四人智力竞赛抢答器.doc

四人智力竞赛抢答器一、设计题目四人智力竞赛抢答器二、设计目的1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。三、设计任务与要求1）设计任务设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。 用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。2）设计要求(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）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，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。(4)抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。(6)可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。四、原理电路和程序设计：（1）方案比较；电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时产生音响。主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。电路系统结构如图13：扬声器数码显示脉冲电路倒计时器译码器数码显示扬声器锁存器编码转换电路译码器主持人选手图13四人智能抢答器原理图（2）整体电路；（3）单元电路设计；1）以锁存器为中心的编码显示电路抢答信号的判断和锁存可采用触发器或锁存器。若以四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统，编码的作用是把锁存器的输出转化成8421BCD码，进而送给7段显示译码器。其真值表3：表3锁存编码真值表锁存器输出 编码器输出Q4Q3Q2Q1DCBA00010001001000100100001110000100工作原理：四D触发器74LS175的输出Q非控制显示模块显示组号。当无人抢答时，4个D触发器的输出Q非相与，为“1”时，脉冲能够进入触发器，有一人抢答时，与门中有一个变为“0”，使脉冲不能进入触发器，从而防止其他人抢答。并停止计时。将与非后的信号用于控制声音模块报警。2）脉冲产生电路：工作原理：该模块为由555定时器构成的多谐振荡器。并以74LS160做10分频,产生10Hz和1Hz的脉冲信号。3）倒计时显示电路：该电路可采用十进制同步减计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。 工作原理：由74LS190十进制计数器计数，其输出端驱动BCD数码器。160的进位输出反相信号进位信号和抢答信号控制1HzCP信号的输入，即计数到0时不会倒回9再计时，也控制计数到时抢答模块不许再抢答同时声音模块块报警。190的MR接收抢答模块的信号，当抢答模块复位时190也复位。4）音响电路：由主持人、选手、倒计时共同控制它的输入，使其在主持人开始、选手抢答、倒计时到零时都能鸣叫。（5）元件选择。元件电阻电容芯片开关其他型号1k1.49k10u 74LS175、 74LS148、 74LS190、74LS04、555、74LS20、74LS04、74LS11、74LS02蜂鸣器、共阴数码管、数量各12各15各1五、电路和程序调试过程与结果：1先将抢答模块接好先，这时的脉冲信号可以先接到实验装置上的10Hz信号，接好线，测试可否正常抢答，14抢答开关断开时对应的LED是否显示正常，抢答后其他人能否抢答和复位是否正常。2接上显示模块，测试可否显示对应组号，未抢答时和复位有无显示。3接好脉冲信号模块，代替接到实验装置上的信号，测试是否有产生脉冲信号，是否可以使抢答模块正常工作。4接上倒计时模块，将控制信号线连接好，测试能否计时，计时到时是否不会继续计时。5抢答模块是否还能抢答，抢答后是否还计时及复位后计时是否重新计时。6接上声音模块，测试抢答后及计时到时后是否有报警声。7对整个电路的功能测试一遍。六、总结通过本设计，复习了数字电子的知识，更深入的了解了各元件的使用方法和功能。体会了设计电路的方法和流程，排除各种故障。最终使电路工作正常。并达到各种设计要求。各部分功能正常，达到老师的要求。四人智力竞赛抢答器单片机技术文章 2009-12-25 17:21:08 阅读727 评论0 字号：大中小订阅 1、设计目的1）掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。2）熟悉数字集成电路的设计和使用方法(或单片机系统的设计与应用)。2、设计任务与要求1）设计任务设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。2）设计要求(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）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，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。(4)抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。3、方案比较与选择3.1使用数字逻辑电路设计电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时产生音响。主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。电路系统结构如图13：1）以锁存器为中心的编码显示电路抢答信号的判断和锁存采用触发器或锁存器。2）脉冲产生电路：采用石英晶体振荡器产生高精度的秒脉冲。3）倒计时显示电路：该电路采用十进制同步减计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。 4）音响电路：利用单稳态触发器74LS121产生定宽的抢答输出脉冲，接入蜂鸣器，根据脉冲宽度可计算得蜂鸣器鸣叫时间。再由主持人、选手、倒计时共同控制它的输入，使其在主持人开始、选手抢答、倒计时到零时都能鸣叫。3.2使用单片机系统设计 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。其中单片机是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作，在其外围接上复位电路，数码管，按钮及蜂鸣器。P1口与P3口驱动数码管，P2.0-P2.3为4组抢答输入P3.6为蜂鸣器的控制口。使用汇编语言编写程序，该程序主要包括主程序，倒计时子程序，键盘扫描子程序，显示子程序，响铃子程序，延时子程序等组成。本次课程设计选用单片机系统设计，虽然使用数字逻辑电路设计可以对各功能模块有充分的认识，但再实物制作的时候很有难度，因此没有选用数字电路设计设计。4、系统总体方案与硬件设计4.1控制系统总体方案及所需元件 该四路抢答器控制系统主要由单片机应用电路、显示接口电路、键盘接口电路，其中单片机STC89C52RD是系统工作的核心，它主要负责控制各部分协调工作。外围电路接上复位电路、数码管、上拉电阻、按钮及蜂鸣器，元件为：晶振X1、电容C1、C2、C3，电阻。P2.4由裁判控制，为抢答开始键。P2.0P2.3是4组抢答的输入口，P1.0P1.7和P3.0P3.7接两个数码管，P2.7为蜂鸣器的控制口。 控制系统仿真用到了伟福软件，集成调试环境，集成了编辑器，编译器，调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能强大的观察窗口，支持所有的数据类型。树状结构显示，支持ASM(汇编)，C语言等，在线直接修改、编译、调试源程序，错误指令定位。 系统仿真还用到了PROTUCE软件，可通过仿真可以完全显示所设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助。4.2硬件设计1）单片机STC89C52RC芯片的基本特点： 此单片机具有强抗干扰、高速、低功耗的特点，指令完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，通用I/O（32个），复位后为：P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O用时，需加上拉电阻。有EEPROM功能，看门狗硬件电路。其引脚如下图2：2)各模块具体设计：A：外部振荡电路必须在单片机的驱动下才能工作，在单片机内部有一时钟振荡电路，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，采用常用的晶振电路，如图3示：B：复位电路：单片机内外部中断和内部中断并存，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都恢复到初始值。电路如4图所示：C：键盘电路：四个按钮（P2.0-P2.3）作为抢答选择键，还有一个按钮作为抢答开始键（P2.4），如图5所示：D：显示电路：利用共阳数码管作为显示器件，如图6示：E：蜂鸣器电路：采用三极管9015驱动蜂鸣器，低电平响，且为使蜂鸣器响时，驱动管处于饱和状态，蜂鸣器接在三极管的集电极上，电路如图7：5.软件系统设计 1）明确系统的功能 主要功能：当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，由“9”倒计到“0”时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，蜂鸣器响，持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统蜂鸣器报警（音响持续1秒）；抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。2）分析功能，理清程序结构 系统倒计时功能，主持人控制，需要按键允许；抢答开始与倒计时结束，以及抢答成功蜂鸣器响，需要响铃程序：四组抢答输入，需键盘扫描程序；此外，一选手抢答成功禁止其他选手抢答，这可以通过允许标志位起到锁存的作用。3）设计程序的初步流程图如图8所示:4）主要功能的程序段设计与说明 A、查询与倒计时程序段设计： 查询按键是否按下，有去抖动功能；采用定时器T0进行倒计时，设初值50ms，通过工作寄存器R0累加20次后为一秒倒数减一，R0清零继续累加，从而进行倒计时直到结束。流程图如下图9：相应的部分程序与说明如下：;=查询程序设计= START： . NEXT: JB P2.4,NEXT ACALL DELAY JB P2.4,NEXT ;去抖动，如果“开始键”按下就向下运行 ACALL XIANG ;蜂鸣器响 MOV A,R0 MOV R6,A ;送R0到R6，因为R6中保存了抢答时间 . AJMP COUNT ;进入倒计时，“查询有效抢答的程序”在COUNT里面 .;=倒计时程序设计= COUNT: MOV R1,#00H ;重置定时中断次数 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H ;重置定时器 RECOUNT: MOV A,R5 ;R5中倒数时间送A JZ QUIT ;R5为0时，计时完毕 MOV A,R1 CJNE A,#14H,CHECK ;R1为20时，即到了1s后顺序执行，否则跳到显示扫描程序 MOV R1,#00H DEC R5 ;倒数次数减1QUIT: ACALL XIANG ;计时结束时进行的程序.;=T0溢出中断（倒计时程序）= T0INT: MOV TH0,#3CH ;重装初值 MOV TL0,#0B0H INC R1 RETI .查询抢答是否允许设置定时器中断次数，重置定时器，中断到20次？倒数时间减一倒数到0s？蜂鸣器响B：按键扫描程序（有锁存功能） 实现锁存可以设计一个抢答允许标志位，若允许则查询，否则禁止抢答，其流程图如图10：部分程序段如下： ；* ；设OK为抢答允许位，置“1”为允许 ；*CHECK: ;进行显示与键盘扫描 ACALL DISPLAY ;跳到显示程序中 JB OK,ACCOUT ;OK标志位为1时查询抢答， AJMP RECOUNT ;没有则继续倒数 ACCOUT: ;键盘扫描 JNB P2.0,TRUE0 JNB P2.1,TRUE1 JNB P2.2,TRUE2 JNB P2.3,TRUE3 AJMP RECOUNT;=正常抢答处理程序= TRUE0: ACALL XIANG ;按键发声 MOV R4,#1 CLR OK ;抢答结束后不再查询抢答，因此锁存抢答 CLR EA ACALL DISPLAY0 SJMP $.（TRUE1-3类似）6.系统调试与仿真6.1伟福软件设计使用了伟福软件，其集成调试环境、集成了编译器、调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能，在线直接修改、编译、调试程序，错误指令定位，对程序的调试和编辑有很大的方便，其界面如下图11： 图11： 通过伟福进行程序的录入，调试和修改，从而进行编译，得到HEX文件或BIN文件，继而进入下一步的单片机仿真。6.2、使用PROTEUS软件仿真系统仿真还用到了PROTEUS软件，可通过仿真完全显示出设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助，系统仿真时首先在使用伟福编译器，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PROTEUS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。接着把各个器件感到合适的位置上，但都要放到蓝色框内。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器生成的HEX文件加载到芯片内，方法是，右键点中器件然后再用左键点击，出来一个对话框在program file 后选择要添加的文件，文件要求必须是HEX文件，然后可以点击运行观察现象，看与自己设计的是否符合，如果不相符在查找错误进行修改。PROTEUS中的系统原理图：一号选手抢答成功:倒计时停止，蜂鸣器响（以灯亮代替响）,如图14：7.安装与调试 根据电路图进行焊接，为了以后电路的重新利用，将各个模块独立开来，再通过排线，跳线将各个功能模块连接起来，完成实物电路。接着就是将程序载入单片机中，通过ISP编程，将程序DOWNLOAD到单片机中，之后可以进行各功能的调试。8.元件清单表 元件序号型号主要参数数量封装形式U1STC89C52RC1PDIP40R1电阻4K71R2电阻1K1R3,R4电阻2202C1,C2瓷片电容33pF2C3电解电容4.7uF1Q1三极管9015PNP1TO-18BUZ1蜂鸣器1开关6数码管共阳管2X1晶振12MHz 1排线，导线若干 9.结论，总结与心得9.1设计与制作过程的总结 这次课程设计我选择的题目是“四路抢答器的设计与制作”，要求用数字逻辑电路或者单片机应用系统进行设计，总体上来看，利用数字电子电路来设计电路能够对各单元电路的功能和设计都可以有更加充分的了解，帮助数电知识的巩固，开始的时候我选用数字电路来设计，虽然绘制电路原理图比较容易，但由于电路元件用的相对多，即使原理明白，不过在实际制作实物时跳线用得很多，而且电路的成功也很难确定，因此最后我都是选用单片机应用系统设计，因为之前进行数字电路设计时对电路的原理有了明确的了解，且这个学期也进行了单片机的基础学习，从而可以结合实际应用，掌握单片机的应用和软件、硬件的综合设计。通过这次课程设计，使我对单片机及其附属电路有了一定的了解，对课本上的知识有了进一步的掌握，也深刻明白了自己的不足。 完成本次课程设计，从数字电路设计转换到单片机系统设计，可以帮助我掌握多方面的电子知识，是一个从无到有，不断深化的过程，经历了兴奋，自信，失落，奋发，所悟，完成，几个过程，虽然对抢答器的原理要求明确，单片机的硬件设计还比较容易，但到软件的算法到程序的编写，不像数字电路那样各部分的功能明确，软件的设计是那么的繁琐，算法的环环相扣，弄得我眼花缭乱。在自己思考的同时，到图书馆和网上查找资料，借鉴很多类似的程序