毕业设计（论文）-基于单片机控制的八路抢答器.doc

基于单片机控制的八路抢答器系 部: 电子工程系 班 级： 通信09C1 姓 名： 姜露露 学 号： 092231114 指导教师： 吴振英 2012年 3月 21 日第 21 页 共 21 页目录摘要第1页引言第2页一八路抢答器的概述第3页（一）本设计任务和主要内容第3页（二）主要芯片的介绍第3页二系统主要硬件电路设计第4页 （一）方案论证第4页（二） 单片机主机系统电路第5页（三）抢答器总体方框图第6页（四） 抢答器电路设计第7页（五） 时序控制电路设计第8页（六） 复位电路设计第9页（七） 定时电路设计第10页（八） 报警电路设计第10页三系统的软件设计第11页(一)系统主程序设计第11页(二) 查询程序第11页(三)正常抢答处理程序第12页(四)显示程序第13页（五）抢答器的源程序第14页四调试第14页五总结第16页六致谢第16页七参考文献第17页附录AT89C51单片机实现八路抢答器程序第17页基于单片机控制八路抢答器原理图第21页摘要本文介绍了单片机控制、数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。 主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计时器定时和记数原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。关键词：单片机；抢答器；AT89C51AbstractIn this paper, MCU control, eight-way digital display Qiangdas circuit, design ideas and functions. With the exception of the Qiangda Qiangda basic functions, but also with time, time and alarm functions. Moderator default by switching the default time for Qiangda time, the system will automatically complete the countdown. Taking into account the need to set the time limit to answer according to the function, using microcontroller and external interface of the answer in the system, using the microcontroller timer / timer timing and counting principle, the hardware and software together organically, making the system can correctly to carry out time, while making the digital display the time correctly.Keywords:MCU；Qiangda；AT89C51 引言抢答器是一种广泛应用于企事业单位和商业部门，为各种知识竞赛、文娱活动提供公正客观快速裁决的一种常用电子设备，也是一种逐渐成型的电子产品，但市面上所售抢答器价格一般较贵且多为小规模集成电路构成，其性能单一，工作起来不够理想。因此，提高抢答器的性能，使其具有更强的功能，使用可靠方便已成为抢答器发展的一个方向。随着集成技术和计算机技术的发展，单片机作为其一个分支亦于20世纪80年代以来获得了飞速发展，各种新品不断涌现，使单片机的应用更加深入，灵活性也大大增强。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，由于其具有集成度高、体积小、功耗高、性价比高、功能强、应用灵活、可靠性高等优点，所以在工业控制、机电一体化、通信终端、智能仪表、家用电器等诸多领域中都起着十分重要的作用，而且应用越来越广泛，发展也很快，已成为现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术。学习单片机可以加深对微型计算机工作原理的理解，更加清楚计算机的脉络。同时，21世纪是一个信息技术快速发展的时代，人们的教育方式都在不断的利用越来越新的技术，从而抢答器在智力竞赛领域便也成了一种应用广泛的电子设备。本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。在抢答赛中，往往要有主持人宣布抢答的开始，还要确定是哪个选手最先抢到了答题权，具体答题的时间也有限定。这些如果仅凭主持人的主观判断，很容易判断错误，使参赛选手不能很公平的比赛。因此，抢答器在竞赛中就扮演了一个非常重要的角色。一八路抢答器的概述（一）本设计任务和主要内容本论文主要研究单片机控制的八路抢答器，分别对查询、抢答、答题限时及系统设备的软、硬件各个部分进行了研究。主要内容如下：1.抢答功能：通过八路按键配合程序来实现抢答功能。当主持人按下抢答键开始抢答后，此时任一路按下按钮均闭锁其它各路，由程序对键盘译码并显示最先按下抢答键的路数及当前时间，扬声器发出音响提示。2.抢答限时：主持人按下抢答键后，设置30秒为抢答时间(此时间可在199秒之间修改)。若30秒内无人抢答，倒计时为0时发出报警，说明该抢答作废。此时闭锁所有抢答按键，只有当主持人再次按下抢答键开始下一次抢答方可抢答。3.答题限时：当主持人按下开始答题按钮时，启动倒计时(此倒计时时间可在199秒之间修改)，若答题时间过长，倒计时为0时发出报警，说明答题时间到，显示返回当前台数及其分数为下一步计分作出准备。4.查询功能：当按下查询键后，可查询各台分值。按下分组数直接显示当前台数及其分值，比如按下1，显示台数为1，分值为其当前实际分值。5.设定功能:按下设定键后，可按顺序设置抢答限时时间、答题限时时间和默认计分分值。（二）主要芯片的介绍本课题采用单片机AT89C51控制的八路抢答器，其功能的实现主要通过软件编程来完成，采用单片机AT89C51，它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。该智力竞赛抢答器的准确度很高，其误差主要由晶振自身的误差所造成。AT89C51单片机由微处理器，存储器，I/O口以及特殊功能寄存器SFR等部分构成。其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间，片内程序存储器的容量为4KB，片内数据存储器为128个字节。89C51单片机有4个8位的并行I/O口：P0口，P1口，P2口和P3口。各个接口均由接口锁存器，输出驱动器，和输入缓冲器组成。P1口是唯一的单功能口，仅能用作通用的数据输入/输出口。P3口是双功能口除了具有数据输入/输出功能外，每条接口还具有不同的第二功能，如P3.0是串行输入口线，P3.1口是串行输出口线。在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时，P0可作为分时复用的低8位地址/数据总线，P2口可作为高8位的地址总线。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。设计方块图如图1所示：&显示模块（计时、选手）语音提示模块抢答模块（八路输入）单片机机机主持模块图1 设计物理框图通过主持人的相关操作（包括开始、停止、调时等），以及选手的抢答，显示模块与语音模块应能迅速做出正确回应。如支持人按下开始，语音模块立刻给以语音提示，显示模块立刻显示抢答倒计时：当有选手抢答，显示模块应马上显示最先抢答的选手号，并进入答题倒计时.而这一切，都有赖于本设计的核心模块-AT89C51单片机来控制。通过一系列的汇编程序，来控制、实现相应的逻辑功能。二系统主要硬件电路设计（一）方案论证方案一：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。方案二：该系统采用MCS-51系列单片机AT89C51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烧写在ROM上，因此可靠性高。2.易扩充：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。原理框图如图2所示：抢答按钮主持控制按钮AT89C51LED数码管定时电路报警电路图2系统原理框图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AT89C51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合适。（二）单片机主机系统电路 AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。 单片机主机系统图如图3所示：图3 单片机主机系统图（三）抢答器总体方框图 抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示控制电路控制开关报警电路主体电路秒脉冲信号发生电路定时电路译码电路显示电路扩展电路图 4总电路框图 如图4所示为电路总体框图。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，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清除和开始状态开关。（四）抢答电路设计此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S 置于清除端时，RS 触发器的 R、S 端均为0，4 个触发器输出置0，使74LS148 的优先编码工作标志端 0，使之处于工作状态。当开关S 置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148 的输出经RS 锁存后，CTR=1,RBO =1, 七段显示电路74LS48 处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR 1，使74LS148 优先编码工作标志端，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 此时由于仍为CTR1，使优先编码工作标志端1， 5 所以74LS148 仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。RS触发器：1. 保持状态。当输入端接入=1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即=1时，触发器保持原状态不变。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。4. 不定状态。当=0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。74LS148的功能真值表输入输出1XXXXX1XX11111011111X11111100XXXXXXX0000010XXXXX001001010XXXXX111010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS148的输入端和输出端低电平有效。是输入信号，为三位二进制编码输出信号，1时，编码器禁止编码，当0时，允许编码。是技能输出端，只有在0，而均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在0而的其中之一有信号时，0。各输入端的优先顺序为：级别最高，级别最低。如果0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号。（五）时序控制电路设计时序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，抢答和定时电路进入正常抢答状态。B当参赛选手按动抢答键时，蜂鸣器声响，抢答电路和定时电路停止工作。时序控制电路如图6所示：图6 时序控制电路（六）复位电路设计复位是计算机的一个重要工作状态。在单片机工作时，接电之前要复位，断电后也要复位，发生故障也要复位，在抢答器中复位则是为定时做铺垫的，在抢答之前要复位，抢答完毕业要复位，按了复位键之后，LED的显示的是0。单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。复位电路如图7所示：图7 复位电路（七）定时电路设计 1.设置一个系统清除和抢答控制开关S即复位键，该开关由主持人控制。 2.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）。当主持人启动总控制启动复位键后，定时器进行减计时，并在显示器上显示。 3.抢答器要具有数据锁存和显示的功能，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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。显示器上显示选手的编号，同时其他人在按就无效，并一直保持到主持人将系统清除为止。 4.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0，并发出一段时间的报警声。（八）报警电路设计4.7K的电阻，一个三级管和一个蜂鸣器就组成了一个报警的电路，当选手开始抢答是蜂鸣器便提醒主持人是哪一个台号，当在设定的时间内没有人抢答，倒计时完毕后蜂鸣器也会发出短时间的叫声。图8中，接在三极管基极的4.7K电阻为限流电阻，在此利用晶体管的高电流增益，以达到电路快速饱和的目的。报警电路如图8所示：图8 报警电路三 系统的软件设计（一）系统主程序设计 为了能达到抢答的公平、公正、合理，应该在主持人发布抢答命令之前设定抢答的时间。当时间设好了之后，主持人发布抢答命令。按下S9按键后，程序开始打开，定时中断开始倒计时，然后调用键盘扫描子程序，编写键盘扫描程序。当扫描到有人按下了键，马上关闭T0，调用显示程序，并封锁键盘。（二）查询程序P1.0-P1.7为八路抢答输入数码管段选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.6口。P3.0为开始抢答，P3.7为停止。K EQU 20H;抢答开始标志位;将P1口与P2口互换，P3.0-P1.0,P3.1-P1.7START:MOV R5,#0BHMOV R4,#0BHMOV R3,#0BHACALL DISPLAY;未开始抢答时候显示FFFJB P3.0,NEXT ACALL DELAYJB P3.0,NEXT;ACALL BARK;按键发声MOV A,R1MOV R6,A;送R1-R6,因为R1中保存了抢答时间MOV R3,0AH;抢答只显示计时,灭号数AJMP COUNT;进入倒计时程序NEXT: JNB P1.0,FALSE0JNB P1.1,FALSE1JNB P1.2,FALSE2JNB P1.3,FALSE3JNB P1.4,FALSE4JNB P1.5,FALSE5JNB P1.6,FALSE6JNB P1.7,FALSE7AJMP START（三）正常抢答处理程序TRUE0: ACALL BARK; 按键发声MOV A,R2;MOV R6,AAJMP COUNTR3,#00HCLR OK;TRUE1: ACALL BARK;按键发声MOV A,R2MOV R6,A;抢答时间R2送R6MOV R3,#01HCLR OK;AJMP COUNTTRUE2: ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#02HCLR OKAJMP COUNTTRUE3: ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#03HCLR OKAJMP COUNTTRUE4: ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#04HCLR OKAJMP COUNTTRUE5: ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#05HCLR OKAJMP COUNTTRUE6: ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#06HCLR OKAJMP COUNTTRUE7: ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#07HCLR OKAJMP COUNT（四）显示程序DISPLAY:MOV DPTR,#DAT1;MOV A,R5MOVC A,A+DPTRMOV P2,#01HMOV P0,AACALL DELAYMOV DPTR,#DAT2MOV A,R4MOVC A,A+DPTRMOV P2,#02HMOV P0,AACALL DELAYMOV A,R3MOVC A,A+DPTRMOV P2,#04HMOV P0,AACALL DELAYRET（五）抢答器的源程序 P1.0-P1.7为八路抢答器的输入端口，数码管断选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.6。总程序框图如图所示：开始P1.0=0？P1.0=0？P6.0=0？P7.0=0？P4.0=0？P5.0=0？P3.0=0？调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序调用响铃，显示程序P2.0=0？结束NNNNNNNNYYYYYYYY 四调试 软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序运行后编辑，查看是否有逻辑的错误。 常见的软件错误有:程序失控、中断错误、输入输出错误和结果不正确等，对不同的错误和现象采取相应的方法找出错误并加以修改程序，达到预期的功能。五总结此次毕业设计在老师的指导下并通过网上查找资料以及参考图书馆借阅的相关单片机应用实例的书籍编写的，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，相信对以后编写文档会有所帮助。 本设计报告主要介绍了用单片机实现的抢答器的软件设计方法。系统介绍了该电路的硬件构成和软件程序，本设计以AT89C51单片机为核心，采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号，最后通过LED数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出是哪组优先按下的按键。本设计具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。 在设计过程中，我查阅了大量的资料，认真研究教材，这使我对单片机的了解又加深了一步。在做软件时，虽然程序是通过上网查找得到的，但通过仔细分析硬件电路以及程序，我画出了程序流程图，这培养了我的耐心和刻苦钻研的精神。 本次设计的不足之处是以上所述的功能全只是纸上谈兵，并没有通过实验在实验室作出成品。六致谢本次以AT89C51单片机设计的八路抢答器终于完成，由于知识的缺乏，论文中有许多的不足。在写作过程中，得到了许多老师同学的帮助。在此我想衷心感谢指导教师吴振英老师对我的精心指导。她的言传身教将使我终生受益。在准备毕业设计进行期间，承蒙老师的热心指导与帮助，不胜感激。感谢全体老师和同学的热情帮助和支持！感谢苏州工业职业技术学院老师和同窗们的关心和支持！感谢所有帮助过我的人们！(七) 参考文献1 朱运利. 单片机技术应用. 北京:机械工业出版社. 2005年1月第一版.2 阎 石. 数字电子电路. 北京:中央广播电视大学出版社. 1993.3 张毅坤，陈善久，龚雪红. 单片微型计算机原理应用. 西安:西安电子科技大学出版社. 2003.4 杨素行. 模拟电子电路. 北京:中央广播电视大学出版社. 1994.5 康平光. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社.2003.6 李 华. MCS-51单片机接口技术及应用. 北京:北京航天航空大学出版社. 7张伟. 单片机原理及应用 . 北京：机械工业出版社.8杨素行，清华大学电子学教研组. 模拟电子技术基础简明教程（第二版）.北京：高等教育出版社 附录AT89C51单片机实现八路抢答器程序BEEP BIT 00HORG 0000HLJMP MAIN ORG 0003H ；定义四个中断的入口地址 LJMP STARTORG 000BHLJMP STARTORG 0013HLJMP START1ORG 001BHLJMP START3ORG 0030HMAIN : MOV P1, #0FFH SETB P3.0 SETB P3.1 CLR BEEP MOV R0, #40H MOV R1, #0FFH MOV IP, #01H MOV IE, #8FHLOOP: CLR P3.6 ；串行输入端清零 MOV P0, R1 LCALL DEL SETB P3.0 CLR P3.1 MOV P0, R0 LCALL DEL ；延时 SETB P3.1 ；串行输出端置1 SJMP LOOPDEL: MOV R4, #20H ；立即数送R4DLY1: MOV R3, #49 DLY2: DJNZ R3, DLY2 DJNZ R4, DLY1 RET START0: CLR EA MOV A, P1ML0: CJNE A, #0FEH, ML1 ；1”字符码送P0口 MOV R0, 0F9H CLR P2.0 SJMP ML8ML1: CJNE A, #0FEH, ML2 ；2字符码送P0口 MOV R0, 0A4H CLR P2.1 SJMP ML8ML2: CJNE A, #0FBH, ML3 ；“3字符码送P0口 MOV R0, 0B0H CLR P2.2 SJMP ML8ML3: CJNE A, #0F7H, ML4 ；“4字符码送P0口 MOV R0, 99H CLR P2.3 SJMP ML8ML4: CJNE A, #0EFH,