八路抢答器说明书-机械设计制造及其自动化毕业论文

烟台大学 单片机 课程设计说明书课题： 抢答器 院系：机电汽车工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 指导老师： 同组成员：刘鹏 李谦 蔺文学 2013 年 06 月 01 日目录1 概述.22设计任务.2 3 系统总体方案.34 硬件设计.4 4.1 控制系统所需硬件.4 4.2 硬件原理介绍.45 软件设计.75.1 软件总体设计.75.2 程序流程图.86 Proteus软件仿真.126.1 Keil软件.126.2在Proteus软件.127小结.148心得体会.15附1：源程序代码.16附2：参考文献 .241 .概述8路智能抢答器的设计 现如今，各种智力知识竞赛已经成为人们的一种娱乐形式，人们在答题的过程中不仅可以享受到乐趣，还可以学到一些科学知识和生活常识。然而在抢答过程中，单靠视觉是很难判断出哪组最先完成抢答操作。为了辨别哪一组或哪一位选手获得答题权，必须要设计一个智能抢答控制系统智能抢答器。抢答器作为一种电子产品，已被人们所熟知并广泛应用于各种智力知识竞赛场合。抢答器在竞赛中有很大用处，通过抢答器的指示灯显示，数码管显示和警示蜂鸣等手段，能准确，公正，直观地判断出第1抢答者并协助比赛的顺利进行。但是，目前使用的抢答器大多数都采用了逻辑电路进行设计，分立元件较多，造成抢答器的成本较高。此外一般抢答器由模拟电路，数字电路或二者结合组成，其智能化程度低，故障率高，显示简单。现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化，集成化方向发展，因此设计出全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。2 .设计任务 本设计要求学生结合现有的实际条件，以单片机为控制核心，设计一个8路智能抢答器。要求实现的功能如下：课程设计要求有一个主持人和8个参赛队当主持人按下抢答器，参赛队在10秒内可抢答，超过10秒则不能抢答，如抢答成功，则显示抢答的队号抢答成功后必须在60秒内回答完成，如果超过时间则抢答无效，且显示无效指示。如在60秒内回答完成（抢答队再次按下抢答键表示回答完成）则抢答正确，且显示有效当主持人按下复位按键时，系统回到初始状态 1) 抢答器可同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按键S1S8进行抢答。 2) 主持人可以通过智能抢答器的按键设定每道题的抢答时间和回答时间。 3) 具有清零和非法抢答控制功能，并由主持人操纵，避免选手在主持人说“开始”前提前抢答，违反规则。 4) 当主持人启动“开始抢答键”后，定时器进行减计时，在10s内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权，抢答时间耗尽后禁止抢答。 5) 倒计时5s时，如果仍无人抢答，则系统每1s报警一次，用以提示参赛选手。 6) 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按下按键，锁存相应选手的参赛号码，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，其他按键者将不能响应，以便公平地选择第一个抢答者。7) 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号同时进入回答问题的60s倒计时。 8) 倒计时期间，如果主持人想终止倒计时，可以按下“停止”按键，系统会自动进入准备状态。 主要硬件设备：AT89C51单片机，8输入3态缓冲器/线驱动器74LS244,六反相驱动器7404，共阳极LED数码管等，12MHZ晶振，74LS04反相器，手动开关，按键若干，报警喇叭。 3.系统总体方案设计2.1整体方案设计 该智能抢答器以AT89C51单片机为控制核心，控制精度较高，操作误差主要来自晶振自身所造成的误差。其他外围电路包括复位电路，时钟电路，报警电路，LED显示电路，抢答按键，功能设置键等。该智能抢答器具有计时记忆功能，一次时间设置完，复位后不需重新进行时间设定；通过按键扫描输出按键信息，并通过单片机将它转化为在七段数码管上显示的字符型。单片机的P1口为8组抢答按键的输入口，P0.0P0.6为数码管的段选口，P2.0P2,2为数码管的片选口。外部中断INT0和INT1分别为抢答时间和回答时间的调整口，P3.4和P3.5分别实现时间调整的加1和减1功能：P3.6为报警电路的控制口。智能抢答器的整体方案设计图如下所示。 智能抢答器的整体方案设计图4.硬件系统设计 1）控制系统主要由单片机应用电路、存储器接口电路、显示接口电路组成。其中单片机AT89C51是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作. 2）硬件组成及所需元件：该系统的核心器件是AT89C51。在其外围接上复位电路、上拉电阻、数码管、按钮及扬声器。元件为：晶振X1、电容C1、C2、C3、 电阻RP1。P3.0和P3.1由裁判控制,分别是开始键和抢答停止。P1.0-P1.7是8组抢答的输入口,P2.0-P2.3口为数码管的段选口,位选口用的是P0.0-P0.6口输出,外部中断0、1和P3.4，P3.5为抢答记时调整口,实现对各个队进行计时，并且加减调整,外部中断0，1实现了答题时间调整.P3.4 P3.5分别实现了时间的加一和减一.P3.6为蜂鸣器的控制口。 硬件接线图如图所示：企鹅1。16-5。86-4.375 7SEG-MPX4-CC LED显示内部结构如上图所示：4.1 控制系统及所需元件 控制系统主要由单片机应用电路、存储器接口电路、显示接口电路组成。其中单片机AT89C51是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作. 所需元件：该系统的核心器件是AT89C51。在其外围接上复位电路、上拉电阻、数码管、按钮及扬声器。元件为：晶振X1、电容C1、C2、C3、 电阻8、P3.0和P3.1由裁判控制,分别是开始键和抢答停止。P1.0-P1.7是8组抢答的输入口,P2.0-P2.3口为数码管的段选口,位选口用的是P0.0-P0.6口输出,外部中断0、1和P3.4，P3.5为抢答记时调整口,实现的对个队进行计时，并且加减调整,P3.4 P3.5分别实现了时间的加一和减一.P3.6为蜂鸣器的控制口。4.2 原理介绍 智力竞赛抢答器用单片机来设计制作完成,由于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。 AT89C51的管脚图：外部振荡电路单片机必须在AT89C51的驱动下才能工作.在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元。外部振荡电路见图一 复位电路采用图二所示： 企鹅1。16-5。86-4.375 图一图二外部中断和内部中断并存，单片机有硬件复位端,只要输入持续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及存储器的值都恢复到了初始值,应为本设计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。只能用软复位。软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程。外部还接有蜂鸣器用来发出报警音，其图形如下：采用七段码7SEG-MPX4-CA 显示，它是共阳极的由低电平点亮。图形如下：采用八个BUTTON按钮作为抢答的选择按键如图所示：企鹅1。16-5。86-4.3755.软件系统设计5.1软件总体设计 智力竞赛抢答器要求有计时记忆功能,一次时间设置完, 复位后不需重新进行时间设定，通过键盘扫描输出按键信息,再通过单片机将它转换成能在七段数码管上显示字型码. 当抢答完毕时,会在数码管上显示抢答者数字号码提示以表示抢答成功. 采用独立式键盘,可实现8路抢答. 在显示时使用的是七段数码管显示在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法. 并通过查表法 将其在数码管上显示出来,其中P1口为字型码输入端,P2口低3位为字选段输入端.通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字。软件去抖动,如果开始键按下就向下执行,否者跳到开始。采用倒计时程序，使其具有倒计时功能。回答倒计时60秒。抢答时间10秒。采用发声警报，起到报警作用。 1、如果想调节抢答时间或答题时间,按抢答时间调节键或答题时间调节键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下T+键,如果想减一秒按一下T-键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s99s, 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。 2、主持人按抢答开始键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设10s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设60s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。 3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按停止按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按抢答开始进入下次抢答计时。 4、如果主持人未按抢答开始键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下停止 键为止。5、P3.0为开始抢答，P3.1为停止，p1.0-p1.7为八路抢答输入 数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。P3.2抢答时间调整结，P3.3回答时间调整，P3.4为时间加1调整，P3.5为时间减1调整。5.2流程图5.2.1主程序流程图智能抢答器在正常工作的情况下，首先对控制系统进行初始化，然后进行键盘扫描，判断主持人是否按下了“开始抢答”按键按下则执行倒计时子程序和显示子程序。其中倒计时程序包括抢答倒计时和回答倒计时。主程序流程图如下图所示：开始初始化子程序P3.0是否按下非法抢答处理子程序倒计时子程序显示子程序正常抢答处理子程序结束5.2.2初始化子程序流程图任何控制系统开始正常工作前都必须要进行初始化，该智能抢答器的初始化子程序主要是两个定时器和两个外部中断初始化。初始化子程序流程图如上图所示开始设计抢答和答题时间设计定时器的工作模式定时器T0，T1初始化开四个中断启动定时器返回5.2.4非法抢答查询子程序流程图开始在主持人未按下“抢答开始键”P1.0按下时，为防止参赛选手发生抢答， Y专门设计了非法抢答查询子程序。当有选手发生抢答时，系统会将选手的号码保存，P1.1按下N下来,并送到LED显示装置 Y进行显示，同时调用犯规抢答子程序。非法抢答查询子程序流程图如图P1.2按下:NYP1.3按下NYNP1.4按下YYP1.5按下NYYP1.6按下NYYNP1.7按下YYNP1.8按下YY将犯规号送到R3犯规抢答程序返回5.2.4抢答时间调整子程序流程图 该智能抢答器的抢答时间是可以根据实际需要进行调整的。如果想调节抢答时间，按下“抢答时间调整键”此时LED显示装置会显示当前抢答时间的设定值，如果想加1S，按一下“T+”键；如果想减1S，按一下“T-”键。LED显示装置会自动显示修改后的抢答时间。抢答时间的设定范围是099S，0S再减1S会变成99S，同理99S再加1S会变成0S。回答时间的调整与此类似。抢答时间调整子程序流程图如图所示：企鹅1。16-5。86-4.375N系统仿真6.1：Keil软件 用该软件进行程序的检查调试，调试完成后在仿真器里设置生成*.HEX文件。6.2：Protus软件 系统仿真还用到了Protus软件，可通过仿真可以完全显示出所设计系统的功能,对于程序的调试等有很大的帮助.系统仿真时首先要在使用Keil编译器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里设置生成HEX文件，编译无错误时进行Protus仿真。首先要新建一个文档是DNS型的找出需要的器件，可以使用搜索功能。接着把各个器件放到合适的位置都要放到蓝色框内。然后根据自己的设计要求连线。等所有的元件都连接完成后可以把，伟福编译生成的无错误文件加载到AT89C51中，方法是，右键点中器件然后在用左键点击，出来一个对话框在program file后选择要添加文件，文件要求必须是HEX文件。然后可以点击运行观察现象，看与自己设置的符合否，如果不相符在查找错误进行修改，一般的错误都是程序中的，所以要认真的读取程序的每一个部分 作好的Protus图：企鹅1。16-5。86-4.375八号抢答到时时的显示图：加法调整图：减法调整图：7. 小结 该设计的硬件部分较简单，主要包括复位电路，时钟电路、报警电路、LED显示电路、功能键设置电路和抢答键电路。 其中，LED显示电路中的数码管采用动态显示方式和共阳极的连接方式，该电路的驱动器件采用74LS244、7404和上拉电阻，以此来增加显示装置的驱动电流，提高数码管的显示亮度。 按键电路的设计是本设计任务的一个难点，一点要注意考虑按键的“抖动”效应。根据实际情况，选用独立式键盘并采用“软件”的方式来消除按键的“抖动”效应。利用Proteus仿真软件对控制系统进行实物仿真是本设计的一大亮点，通过Proteus仿真软件既可以对源程序进行调试，又可以对控制系统的设计原理进行检测，从而有效地缩短系统的开发周期。另外，该设计在“去抖”方面需要进一步改善，“去抖”效果不是很好，硬件复位电路没有起到应有的作用，这是我们这次设计的不足之处。8. 心得体会 这次的单片机课程设计真的让我学到了很多知识，通过查阅大量的书籍，使我对单片机应用系统有了更深的理解。 拿到题目之后我们按照题目要求查资料，找参考，编程序，查到相关的资料之后，我们便开始画图，进行仿真，在硬件接线图和程序都正确的情况下，我们没有仿真出预定的效果，后来我从资料和网上查到那个温度传感器在Proteus中无法仿真，又尝试了几次之后，我们决定放弃这个题目，重新开始一个课题，当别人已经确定下来并且进行的差不多了时，我有点着急，可是没办法，又重新开始查资料，找题目，最终我们确定了一个新的课题八路抢答器。因为这个题目可查到直接相关的资料，所以这就大大减少了我们的工作量，程序基本上是现成的，只需要我们稍做完善，所以我们分工画图，完善程序，这些工作