#51单片机三路抢答器.doc

单单片片机机开开发发和和设设计计工工程程师师 测测试试文文档档 设计题目设计题目 抢答器 学学 校 校 湖南人文科技学院 系系 别 别 通信和控制工程系 专专 业 业 电子信息工程 班班 级 级 07 级电信一班 学生姓名学生姓名 龙丽婷 董文 学学 号 号 07409106 07409129 起止日期起止日期 2010 年 6 月 12 日 2010 年 6 月 25 日 摘 要 本设计是以抢答为基本理念 考虑到依需设定限时回答的功能 利用 STC89C52 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 同时系统能够实现 在抢答中 只有开始后抢答才有 效 如果在开始抢答前抢答为无效 相应犯规灯亮 开始后抢答 即正确按键后 相应成功指示灯亮 并开始倒计时 回答问题的时间限定为 10 秒 满时后系统计时 自动复位及主控复位 按键锁定 在有效状态下 按键无效非法 关键词 STC89C52 LED 灯 数码管 抢答器 计时 目录 设计要求 1 1 方案 1 2 系统的主要功能 2 3 抢答器的硬件设计 2 3 1 STC89C52 简介 2 3 2 LED 灯 5 3 3 8255 接口芯片 6 3 4 数码管显示模块 7 3 5 按键模块 7 3 6 外部中断 0 和外部中断 1 8 4 抢答器的软件设计 9 4 1 主程序流程及分析 9 4 2 总程序模块 10 5 调试结果及分析 14 参考文献 15 附录一 总体原理图 16 附录二 总程序 17 1 抢答器抢答器 设计要求 1 一位主持人和 3 位抢答者 复位后 甲乙丙的绿 红灯全亮 开始键 复位 键的指示灯全暗 主持人按复位键则仅复位指示灯亮 其他都暗 准备开始 主持 人按开始键 开始灯亮 允许甲乙丙抢答 此时优先者则相应成功指示灯亮 如允 许前抢就相应犯规灯亮 答题开始进行倒计时 到规定时间不允许答题 并返回复 位状态 2 具有抢答控制和倒计时显示功能 3 控制器应有复位控制 开始控制 抢答控制和状态指示等功能 并有答题时 间控制和显示功能 1 方案 采用宏晶公司的 STC89C52 作为系统控制器的 CPU 方案 原理框图如图 1 所示 图 1 原理方框图 2 2 系统的主要功能 本系统是借用单片机采用模块化设计的抢答器 包括 3 路抢答按钮 开始按钮 复位按钮 指示灯显示 倒计时显示部分 用中断 0 和中断 1 的控制按钮做复位和 开始控制 同时系统能够实现 在抢答中 只有开始后抢答才有效 如果在开始抢 答前抢答为无效 相应犯规灯亮 主持人按键开始后 选手开始抢答为有效 相应 成功指示灯亮 并开始倒时 回答问题的时间限定为 10 秒 满时后系统计时自动复 位及主控复位 3 抢答器的硬件设计抢答器的硬件设计 3 1 STC89C52 简介 STC89C52 引脚图如图 2 所示 图 2 STC89C52 引脚图 主要性能 和 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器 3 八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 功能特性描述 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编 程 Flash 存储器 使用宏晶高密度非易失性存储器技术制造 和工业 80C51 产品指 令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众 多嵌入式控制使用系统提供高灵活 超有效的解决方案 STC89C52 具有以下标准 功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指 针 三个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶 振及时钟电路 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择 节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断 继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 VCC 电源 GND 地 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和 数据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部 上拉电阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令 字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p1 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时 可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出 电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 4 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时 可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种使用中 P2 口使 用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址 字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p2 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时 可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL P3 口亦作为 STC89S52 特 殊功能 第二功能 使用 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT0 外部中断 0 P3 4 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器写选通 RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复 位 看门狗计时完成后 RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 5 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功能无效 DISRTO 默认状态下 复位高 电平有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地址的输出脉冲 在 flash 编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一 般情况下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时 钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会跳过 如果需要 通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一位 置 1 ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使能标志位 地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处于外 部执行模式下无效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当 STC89C52 从外部程序存储器执行外部代码时 PSEN 在每个机器周期被激活两次 而在访问外部数据存储器时 PSEN 将不被激活 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程 序存储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 flash 编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 3 2 LED 灯 LED 灯示意图如图 3 所示 6 图 3 LED 灯示意图 单片机的 P1 0 P1 7 分别接到 D4 D11 这 8 个 LED 灯 3 3 8255 接口芯片 单片机系统里常用的 8255 1 芯片是一个典型的可编程通用并行接口芯片 用来 扩展单片机的端口 它具有 3 个 8 位的并行口 有三种工作方式 可作为单片机和各 种外部设备连接的接口电路 8255 的引脚图如图 4 所示 图 4 8255 的引脚图 8255 引脚功能说明 RESET 复位输入线 当该输入端外于高电平时 所有内部寄存器 包括控制寄 存器 均被清除 所有 I O 口均被置成输入方式 PA0 PA7 端口 A 输入输出线 7 一个 8 位的数据输出锁存器 缓冲器 一个 8 位的数据输入锁存器 PB0 PB7 端 口 B 输入输出线 一个 8 位的 I O 锁存器 一个 8 位的输入输出缓冲器 PC0 PC7 端口 C 输入输出线 一个 8 位的数据输出锁存器 缓冲器 一个 8 位 的数据输入缓冲器 端口 C 可以通过工作方式设定而分成 2 个 4 位的端口 每个 4 位的端口包含一个 4 位的锁存器 分别和端口 A 和端口 B 配合使用 可作为控制 信号输出或状态信号输入端口 CS 片选信号线 当这个输入引脚为低电平时 表 示芯片被选中 允许 8255 和 CPU 进行通讯 RD 读信号线 当这个输入引脚为低电平时 允许 8255 通过数据总线向 CPU 发 送数据或状态信息 即 CPU 从 8255 读取信息或数据 WR 写入信号 当这个输入引脚为低电平时 允许 CPU 将数据或控制字写 8255 D0 D7 三态双向数据总线 8255 和 CPU 数据传送的通道 当 CPU 执行输入 输出指令时 通过它实现 8 位数据的读 写操作 控制字和状态信息也通过数据总线 传 A0 A1 地址选择线 用来选择 8255 的 PA 口 PB 口 PC 口和控制寄存器 当 A0 0 A1 0 时 PA 口被选择 当 A0 0 A1 1 时 PB 口被选择 当 A0 1 A1 0 时 PC 口被选择 当 A0 1 A1 1 时 控制寄存器被选择 在本次设计中 8255 芯片用来扩展系统的外部接口 将 8255 的 PA PB PC 口给数码管 键盘使用 3 4 数码管显示模块 数码管原理图如图 5 所示 8 图 5 数码管原理图 在本次设计中 数码管的 8 段是由芯片 8255 的 PB 口控制亮灭 每个数码管的 公共脚分别由 8255 的 PA0 PA5 经三极管扩流后进行控制 且数码管是共阳极的 当公共脚接上电源正极 笔画脚通过一个 220 欧姆电阻接负极 对应的笔画就会点 亮 要在某位数码管上显示一个数字 首先把待显示数字的显示码送给 8255 的 PB 口 接着选中要显示的位 3 5 按键模块 按键示意图如图 6 所示 图 6 按键示意图 在单片机系统中键盘中按钮数量较多时 为了减少 I O 口的占用 常常将按钮 排列成矩阵形式 在矩阵式键盘中 每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通 而 是通过一个按钮加以连接 这样 一个端口 如 P1 口 就能组成 4 4 16 个按钮 比之直接将端口线用于键盘多出了一倍 而且线数越多 区别越明显 比如再多加 9 一条线就能组成 20 键的键盘 而直接用端口线则只能多出一键 9 键 由此可见 在需要的键数比较多时 采用矩阵法来做键盘是合理的 矩阵式键盘的按钮识别办 法确定矩阵式键盘上何键被按下 介绍一种 行扫描法 行扫描法又称为逐行 或 列 扫描查询法 是一种最常用的按钮识别办法 判断键盘中有无键按下将全部列 线置高电平 然后检测行线的状态 只要有一行的电平为高 则表示键盘中有键被 按下 而且闭合的键位于高电平线和 4 根列线相交叉的 4 个按钮之中 若所有行线 均为低电平 则键盘中无键按下 判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后 即 可进入确定具体闭合键的过程 其办法是 将全部列线置为高电平 在确定某根行 线位置为高电平后 再逐列对列线置高再检测先前返回高电平的行线的电平状态 若此行返回为高 则该列线和返为高电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮 本 次设计虽只用到其中三个按键但考虑到以后对系统升级 所以采用了矩阵式键盘 3 6 外部中断 0 和外部中断 1 外部中断 0 和外部中断 1 示意图如图 7 所示 图 7 外部中断 0 和外部中断 1 示意图 在单片机上有两个引脚 名称为 INT0 INT1 也就是 P3 2 P3 3 这两个引脚 在单片机内部的 TCON 寄存器中有四位是和外中断有关的 IT0 INT0 触发方式 控制位 可由软件进和置位和复位 IT0 0 INT0 为低电平触发方式 IT0 1 INT0 为负跳变触发方式 IE0 INT0 中断请求标志位 当有外部的中断请求时 这位就 会置 1 这由硬件来完成 在 CPU 响应中断后 由硬件将 IE0 清 0 IT1 IE1 的用 途和 IT0 IE0 相同 按键 0 接单片机 P32 脚 按键 1 接单片机的 P33 脚 本次设计 用到了外中断 1 和外中断 0 需接上跳帽 W1 和 W2 10 4 抢答器的软件设计 4 1 主程序流程及分析 抢答器的基本工作原理 在抢答竞赛或呼叫时 有多个信号同时或不同时送入 主电路中 抢答器内部的寄存器工作 并识别 记录第一个号码 同时内部的定时 器开始工作 记录有关时间并产生超时信号 在整个抢答器工作过程中 显示电路 还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号 抢答器的工作流程分为 系统复 位 正常流程 违例流程等几部分 如图 8 所示 下面予以介绍 1 主持人按复位键 复位指示灯亮 进入准备状态 主持人出题 3 主持人按开始键 进入抢答部分 有人抢答就开始回答倒计时 抢答人在此 限定时间内做出回答 计时完毕后停止做答并返回复位状态 无人抢答则主持人根 据实际情况做出处理后可进入下一轮抢答 4 如果主持人未按开始键 而有人按了抢答按键 犯规抢答 相应犯规灯亮 主持人根据实际情况做出处理后可进入下一轮抢答 图 8 工作流程图 11 4 2 总程序模块 在本次设计中 总程序可分为主程序部分 显示部分 延时部分 键盘部分 计时部分 定时器工作模式设定及初始化部分 中断程序部分 主程序 main unsigned char flag 0 light 0 xc0 Timer1 Init while 1 GInt Init P1 light display 6 second if second 0 second 0 x09 TR1 0 light 0 x7f flag keyboard if light 0 x3f switch flag case 1 light 0 xfd TR1 1 break case 2 light 0 xf7 TR1 1 break case 3 light 0 xdf TR1 1 break default light 0 x3f if light 0 x7f switch flag case 1 light 0 xfe break case 2 light 0 xfb break case 3 light 0 xef break default light 0 x7f 12 打开中断及相应的设定 void GInt Init void EA 1 EX0 1 IT0 1 EX1 1 IT1 1 ET1 1 外中断 0 void ISR Ex0 void interrupt 0 light 0 x7f 外中断 1 1void ISR Ex1 void interrupt 2 light 定时器工作模式设定及初始化 void Timer1 Init void TMOD 0 x10 TH1 65535 50000 256 TL1 65535 50000 256 1 秒时间的设定 void ISR Timer1 void interrupt 3 Timer Count if Timer Count 20 Timer Count 0 second Timer1 Init 延时部分 void delay unsigned int x unsigned char i j k while x for i 0 i 5 i for j 0 j 10 j 13 显示部分 include reg51 h include ABSACC H define a8255 PA XBYTE 0 xD1FF define a8255 PB XBYTE 0 xD2FF define a8255 PC XBYTE 0 xD5FF define a8255 CON XBYTE 0 xD7FF unsigned char const num table 16 0 xA0 0 0 xBB 1 0 x62 2 0 x2A 3 0 x39 4 0 x2C 5 0 x24 6 0 xBA 7 0 x20 8 0 x28 9 0 x30 A 0 x25 B 0 xE4 C 0 x23 D 0 x64 E 0 x74 F void display unsigned char place unsigned char number a8255 CON 0 x89 a8255 PA 0 xff a8255 PB 0 xff a8255 PA 0 x01 place 1 a8255 PB num table number 键盘部分 unsigned char keyboard 14 unsigned char PC data unsigned char j unsigned char y 0 a8255 CON 0 x89 a8255 PA 0 xf1 a8255 PB 0 xff delay 1 PC data a8255 PC for j 0 j 4 j if PC data return y 完整总程序见附录 5 调试结果及分析 本设计主要是在编写的程序编译通过后 用下载软件将编写的程序下载到实验 开发板上 验证结果是否满足设计要求 主要通过按键部分进行控制 通过数码管 和 LED 灯部分进行观察 经验证 在抢答中 只有开始后抢答才有效 如果在开始抢答前抢答为无效 相应犯规灯亮 主持人按键开始后 选手开始抢答为有效 相应成功指示灯亮 并 开始倒时 回答问题的时间限定为 10 秒 满时后系统计时自动复位及主控复位 满 足设计要求 参考文献 1 张鑫编著 单片机原理及使用 M 北京 电子工业出版社 2005 8 105 136 2 陈家骏 郑滔主编 程序设计教程 M 北京 机械工业出版社 2004 8 41 92 3 余文俊主编 8051 C 语言实习 M 北京 中国水利水电出版社 2002 10 50 89 4 孙育才编著 新型 AT89S52 系列单片机及其使用 M 北京 清华大学出版社 2005 5 1 63 15 附录一 总体原理图 总体原理图如图 9 所示 图 9 总体硬件连接原理图 图中 U1 为单片机 STC89C52 U2 为芯片 8255 单片机的 P1 0 P1 7 分别接到 D4 D11 这 8 个 LED 灯 复位按键和开始按键分别接到单片机的 P3 2 P3 3 脚 单 片机的 P0 0 P0 7 脚接 8255 芯片 D0 D7 脚 8255 的 PA0 PA5 分别接 6 个数码管的 位选 同时 PA0 PA3 接键盘的四列 PC3 PC0 接键盘的四行 PB0 接数码管引脚 11 PB1 接数码管引脚 10 PB2 接数码管引脚 7 PB3 接数码管引脚 1 PB4 接数码管 引脚 2 PB5 接数码管引脚 3 PB6 接数码管引脚 4 PB7 接数码管引脚 5 附录二 总程序 include reg51 h 包括一个 51 标准内核的头文件 include ABSACC H 库函数 define a8255 PA XBYTE 0 xD1FF PA 口地址 define a8255 PB XBYTE 0 xD2FF PB 口地址 define a8255 PC XBYTE 0 xD5FF PC 口地址 define a8255 CON XBYTE 0 xD7FF 控制字地址 unsigned char Timer Count 0 定义变量 16 unsigned char second 9 unsigned char light unsigned char const num table 16 0 xA0 0 0 xBB 1 0 x62 2 0 x2A 3 0 x39 4 0 x2C 5 0 x24 6 0 xBA 7 0 x20 8 0 x28 9 0 x30 A 0 x25 B 0 xE4 C 0 x23 D 0 x64 E 0 x74 F void Timer1 Init void 函数声明 void GInt Init void void delay unsigned int x void display unsigned char place unsigned char number unsigned char keyboard main 主程序 unsigned char flag 0 light 0 xc0 Timer1 Init 定时器工作模式设定及初始化 while 1 主程序循环 GInt Init 函数调用 打开中断及相应的设定 P1 light display 6 second 17 if second 0 second 0 x09 TR1 0 light 0 x7