基于单片机的八路抢答器设计论文.doc

论文论文 设计 设计 题目 题目 基于单片机的八路抢答器设计基于单片机的八路抢答器设计 学学 院 院 电子工程学院电子工程学院 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 学学 号 号 201212701017 姓姓 名 名 王王 鹏鹏 指导老师姓名及职称 指导老师姓名及职称 邱森辉邱森辉 目目 录录 内容摘要 3 关键词 3 第 1 章 引 言 4 1 1 课题研究背景 4 1 2 抢答器的介绍 4 1 3 研究目标与内容 5 第 2 章 系统总体方案设计 6 2 1 系统主要功能 6 2 2 系统工作流程 6 第 3 章 系统硬件设计 7 3 1 总体设计 7 3 2 时钟频率电路的设计 8 3 3 键盘扫描电路的设计 8 3 4 复位电路的设计 9 3 5 发声电路的设计 10 3 6 综合 PCB 板的设计 11 3 6 1 布局的原则 11 3 6 2 布线 11 3 6 3 焊盘 12 第 4 章 系统软件设计 14 4 1 软件任务分析 14 4 2 主程序系统结构图 14 4 3 程序流程图 15 第 5 章 系统综合调试 17 5 1 系统实现的功能 17 5 2 系统运行效果 17 第 6 章 总结 22 致谢 22 参考文献 22 基于单片机的八路抢答器设计基于单片机的八路抢答器设计 专业 电子信息工程 学号 201212701017 学生 王鹏 指导老师 丘森辉 内容摘要内容摘要 近年来随着科技的飞速发展 单片机的应用正在不断深入 同时带 动传统控制检测日新月异更新 本文介绍一种用 AT89C51 作为核心部件进行逻 辑控制及信号产生的单片机技术和 C 语言编程设计的 8 路数字抢答器 文章对 抢答器的背景与现状 硬件设计 软件设计都做了详细的介绍 使我们不仅元 器件的原理及设计有了深入的了解 也对单片机的设计研发过程有了更加深刻 的体会 本设计主要采用单片机控制 采用手动抢答的方式 有人抢答后 系 统自动封锁其他人的抢答按钮 使其不能再抢答 从而实现抢答功能 该系统 还增加了抢答倒计时和答题对错判断功能 另外抢答倒计时的时间可以调整 若有人在主持人按下开始按钮之前按下抢答按钮 系统不会显示选手的号码 只有在开始按钮被按下之后 选手才可以有效的抢答 使抢答达到公平 公开 的效果 关键词关键词 单片机 抢答器 STC89C51 LCD1602 液晶 第第 1 1 章章 引引 言言 1 11 1 课题研究背景课题研究背景 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 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 因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器 在保留原始抢答器的基本功能 的同时又增加了数码管显示电路实现了其他功能 抢答器又称为第一信号鉴别器 其主要 应用于各种知识竞赛 文艺活动等场合 1 21 2 抢答器抢答器的介绍的介绍 在 2007 年以前 抢答器作为一种竞赛设备 一直没有得到多大的提高 在使用过程中 只起到抢答作用 而且在设计上基本是采用模拟电路的方式 抢答的精确度不够高 而且 要受到线路和距离的限制 随着电脑的普及率在大幅提高 在新的信息化时代中 各类竞 赛活动也发生了一些大的变化 不再是现场主持人念题 选手回答 这种固定的 单调且 死板的方式 现场要求有更多互动和更多娱乐的效果 活动的策划者们在不断的思考和在 活动环节上进行设计 电脑抢答器的出现解决了策划者们面对的难题 电脑抢答器是以电脑做为操作平台 控制器方面采用了数字电路和单片机的方式和电脑进行通信 这样设计使知识竞赛长期以 来固定的模式被打破 活动中出现了更多的设计和新玩法 使知识竞赛走向了新的方向 以电脑做为平台的抢答器系统 可以通过竞赛软件控制抢答器 答题器 记分屏 灯光效 果等等 通过知识竞赛软件可以做到各个环节中的题目显示 选手可以通过手中的抢答器 抢答 抢答结果会显示在大屏幕上和分数会显示在 LED 记分屏中 选手还能通过答题器对 题目进行按键回答 在显示设备上显示出每位选手答题的情况 这样的方式很大程度的提 高了比赛的档次和娱乐性 除了电脑抢答器外还有数字电路式 单片机式的抢答器 对数字电路式的抢答器来说 电路复杂 且成本偏高 故障率高 显示方式简单 电脑抢答器不够便携 随着单片机的 应用不断深入 以单片机为核心的抢答器不断出现 利用单片机的优点 使抢答器具有结 构简单 功能强大 性能可靠等特点 1 31 3 研究目标与内容研究目标与内容 本系统采用模块化设计抢答器 在抢答比赛中广泛应用 各组分别有一个 抢答按钮 主持人有开始和结束 复位键 在后台主持人可以修改 抢答时间 和选手回答问题的时间设置 原始状态下抢答时间为 10s 回答问题时间为 10s 通过加键和减键修改上述时间 改完后确认键确定 新时间开始有效 主 持人按键开始后 选手开始抢答为有效 数码显示屏显示选手号和抢答时间倒 计时 在最后五秒扬声器发生提示 如果主持人没有按下开始键而选手就抢答 视为犯规 数码显示屏显示犯规者的代号 扬声器持续发生 主持人可按键结 束 新一轮抢答开始 第第 2 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 系统主要功能系统主要功能 本系统是以单片机为主控芯片的八路抢答器 它包括了 8 路抢答按钮 计时显示 倒 计时提示 开始与复位控制按钮 加时减时控制按钮 在抢答比赛中八路抢答按钮分别对应一组选手 计时显示以及其他的各种显示功能都 由 LCD1602 液晶实现 倒计时即将结束时蜂鸣器会响铃提示 开始 复位 加时 减时按 钮都由主持人控制 在主持人按下开始键后才能开始抢答 在抢答时选手的抢答犯规 抢 答成功都会视为犯规蜂鸣器持续响并显示在液晶屏幕上 一轮抢答结束之后由主持人按下 复位键复位 有 10 秒抢答时间 10 秒内无人抢答则本轮抢答结束 由主持人复位 在倒 计时最后 5 秒时 每一秒蜂鸣器都会响铃提示 总结其系统的需求分析如下 1 在抢答时只有主持人按下开始后才能抢答 在此之前前抢答视为犯规 2 可以显示抢答成功的选手和抢答犯规的选手 3 显示倒计时 倒计时将要结束时有响铃提示 4 抢答成功后锁定按键 使其他选手的按键无效 6 主持人复位后进入下一轮抢答 2 22 2 系统工作流程系统工作流程 一次具体的抢答过程如下 主持人按下开始键 进入抢答时间 在此之前有选手抢答 判定为犯规 屏幕显示犯规选手编号 主持人按下复位键进入下一轮抢答 进入抢答阶段 有选手率先抢答时倒计时停止 屏幕显示抢答成功的选手编号 并锁定键盘 使其他选手 的抢答无效 此时抢答成功的选手进行答题 之后由主持人按复位键进行下一轮抢答 如 一直无人抢答 在最后 5 秒倒计时的每一秒会响铃提示 直到倒计时结束还无人抢答 则 屏幕显示无人抢答 主持人复位进入下一轮抢答 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 总体设计总体设计 本设计包含了硬件设计和软件设计两部分 两者紧密结合 不可分离 硬件设计是这 个系统运行的基础 没有硬件一切都无从谈起 软件设计是系统正常运转的核心 在硬件 的基础上软件控制着系统的运作 实现系统的功能 随着技术的发展 硬件电路的集成度 越来越高 各种功能强大的芯片降低了硬件设计的复杂程度 本次设计的总体硬件电路原理图如图 3 1 所示 图 3 1 硬件电路原理图 图 3 1 中主控制器为 STC89C52RC 单片机 显示模块为一块集成的 LCD1602 液晶 由于采用并行传输数据 液晶模块的 DB0 DB7 接单片机 P0 口 RS 脚接 P2 0 R W 脚接 P2 1 E 脚接 P2 2 所有的按键全部在接在 P3 口 LS1 为蜂鸣器 作为系统中的响铃提示 功能 3 23 2 时钟频率电路的设计时钟频率电路的设计 单片机与其他微机一样 它的各种操作都是按着节拍有序的工作的 89C51 内部有一 个高增益反响放大器 用于构成振荡器 反相放大器的输入端为 XTAL1 输出端为 XTAL2 两断跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳点的自己振荡器 时钟电路如图 3 2 所示 图 3 2 外部震荡源电路 C1 和 C2 通常取 30pF 左右 可以稳定频率并对震荡频率有微调作用 i 震荡脉冲频率 范围为 fosc 0 24MHz 我们所用的震荡频率为 12MHz 3 33 3 键盘扫描电路的设计键盘扫描电路的设计 键盘是单片机应用中必不可少的硬件之一 由于其设计方法多种多样 所以在应用系 统设计时 应根据整个系统的硬件结构 软件设计等信息综合考虑 设计出稳定可靠 结 构紧凑 成本低廉 简单易用 性能优良的人机键盘界面 ii 键盘是进行人机交互的主要设备 在单片机应用中主要是独立键盘和矩阵键盘 其中 独立键盘结构简单 程序设计也较为简单 一般用于对硬件电路要求不高的简单电路中 矩阵键盘在硬件结构上较为复杂 程序算法上也比独立键盘复杂得多 但是矩阵键盘更加 能够节省端口资源 适合在按键较多的电路中使用 在本文设计中采用了独立键盘的 方式 本设计中有 8 个抢答按键输入 一个开始按键 一个结束按键 此外还 有抢答时间调整键 回答时间调整键 加一按键 减一按键各一个 按键电路如 图 3 3 所示 图 3 3 按键电路 在图3 3中 8 个抢答按键分别接入单片机的 P1 0 P1 7 端口 单片机通过读 取 P1 0 P1 7 的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个 抢答时间调 整和回答时间调整接到单片机的 P3 3 和 P3 4 界面 加一及减一按键接到单片 机的 P3 5 和 P3 6 界面 开始及结束按键接到单片机的 10 11 脚 这里用到了单片机 10 11 脚复 合功能中的 IO 端口功能 单片机通过读取 10 11 脚的 P3 0 P3 1 的 IO 端口 值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态 按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动 这时触点的逻辑电平是不稳定 的 如不妥善处理 将会引起按键命令的错误执行或重复执行 现在一般均用 软件延时的方法来避开抖动阶段 这一延时过程一般大于 5ms 例如取 10 20ms 如果监控程序中的读键操作安排在主程序 后台程序 或键盘中断 外 部中断 子程序中 则该延时子程序便可直接插入读键过程中 如果读键过程 安排在定时中断子程序中 就可省去专门的延时子程序 利用两次定时中断的 时间间隔来完成抖动处理 3 43 4 复位电路的设计复位电路的设计 单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端 只要将该端持续 4 个机器周期的高电 平即可实现复位 复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态 复位电路如图 3 4 所示 图 3 4 复位电路 复位电路主要由电解电容 C3 电阻 R1 按键 S1 组成 由于单片机是高电平复位 所 以当复位键按下时候 单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高电平 此时单片机处于复位状态 当上电后 由于电容的缓慢放电 单片机的 9 脚电压逐步由高向低转化 经过一段时间后 单片机的 9 脚处于稳定的低电平状态 此时单片机上电复位完毕 系统程序从 0000H 开始 执行 3 53 5 发声电路的设计发声电路的设计 蜂鸣器是众多电子产品中常用的发声器件 本设计中也使用蜂鸣器作为发声装置 本 设计中的发声电路如图 3 5 所示 图 3 5 发声电路 我们知道 声音的频谱范围约在几十到几千赫兹 若能利用程序来控制单 片机某个口线的 高 电平或低电平 则在该口线上就能产生一定频率的矩形 波 接上喇叭就能发出一定频率的声音 若再利用延时程序控制 高 低 电 平的持续时间 就能改变输出频率 从而改变音调 使喇叭发出不同的声音 本文设计如图3 5所示 图中单片机的 16 脚输出具有复合功能 此处用到 了单片机 16 脚的 IO 端口功能 单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的 波形输出驱动扬声器发声 3 63 6 综合综合 PCBPCB 板的设计板的设计 印制电路板 PCB 是各种电子产品中电路元器件的载体 PCB 提供了电路元件和器 件之间的电气连接 PCB 设计的好坏对产品性能有很大影响 iii 因此 在进行 PCB 设计 时 必须遵守 PCB 设计的一般性原则 并应符合抗干扰设计的要求 为了设计出优质低廉 的 PCB 应遵循一些原则 3 6 13 6 1 布局的原则布局的原则 1 要考虑 PCB 尺寸大小 PCB 尺寸过大时 印制线就条长 同时阻抗增加 抗噪声 能力也会下降 成本也增加 过小 则散热不好 而且邻近线条易受干扰 2 确定特殊元件的位置 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则 a 缩短高频元器件间的连线 以减少它们的分布参数和相互的电磁干扰 容易受干 扰的元器件不能太近 输入和输出元件要尽量远离 b 某些元器件或导线之间可能有比较高的电位差 应该增加它们之间的距离 以避 免放电引发意外短路 c 较重的元器件应该用支架固定 再焊接 那些笨重 发热量多的元器件 不宜装 在印制板上 应装在机箱底板上 热敏元件应远离发热元件 d 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置 3 根据电路的功能模块 对全部元器件进行布局时 要符合以下原则 a 按照电路的流程安排电路中各个功能单元的位置 使布局放便信号流通 并使信 号尽量保持一致的方向 b 以每个功能电路的核心元件为中心 围绕它来进行布局 元器件应均匀 整齐 紧凑地排列在 PCB 上 尽量减少各元器件之间的引线和缩短连接 c 一般应当使元器件平行排列 这样 既美观有容易装焊 易于批量生产 3 6 23 6 2 布线布线 1 I O 口的导线应尽量避免相邻平行 最好加线间地线 以避免发生反馈藕合 2 导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流大小决定 在条件允许的情况下尽量使用宽线 尤其是电源线和地线 导线间的最小距离主要由最坏 情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定 工艺允许的条件下 使间距尽量小 3 印制导线拐弯处一般采用圆弧形 直角或夹角在高频电路中会影响电气性能 还应 尽量不使用大面积铜箔 长时间受热时 易发生铜箔膨胀和脱落现象 必须用大面积铜箔 时 最好用栅格状 这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体 3 6 33 6 3 焊盘焊盘 焊盘尺寸 焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及镀锡层厚度 孔径公 差 孔金属化电镀层厚度等方面考虑 一般以金属引脚直径加上 0 2mm 作为焊盘的内孔直 径 而焊盘外径应该为焊盘孔径加 1 2mm 最小应该为焊盘孔径加 1 0mm 当焊盘直径为 1 5mm 时 为了增加焊盘的抗剥离强度 可采用方形焊盘 设计焊盘时的注意下列事项 1 焊盘孔边缘到电路板边缘要大于 1mm 这样可以防止加工时导致焊盘缺损 2 焊盘补泪滴 当与焊盘连接的铜膜线较细时 要将焊盘与铜膜线之间的连接设计成 泪滴状 这样可以使焊盘不易被剥离 而铜膜线与焊盘之间的连线不易断开 3 相邻的焊盘尽量不要有锐角 最终本设计生成的 PCB 图如图所示 PCB 设计图 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 4 14 1 软件任务分析软件任务分析 一个单片机系统是有软硬件结合而成的 硬件电路的设计解决了系统的物理层面实现 而要赋予这些硬件 灵魂 就需要软件来实现 软件设计主要是针对主控芯片来讲的 由 软件设计来告诉主控芯片如何去控制外围电路完成某些特定的功能 在本设计中 根据我们需要实现的功能来看 软件设计主要可以分为一下机个部分 显示模块 在整个抢答过程中显示信息的功能贯穿始终 是最主要的模块 控制 显示屏显示正确的信息是显示模块软件的主要职责 输入模块 本设计的输入模块是由独立键盘构成的 正确检测出从键盘上输入的 信息非常重要 输入模块软件就是要完成这一任务 计时模块 在抢答器的工作过程中多出设计的倒计时功能 计时模块软件主要完 成准确计时的功能 并在需要的时候提供当前的时间供其他模块调用 初始化模块 整个系统要稳定的运行 就需要自始至终都在我们的控制之下 系 统最初启动是所处的状态无法确定 就需要初始化程序对硬件系统进行设定 使 之符合系统运行的要求 本设计中初始化主要包括对单片机的初始化和对 LCD1602 液晶的初始化 主函数模块 程序都是从主函数开始运行的 主函数要控制这个程序运行的流程 将各个模块有机的结合起来 使系统稳定的工作 4 24 2 主程序系统结构图主程序系统结构图 硬件电路确定后 软件的编程要与硬件相匹配 软硬件才能结合完成所要实现的功能 由功能分析得到以下的软件结构图 图 4 2 系统结构框图 4 34 3 程序流程图程序流程图 整个程序主要由定时器 T0 定时器 T1 外部中断 0 和主程序构成 其流程图如下 按键发声 显示抢答号 剩余时间 停止键按下 抢答键按下 停止键按下 开始键按下 程序初始化 倒计时显示 倒计时开始 按键发声 准备状态 倒计时大于 5s 显示法规号码 按键发声 非法抢答 停止键按下 提醒发声 倒计时结束 YN N Y N N N N N Y Y Y Y Y 系统初始化模 按键模块 非 法 抢 答 模 块 调 整 回 答 时 间 调 整 抢 答 时 间 正 确 抢 答 模 块 显示模块 图 4 3 主程序流程图 第第 5 5 章章 系统综合调试系统综合调试 5 15 1 系统实现的功能系统实现的功能 通过了一系列的硬件设计和软件设计 并将软硬件进行整合 最后我们需要对我们的 设计进行测试 看它是否能完成我们最初设定的各种功能 1 在抢答是只有 主持人按下开始后才能抢答 在此之前抢答视为犯规 2 可以显示抢答成功的选手和抢答犯规的选手 抢答成功的选手显示他回答剩余时间 3 显示倒计时 倒计时将要结束时有响铃提示 4 抢答成功后锁定按键 使其他选手的按键无效 5 主持人复位后进入下一轮抢答 5 2 系统运行效果系统运行效果 1 开机初始状态 如图 5 1 所示 图 5 1 开机初始状态 2 抢答犯规显示 如图 5 2 所示 图 5 2 抢答犯规显示 有选手在主持人按下抢答键前按下键就会提示抢答犯规 并在屏幕上显示犯规信息 并且会响铃告警 这一步功能符合设计要求 3 正式抢答阶段倒计时显示 如图 5 3 所示 图 5 3 倒计时显示 正式抢答阶段的倒计时显示如图 5 3 所示 并且在最后 5 秒会响铃提示 符合设计要 求 4 抢答成功显示 效果如图 5 4 所示 图 5 4 抢答成功显示 抢答成功后会显示抢答成功选手的编号和回答剩余时间 图中显示 1 号选手抢答成功 回答时间剩余 4 秒 符合设计要求 5 调整时间显示 效果如图 5 5 所示 图 5 5 调整时间显示 6 回答时间结束显示 如图 5 6 所示 图 5 6 回答时间结束 7 无人抢答显示 如图 5 7 所示 图 5 7 无人抢答显示 当直到抢答倒计时结束后还没有