代表队抢答的要求。从上面的分析可以看到，我们并不需要用8255进行键盘扩展，只需将它设计成矩阵键盘就可以达到要求。也不存在单片机本身输入输出口不足的情况。智能抢答系统接口的硬件设计主要包括时序控制电路、复位电路、抢答电路、显示电路、报警电路、控制电路几部分。按键分两个部分:一部分按键对应选手的号码,即当在规定的时间内第一个按键,对应号码就会在显示屏上显示。另外一个按键为复位键,由主持人操控,键按下则清屏并开始计时。同时可用数码显示器来完成显示功能。具体操作过程为:开始新的一轮答题时,主持人按复位键,初值为20秒的定时器开始倒计数,并在数码管上显示。若此时有选手按下按键答题,则单片机扫描输入该选手的号码,并输出控制数码管显示该号码,同时封锁其他选手按键;若一轮抢答过程中,无人按键答题,定时时间到则蜂鸣器响报警,并禁止任何选手按键。3.3 功能模块设计智力抢答器设计功能模块的核心为AT89S51单片机。在进行各功能模块设计之前先来简单了解一下AT89S51的功能。AT89S51是Ateml公司生产的一款目前非常流行的系列单片机，它是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89S51单片机结构框图见3.2： 振荡电路CPU看门狗（WDT）4KBFlash128Byte RAM和SFR2*16 定时计数器32路可编程IO接口可编程串行口(UART)中断逻辑控制电路图3.2 AT89S51单片机结构框图AT89S51主要性能参数：l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4K字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器l 1000次擦写周期l 4.0-5.5V的工作电压范围l 全静态工作模式：0HZ-33MHZl 三级程序加密锁l 128字节内部RAMl 32个可编程I/O口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断源l 全双工串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式l 中断可从空闲模式唤醒系统l 看门狗（WDT）及双数据指针l 掉电标示和快速编程特性l 灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）AT89S51单片机是由处理器，存储器，I/O口以及特殊功能寄存器SFR等部分组成。其存储器在物理上设计成存储器和数据存储器两个独立的空间，程序存储器主要用于存放单片机系统的执行程序和常数表格。AT89S51单片机内部有4KB 的flash，当程序小于4KB时，内部的Flash可用作程序存储器；当程序大于4KB时，就需要外扩程序存储器，最大可达64KB。 AT89S51单片机有一个/EA引脚，当使用外扩的程序存储器时，要求/EA为低电平。程序存储器大致可分成三个区域：第一块为开始的3个字节（00000002H），一般存放一条2字节（SJMP）或3字节（LJMP）的调转指令，单片机复位时，PC=0000H，即单片机总是从程序存储器中的0000H开始执行程序的；第二块是中断矢量区，地址为0003002AH，每个中断矢量占8个字节，五个中断服务程序入口地址共占40字节。第三块是主程序区，地址从002BH开始直到0FFFFH，存放程序或常数表格。当单片机系统不使用中断时，主程序也可以从0000H开始存放，程序存储器通过MOVC指令访问。 数据存储器在物理上可分为两种，即内部数据存储器和外部数据存储器。内部数据存储器位于单片机内部，AT89S51单片机内部共有128字节的存贮单元（RAM），用MOV指令访问；而外部数据存储器是单片机系统外部扩展的存储器，可以有多达64KB的存贮单元，访问外部数据存储器时，用MOVX指令。另外，AT89S51单片机内部还有一组专用功能寄存器（SFR，Special Function Registers）离散地分布在80H0FFH之间。特殊功能寄存器(SFR)也称为专用功能寄存器，主要用于控制、管理单片机内部各种部件如算术逻辑部件、IO口、串行口（UART）、定时计数器、中断系统等功能模块的工作，用户通过编程专用功能寄存器设定对应模块的工作方式。 数据存储器分布如图3.3所示： 图3.3 数据存储器分布图 图3.4 128字节数据存储器分块图 内部数据存储器共128字节（00H7FH），在物理上又可以分为3个不同的区域，如图3.4所示。 （1）工作寄存器区：地址00H 1FH为“工作寄存器区”分成四组，每组8个单元，从低地址到高地址分别被称作R0、R1、R7。 （2）位寻址区：20H2FH的16个单元称为“位寻址区”，一般的RAM单元，存取的单位为字节，即只能对字节进行读写，而位寻址区中，单片机可以直接对位进行操作。位寻址区既可作为普通的RAM区用，也可以作为位寻址空间。 （3） RAM区：30H 7FH共80个字节称为RAM区，RAM区一般作为普通的数据缓冲区和堆栈区使用。 外部数据存储器：当内部RAM不够用，就需要扩展外部数据存储器，原则最大可扩展64KB。按照访问方式的不同，外部数据存储器也可分成二块，最低的256字节（0000H00FFH）既通过DPTR寻址，也可能通过R0和R1间接寻址，而0100H0FFFFH只能通过DPTR 间接寻址。 实际使用中，可以通过分页技术使外部数据存储器的容量远远超过64KB；另一种方法是使用非并行接口的存储器芯片，如使用I2C接口的存储器芯片或SPI接口的存储器芯片，可使数据存储器的容量扩至数百兆。单片机的外部数据存储器和端口是统一编址的，也就是说，如果某一个单元作了端口，就不能再作为存储器单元，反之，如果某一个单元作为存储器单元，就不能再作为端口。 特殊功能寄存器(SFR)：AT89S51单片机共有22个特殊功能寄存器，各特殊功能寄存器和RAM统一编址，离散地分布在80H 0FFH之间，访问这些特殊功能寄存器仅允许使用直接寻址方式，对 80H FFH 之间未定义的单元进行读操作时，将得到一个随机数，写操作无任何意义。特殊功能寄存器(SFR)中，如果字节地址末位是0或8 ，则该寄存器还可进行位寻址。AT89S51引脚图见图3.5： 图3.5 AT89S51引脚图引脚功能说明： Vcc:接+5V电源正端 GND:接+5V电源地端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。作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”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。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 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，此时可作为输入口。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）。P1口的5、6、7引脚具有第二功能，主要用于ISP在线编程。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P1口具有第二功能引脚说明图见表3.1： 端口引脚第二功能能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）表3.1 P1口引脚第二功能： P2口：P2口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。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口，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MOVE 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口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。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出端口。作输入端时，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，如下表3.2所示： 表3-2 P3口引脚第二功能端口引脚第二功能P3.0串行输入口 (RXD)P3.1串行输出口(TXD)P3.2外中断0P3.3为中断1P3.4定时/计数器0外部输入（T0）P3.5定时/计数器1外部输入（T1）P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通 P3口还接手一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST（9 Pin）复位信号（Reset）引脚。RST为输入引脚，当振荡器在运行时，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，即可引起单片机复位，复位一般有两种，即上电或手动复位以及WDT超时复位。如果DISRTO允许复位输出，则当WDT引起复位时，会在RST引输出一个宽度为98个机器周期的正脉冲。 ALE/PROG（30 Pin）:地址锁存允许信号（Address Latch Enable），当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：S每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN（29 Pin）：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51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。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EA/VPP（30 Pin）：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会所存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。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。 XTAL1（19 Pin）外接石英晶体和微调电容，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器输入端。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2（18 Pin）：外接石英晶体和微调电容的另一端，在单片机内部，它接至片内振荡器的反相放大器输出端。当采用外部振荡器时，该引脚接收外部振荡器信号，即外部振荡器通过XTAL2被送到单片机内部的时钟发生器输入端。16路智力抢答器功能模块主要有时钟电路设计，复位电路设计，4*4矩阵键盘设计（抢答电路设计），控制电路设计，LED显示电路设计，报警电路设计。其主要功能模块设计电路如下。3.3.1 时钟电路设计1、功能分析时钟电路主要为单片机运行提供时序脉冲，使单片机有效的运行。单片机时钟电路主要有晶振提供时序，本设计采用12MHz石英晶体振荡器。为单片机定时，计时提供了一定依据。时钟电路的设计有固定的方式，主要有内部时钟方式和外部时钟方式两种。2、时钟电路硬件设计 AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。由于单片机本身并不集成晶振，电容之类的比较大的器件，所以我们在设计单片机应用系统的时候首先需要对AT89S51进行时钟电路设计和复位电路的设计。 在进行时钟电路设计通常有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。 内部时钟方式利用单片机芯片内部的振荡器（接有负反馈电路的反相放大器），并在单片机外部引脚XTAL1、XTAL2两端跨接晶体谐振器（简称晶体或晶振）和电容，就构成了稳定的自激振荡器，产生的脉冲信号直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C1和C2的值通常选择30pF左右，C1和C2对时钟频率有微调作用.晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz 12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作，晶振和电容应尽可能地安排得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。本设计将采用频率为12MHz的内部时钟方式设计。如图3.6所示： 图3.6 AT89S51单片机内部时钟方式AT89S51时钟系统具有可判断功能，通过闲暇控制位端可关闭CPU的时钟信号；通过掉电控制位可关闭自激振荡器。时钟系统的可判断功能主要用于单片机的低功耗管理。外部时钟方式：外部时钟方式即完全用单片机外部电路产生时钟的方法，外部电路产生的时钟信号被直接接到单片机的XTAL1引脚，此时XTAL2悬空。3.3.2 复位电路设计1、功能分析 大规模集成电路在上电时一般都需要进行一次复位操作，以便使芯片内的一些部件处于一个确定的初始状态，复位是一种很重要的操作。器件本身一般不具有自动上电复位能力，需要借助外部复位电路提供的复位信号才能进行复位操作。 在16路智力抢答器中，复位电路主要完成复位操作，当设计运行出现错误或需要返回到初始时刻时需要用到复位键。复位电路设计也有其固定的方式，主要有上电复位方式和手动方式，一般在设计系统时会结合两种方式一起来设计。2、硬件设计复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把程序计数器PC的内容初始化为0000H,也就是使单片机从0000H单元开始执行程序，同时使CPU及其他的功能部件从一个确定的初始状态开始工作。除了系统上电时需要进行正常的初始化外，当程序运行出错或操作错误导致系统处于“死机”状态时都需要进行复位操作。单片机复位后，特殊功能寄存器SFR的初始值一般为0，但是有4个SFR的值不为0，分别是SP=07H和P0P3=FFH。AT89S51的复位输入引脚RST提供了初始化的手段，在时钟电路工作之后，只要在RST引脚上出现2个机器周期以上的高电平，就能够确保单片机可靠复位。当AT89S51的RST引脚变为低电平后，退出复位状态，单片机从初始化状态开始工作。 AT89S51复位电路也分为两种方式：上电复位和上电复位与手动复位。(1) 上电复位电路：最简单的上电复位电路由电容和电阻串联构成，如图3-7所示。上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST引脚电压端VR 为VCC，随着对电容的充电， RST引脚的电压呈指数规律下降，到正脉冲持续时间t1时刻，VR降为3.6V，随着对电容充电的进行，VR 最后将接近0V。RST引脚的电压变化如图3-7(b）所示。为了确保单片机复位，正脉冲持续时间t1必须大于两个机器周期的时间，机器周期取决于单片机系统采用的晶振频率，图3-7（a）中，R不能取得太小，典型值 8.2k；正脉冲持续时间t1与RC 电路的时间常数有关，由晶振频率和R可以算出C的取值。（ 2 ）上电复位和按键复位组合电路 图3.8上电复位和按键复位组合电路，R2的阻值一般很小，只有几十欧姆，当按下复位按键后，电容迅速通过R2放电，放电结束时的VR为（R1*Vcc）/（R1+R2），由于R1远大于R2，VR 非常接近VCC，使RST引脚为高电平，松开复位按键后，过程与上电复位相同。但我们在设计系统时，一般采用上电复位与手动复位电路来控制整个系统的复位。图3.8 上电复位和按键复位组合电路3.3.3 抢答电路设计1、功能分析键盘是一个按键的组合,它是最常用的单片机输入设备.按键是一种常开型按钮开关,分为触点式(如机械开关)和无触点式(如电气开关)两种,按下与未按下对应相反的逻辑状态0与逻辑状态1。单片机常用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能有硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，如BCD码键盘、ASCII码键盘等，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用；非编码键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘，硬件上只是提供通、断两种状态，其他工作都靠软件完成，经济实用，目前单片机应用系统中多采用这种方法。对于一组键或一个键，需要通过接口电路与单片机相连，以便把键的开关状态态通知给单片机。单片机可以采用查询或中断方式了解有无按键按下并查询是哪一个按键按下，并读出该键的键值。（1）独立式键盘在由单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最多的是独立式键盘。独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式键盘电路如图3.9所示： 图3.9 独立式键盘独立式键盘接口电路配置灵活，软件结构简单，但是每个独立式按键必须单独占有一根I/O口线，当按键的数量较多时，I/O口线浪费较大，故只在按键数量不多时才采用这种按键电路。根据实际经验，当按键数量为4-8个时，并且I/O资源较为丰富时，采用独立式按键比较合适。此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻，由于89S51单片机P1口内部已经配置了上拉电阻，我们可以不另加上拉电阻，当然如果加上这些上拉电阻，不会对线路产生消极影响。（2）矩阵式键盘矩阵式键盘的接口方法有很多。例如：直接接口于单片机的I/O口上；利用扩展的并行I/O接口；用串行口扩展并行I/O口接口；利用一种可编程的键盘、显示接口芯片8279进行接口等。独立式按键电路每一个按键开关占用一根I/O口线，当按键数量较多时，要占用较多的I/O口线。因此在按键较多情况下通常用矩阵式（行列式）键盘电路。44矩阵式键盘如图3.10所示：图3.10 44矩阵式键盘电路矩阵式键盘的结构和工作原理： 在矩阵式键盘中，每条水平线与垂直线的交叉处不直接相通，而是通过一个按键开关加以连接。这样，一个端口（P1口）就可以构成44=16个按键的键盘电路（1） 判断是否有键按下行线的I/O口通过电阻接+5V电源，处于输入状态，而列线的I/O口为输出状态。因此，当没有按键按下时，行、列线之间是隔开的，所有行线输入全部为高电平。当键盘上某个按键被按下而闭合时，则对应的行线和列线短路，行线输入即为列线输出。若此时初始化所有列线输出低电平，则通过读取行线输入值的状态是否全为“1”，即可判断有无键按下。（2） 识别被按下的键-求键值 但是键盘中究竟哪个键被按下并不能立刻判断出来，只能用列线逐列置低电平后，检查行输入状态的方法来确定。在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线处于高电平，则当这一列有键按下时，该键所在的行电平就会由高电平变为低电平。CPU根据行电平的变化，便能判断该列相应行有键被按下。首先使第0列处于低电平，逐行查找是否有行线变低，若有，则第0列于该行的交叉点按键被按下；若无，则表示第0列无键被按下，在让下一列处于低电平；以此类推。这种逐列检查键盘状态的过程成为键盘扫描。 键盘的工作方式：键盘的工作方式一般分为两种：循环扫描工作方式和中断扫描工作方式。循环扫描工作方式利用CPU在完成其他工作的空隙，调用键盘扫描子程序来响应按键输入要求。在执行按键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。采用上述工作方式虽然能响应键输入的命令和数据，但这种方式不管键盘上有无按键被按下，CPU总是定时扫描键盘，而应用系统在工作时，并不经常需要键输入，因此CPU经常处于空扫描状态。为了提高CPU的工作效率，可采用中断扫描工作方式。即只有在键盘有键被按下时，才发出中断请求，CPU响应中断请求后，转中断服务程序，进行键盘扫描，识别按键。因此我们在本次设计中用中断扫描工作方式。在智力抢答器设计中，要求有16个代表队参加抢答，每个代表队一个抢答按钮，就需要16个按钮，而在设计的过程中，我们就发现，选手抢答器按钮就是用独立式键盘或矩阵式键盘来完成的。独立式键盘电路要求一个端口连接一个按键，硬件电路简单但浪费成本。当按键数较多时，要占用较多的I/O口线。因此一般在按键数大于8时，通常采用矩阵式键盘电路。之前在本设计的方案论证中，P0口和P2口用于控制数码管的显示（P1口控制七段数码管，P2口则驱动数码管的位显示），P3口用于主控电路的设计，剩下的八位的P1口如果用独立式键盘明显达不到要求，而如果采用矩阵式键盘电路，8个I/O刚好可以构成44矩阵式键盘电路，满足16个代表队参加抢答的要求。2、抢答电路硬件设计16路抢答器抢答电路设计即44矩阵式键盘电路，如图3.11：图3.11 16路抢答器抢答电路矩阵式键盘3.3.4 显示电路设计1、功能分析显示器是最常用的输出设备。为方便观察和监视单片机的运行情况，人们常用显示器来显示单片机的键盘输入值，中间信息及运算结果等。在单片机应用系统中，常用的显示器主要有LED（发光二极管）数码管显示器和LCD（液晶显示器）模块。两者相比，LED数码管价格低廉，结构简单，LCD模块功耗低，能显示的字符丰富。在本设计中采用LED数码管显示器来显示时间和代表队编号。LED数码管由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一段发光，控制不同组合的发光二极管导通，就能显示出各种字符。通常一个LED数码管由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管a-g构成字型“8”的各个笔划（段），另一个发光二极管dp为小数点。单片机中通常使用的LED数码管有共阴极和共阳极两种，如图3-12所示：图3-12 LED数码管 共阴极和共阴极数码管要显示数字或字符，就要给数码管一定编码控制其七个发光二极管的亮灭，从而达到显示的目的。我们经常用到数码管显示的字符一般都是一些常用的数字和字母，它们常用的显示字型编码表如表3-3所示： 表3-3 显示字型编码表2、 硬件设计在本设计中采用的是共阴极接法的数码管，由P0口驱动七段数码显示管，P2口驱动数码管位。由P0、P2口共同组成LED数码管显示电路。由于P0口不带有上拉电阻，所以在设计中需另外外接上拉电阻，以提供一定的拉电流。P2口本身自带电阻，所以无需外接。因为AT89S51单片机P0、P2口都自带锁存器，所以无需另外外接锁存器。其与单片机一起来显示所抢答的代表队的编号和倒计时时间或限时时间。其接口电路如图3-13所示： 图3-13 显示电路 3.3.5 报警电路设计用单片机设计的报警电路相对来说比较简单，硬件电路只要使用P3口的一