八路智力抢答器设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

摘要在各种知识、智力竞赛中，电子抢答器是必不可少的设备之一。目前使用的小型抢答器基本上采用小规模数字集成电路设计，其功能比较单一，使用起来也不够理想。本设计是基于单片机设计的一款更先进、更实用的智能电子抢答器。智能电子抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、抢答电路两部分组成主体电路；译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出，用控制电路和主持人开关启动报警电路，通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出，并实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后，智能电子抢答器成形。关键词抢答电路；定时电路；报警电路I目录摘要.1绪论.2第1章方案论证.31.1设计方案.31.2设计方案的论证.4第2章硬件电路设计.52.1主控芯片介绍.52.2时钟电路和复位电路.82.2.1时钟电路.82.2.2复位电路.82.3抢答电路.92.4显示电路.102.5控制电路.112.6报警电路.112.7整机工作原理.11第3章软件设计.133.1定时中断模块.133.2外部中断模块.143.3报警模块.143.4控制模块.153.5主程序模块.15第4章系统仿真与调试.174.1抢答器KEIL软件的仿真.17II4.2抢答器PROTENUS软件的仿真.174.3调试与运行.18总结.21参考文献.22附录1整机原理图.23附录2元件明细表.24附录3源程序.25第0页共31页绪论自我国经济在新的世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业收到了各方面的重视，尤其在电子行业方面显得更为重要，因为电子行业的迅速发展能够带动国家经济的发展，是衡量一个国家科技水平发展的标准。中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略作了许多贡献。当今的社会竞争日益激烈，在选拔人才、评选优胜、知识竞赛方面对抢答器的应用越来越广泛。而现在的抢答器有着数字化，智能化的发展方向，这就必然提高了抢答器的成本。随着小规模的知识竞赛越发增多，操作简单、经济实用的小型抢答器必将占有一定的市场。工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。在电子产品竞争市场上，伴随着人们对电子产品日益增加的需求量，许多商家不断推出数字智能化的新产品，许多新产品不仅摒弃其原有的缺点，不断创新，使其功能更加完善。本设计中介绍的抢答器设计十分巧妙，仅用一块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构清晰，成本低、制作方便等优点，并且还有答题提醒报警功能。这款简易八路抢答器摒弃了成本高、体积大的缺点。本抢答器具有直观显示、智能化的特点，而且操作简单。在显示时抢答器会发出叮咚声。第1页共31页第1章方案论证1.1设计方案方案一：采用模数电设计，包括优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。如图1-1所示。图1-1模数电抢答器设计框图方案二：采用单片机设计，以AT89C52单片机为核心控制元件的八路智力抢答器。抢答器由时钟电路、显示电路、控制电路、报警电路及复位电路几部分组成，再按下开始按键和复位按键都会有相应的发光二极管亮，设计框图如图1-2所示。抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示主持人控制开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路第2页共31页单片机显示电路控制电路抢答电路时钟电路复位电路报警电路图1-2单片机抢答器设计框图1.2设计方案的论证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、证券、股票交易及各种智力竞赛等场合。在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，因此出现了抢答器。方案一由很多电路组成的，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。因此我们设计采用方案二我们设计采用方案二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它功能。第3页共31页第2章硬件电路设计系统硬件电路设计分为7个部分，其中时钟电路和复位电路构成了单片机的最小系统电路。每个独立的部分构成了一个完整的电路，抢答器硬件电路设计部分如图2-1所示。主控芯片时钟电路复位电路抢答电路控制电路报警电路显示电路图2-1硬件电路设计框图2.1主控芯片介绍单片机AT89C52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案。AT89C52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52引脚图如图2-2所示。第4页共31页图2-2AT89C52引脚图主要功能特性如表2-1所示。表2-1AT89C52功能特性表AT89C52单片机的管脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写（1000次）FlashROM32个双向I/O口可编程UARL通道两个16位可编程定时/计数器全静态操作0-24MHz1个串行中断128x8bit内部RAM两个外部中断源共6个中断源可直接驱动LED3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能第5页共31页外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）INP3.3（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）WRP3.7（外部数据存储器读选通）DP3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机PEN器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将PSEN不出现。VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），A第6页共31页不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施EA加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2时钟电路和复位电路2.2.1时钟电路单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。在C52单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端引脚为XTAL1，其输出端为XTAL2。只要XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，就可以构成一个稳定的自激振荡器。电容在通常取（3010）pF，石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。时钟电路如图2-3所示。图2-3时钟电路2.2.2复位电路复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。RST端的外部复位电路有两种操作方式：上电自动复位和按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，本系统设计采用按键手动复位，如图2-4所示。第7页共31页图2-4按键手动复位电路2.3抢答电路选手抢答按键采用矩阵式按键，如图2-5所示，由2根行线和四根列线组成，按键位于行线和列线的交叉点上行线和列线分别接到按键的两端，且行线与单片机P1.0、P1.2接口相连，列线与P1.4、P1.5、P1.6、P1.7接口相连，构成了一个2*4（8个按键）的矩阵式键盘。图2-5抢答电路图第8页共31页采用矩阵式按键有以下几点作用：1.判别有无键按下。2.键盘扫描取得闭合键的行、列号。3.用计算法或查表法得到键值。4.判断闭合按键是否释放，入没有释放则继续等待。5.将闭合键的值保存，同时转去执行该闭合键的功能。2.4显示电路单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这就包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。显示器、键盘电路就是用于完成人机对话活动的人机通道。常用的LED数码显示器由8个发光二极管组成8段LED显示器，有共阴极和共阳极。通过8个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号，dp用于显示小数点。显示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成，如图2-6所示。图2-6数码管驱动电路图如果驱动电路能力差，即负载能力不够，显示器亮度不够，而且驱动电路长期超负荷工作，则容易损坏。LE显示器显示控制方式有两种：静态和动态。本设计方案选择的是动态控制方式。由于一位数据的显示是由段码和位码信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段第9页共31页和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。2.5控制电路图2-7控制电路如图2-7所示，开始按键控制是由单片机P3.2接口外接一个按键，当按下开始按键时，系统开始运行，选手则可以开始抢答；在单片机P3.3接口接复位按键；在P3.6与P3.7分别接开关控制时间的加减。2.6报警电路因为抢答器的报警比较简单，只起提示选手的抢答成功信息及时间警告等少许功能，本次报警电路核心器件采用一个蜂鸣器实现报警。如图2-8所示。图2-8报警电路图2.7整机工作原理系统主要以单片机为核心，设计了开始、复位功能模块、抢答功能模块、倒计时第10页共31页显示模块和系统报警模块。该抢答器是8路输入的智能抢答器。用MSC-52单片机的P0口连接系统指示LED灯，而控制输入信号从P3.2与P1端的P1.0、P1.1口输入。蜂鸣器接到P3.4上，通过单片机的电平输出驱动蜂鸣器发声，达到报警的效果，整机电路图如附录1所示。工作原理：软件的实现通过对矩阵键盘的行、场线输入扫描，确定按键，实现抢答功能。由于扫描时间相当短，所以可以很精确地判断出哪一位选手最先抢答成功和对其他选手按键进行锁存处理，并显示成功抢答选手号码。在倒计时显示中，使用了单片机的串行通信。将事先存好的字形码传送到显示上来，用的是查表方式。倒计时还要一个秒单位的脉冲计时，系统使用了单片机内部硬件定时器，实现延时一秒的功能，使得倒计时以秒为单位准确地计时。倒计时时间设定为30S，当剩下最后5S的倒计时时单片机在端口P3.4输出电平驱动蜂鸣器发出声音，声音延续5S。30S延时时间到，使用按键复位让系统回到初始状态。第11页共31页第3章软件设计系统软件按照其功能分为5个模块，每个独立的模块再通过程序构成一个完整的系统程序。抢答器软件设计模块如图3-1所示。图3-1抢答器软件设计模块3.1定时中断模块由于抢答器中需要显示倒计时来提示选手们抢答时间，在规定时间内作答，所以需要有定时中断模块，当时间小于6秒时，抢答器需要提供警告，以及当抢答时间结束时，要关闭外部中断，表示抢答结束，此时再有键按下抢答器也不会做出反应。流程图如图3-2所示。YN秒数加1？显示秒数1S时间到中断定时0启动中断返回图3-2抢答器定时器中断流程图第12页共31页3.2外部中断模块抢答器主要外部中断来自于选手们的抢答，当选手抢答时，抢答器同时判断被按下的键号并显示在数码管之上，然后再数码管上显示剩余时间，同时关闭中断，表示抢答结束，此时再有键按下抢答器也不会做出反应。外部中断流程图如图3-3所示。NYNNNNNNYYYYYYY外部中断0启动数码管显示01数码管显示04数码管显示05数码管显示03数码管显示06数码管显示07数码管显示02数码管显示08S1按下？S2按下？S3按下？S4按下？S5按下？S6按下？S7按下？S8按下？中断返回N图3-3外部中断流程图3.3报警模块报警模块主要作用有两个，一是当时间还剩5秒时，蜂鸣器放出报警，以此提示选手们抢答时间将要结束；二是当有选手第一时间抢答成功时发出报警声，提示其他选手不必再抢答。报警程序流程图如图3-4所示。第13页共31页时间=6？报警YYNN秒加1？中断返回定时0中断图3-4报警程序流程图3.4控制模块控制模块主要作用是对抢答器的开始和复位功能进行控制，主要由主持人来实现功能。当开始键被按下时，抢答器开始正常工作；当抢答器停止工作是，可以按下复位键使抢答器回答初始化状态。控制程序流程图如图3-5所示。YYYNNNYN运行中断，系统开始倒计时时间加1时间减1按下开始键？按下复位键？按下时间+1？按下时间-1？中断返回图3-5控制程序流程图3.5主程序模块主程序主要完成硬件初始化，子程序调用和程序间的切换，由于本设计要求抢答器具有开始、复位、抢答、三种方式切换功能，所以主程序除了要进行硬件部分的初初始化8052第14页共31页始化以外还要进行各个程序之间的调用和切换。主程序流程图如图3-6所示。S9=0？选手抢答？初始化8052系统开始倒计时显示剩余时间与选手号YYNN开始结束图3-6主程序流程图第15页共31页第4章系统仿真与调试4.1抢答器Keil软件的仿真图4-1程序汇编图本设计程序汇编采用Keil软件，程序汇编结果如图4-1所示。Keil软件软件是目前最流行的开发MCS-52系列单片机的软件。该软件提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，并通过一个集成开发环境将他们组合在一起。4.2抢答器protenus软件的仿真绘制抢答器的软件仿真图步骤分一下四步：1.查找所需要的元器件；2.根据电路图进行连线；3.是用来写线所对应的坐标；4.装载keil生成和HEX文件进行仿真。第16页共31页通过以上步骤，来实现抢答器设计的仿真实现，仿真电路图如4-2所示。图4-2仿真电路图4.3调试与运行把编写好的程序放入仿真软件中，结合硬件电路进行调试与运行。1.在仿真软件中按下开始按钮，从而达到仿真的目的；2.LED显示器显示当前0030初始化；3.按照本次实际任务要求，逐个调试功能是否能实现。运行过程如下：1.按下运行键，系统自动复位，如下图。第17页共31页2.当主持人按下开始按键时，选手开始抢答，3号选手抢答成功，数码管显示选手号码与剩余倒计时时间，如下图。3.主持人按下S10，显示答题时间为30S，按下开始按键，此时系统开始倒计时，选手答题开始，如下图。4.最后的5秒的答题倒计时，系统蜂鸣器控制将会发出声音以提示选手，系统30秒倒计时时间到，选手答题结束，如下图。第18页共31页5主持人按下复位按键，系统回复到初状态，预示可以进行下一轮答题.，如下图。第19页共31页总结本设计是选用单片机技术为核心的设计方法设计的一款智能电子抢答器。系统主要以单片机为核心元件，以编程来控制单片机，达到抢答器所能实现的功能。系统硬件设计包括：单片机的介绍、复位电路、时钟电路、控制电路、显示电路、报警电路等的设计。系统软件设计包括：中断模块、报警模块、控制模块、主程序模块的设计等。平时我们学习的只是理论知识，但是繁多的理论让人很难理解。在听完老师讲课之后，我们也不清楚到底自己懂多少。在做设计这段时间里，我们不但巩固了那些已经掌握的知识，同时还学习了以前没学好的知识。做毕业设计的收获是很大的，它不但使我对单片机的知识有了一个整体的认识，使知识形成了一个连贯的体系；还让我们知道了在课堂上学到的原理知识、器件（如；8255芯片80C52等等）通过各种渠道可以实现不同的功能。而且随着设计的深入，我们对单片机及其扩展有了更深刻的认识。在设计的过程中，虽然智能抢答器相关资料可以在图书馆或者网上查阅，但这并不表示不用心就可以做好设计。我也深刻认识到单片机在日常生活中的强大用途，同时也被单片机的强大微处理能力所震撼，随着社会的发展，单片机将成为人类社会不可缺少的重要科技之一。我们应该更加努力地学习单片机，为社会发展作贡献。最后我们要感谢含辛茹苦、默默地在后面辅导我们的老师，我们的成功离不开你们的努力，现在我们唯一能做的，就是不断学习，在学习中提高自己，以不辜负你们的期望。第20页共31页参考文献1王迎旭.单片机原理及应用.北京:机械工业出版社,20042何小敏.微型计算机原理及应用.北京:机械工业出版社，20033刘乐善.微型计算机接口技术及应用.武汉:华中科技大学出版社,19994房小翠.单片机实用系统设计技术.北京:国防工业出版社，20015何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社，20026陈光东.单片微型计算机原理与接口技术.武汉:华中理工大学出版社，19997朱定华.微机应用系统设计.武汉:华中科技大学出版，2003第21页共31页附录1整机原理图第22页共31页附录2元件明细表项目代号代号名称、型号、规格数量备注更改R0GB8551-87RT0.125b22010%1R1GB8551-87RT0.125b22010%1R2GB8551-87RT0.125b22010%1R3GB8551-87RT0.125b22010%1R4GB8551-87RT0.125b22010%1R5GB8551-87RT0.125b22010%1R6GB8551-87RT0.125b22010%1R7GB8551-87RT0.125b22010%1R8GB8551-87RT0.125b22010%1C1GB5995-86CD210V30pF101C2GB5995-86CD225V100F101C52AT89C52AT89C52-24AI1LED0SM410364SM410364LED1LED1SJ1067-76LJ-204d-21红色LED2SJ1067-76LJ-204d-21黄色V3YMD-12095YMD-12095-B1S1-S12PS2213APS2213A12S12K12.000K12.0001旧底图总号更改标记数量更改单号签名日期底图总号拟制杨帆审校杨帆日期签名等级标记第2张共2张标准化批准串联型直流稳压电源元件表第23页共31页附录3源程序#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitspeak=P34;sbithuang=P30;sbitred=P31;sbitsjia=P36;sbitsji=P37;sbitkai=P30;sbitfuwei=P31;sbitkais=P32;ucharnum,temp,shijian,shi,ge,ashi,age,aa,tt,bb,i;ucharcodetable=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;voiddelay(uintz)ucharx,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);voidbj()for(i=0;i110;i+)第24页共31页speak=speak;delay(6);for(i=0;i230;i+)speak=speak;delay(2);voidkeyscan()if(sjia=0)delay(5);if(sjia=0)shijian=shijian+1;if(shijian=99)shijian=0;while(!sjia);if(sji=0)delay(5);if(sji=0)shijian=shijian-1;if(shijian=0)shijian=30;第25页共31页while(!sji);voidzhuanhuan()shi=shijian/10;ge=shijian%10;ashi=num/10;age=num%10;voidsound()speak=0;voidmain()huang=0;red=0;EA=1;TMOD=0x11;T2CON=0x01;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TH1=(65536-5000)/256;TL1=(65536-5000)%256;TH2=(65536-50000)/256;TL2=(65536-50000)%256;ET0=1;TR0=0;ET1=1;TR1=1;ET2=1;TR2=0;IT0=1;EX0=1;IT1=1;EX1=1;aa=0;bb=0;shijian=30;while(1)keyscan();voidint_0()interrupt0huang=1;TR0=1;TR2=1;voidtimer_0()interrupt1第26页共31页TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;aa+;if(aa=20)aa=0;shijian-;if(shijian=6)red=1;huang=0;sound();if(shijian=0)TR0=0;TR2=0;TF2=0;voidint_1()interrupt2shijian=30;num=0;TR0=0;TR2=0;voidtimer_1()interrupt3TH1=(65536-5000)/256;TL1=(65536-5000)%256;tt+;bb+;if(tt=5)tt=1;zhu