四路抢答器设计报告.docx

四路抢答器设计报告四路抢答器设 计 报 告 专业：物理学 班级：09物理学2班 姓名：xxx 学号：200906101226 姓名：xxx 学号：200906101251 姓名：xxx 学号：200906101225 姓名：xxx 学号：200906101208 姓名：xxx 学号：200906101231指导老师： xx日期：2012年6月12日摘要抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计是以四路抢答为基本理念，考虑到依需要设定限时和记数的原理，利用AT89C52单片机以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，将软件、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。用开关做键盘输出，蜂鸣器给出声响提示。同时系统能够实现：抢答开始后，若有选手先按动抢答按钮，该选手编号就会在显示器上显示同时蜂鸣器会发出音响，而且禁止其他选手抢答。优先抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。抢答器同时具有限时抢答功能。当主持人按下按钮后，定时器开始倒计时，并显示倒计时时间（15s）。如果时间已到，无人抢答，则本次抢答无效。本次实验巧妙运用单片机技术，大大的减少了电路的复杂性。关键词：AT89C52 数码管 抢答器 计时目录一、设计任务和要求 4二、方案的选择的论证 5三、原理图 7四、电路图及工作原理 9五、组装与调试 10六、电路的特点 12七、元器件列表13八、参考文献13九、感想和体会13十、附录 17一、设计任务及要求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。由主持人控制抢答开始开关和系统清零开关， 用数码管抢答倒计时间，由“15”倒计到“00”时，无人抢答，蜂鸣器给出响声提示。选手抢答时，数码管上显示选手组号，同时蜂鸣器给出响声提示，倒计时停止。2、设计要求1） 抢答器同时供4名选手，用1、2、3、4表示4名选手，选手各用一个抢答按钮，按键的编号与选手的编号相对应。2） 主持人控制两个按钮，作用是整个系统的清零以及抢答的开始。 3） 抢答器具有数据锁存与显示功能。抢答开始后，若有选手按动按钮，则其编号立即在数码管上显示出来，并锁存该信号，蜂鸣器给出声响提示。同时，禁止其他选手再抢答。4）抢答器具有定时抢答的功能，主持人可以根据需要设定时间。当主持人启动开始按钮后，则定时器进入减计时并在数码管上显示剩余时间。5）参赛选手再设定的时间内进行抢答，则抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。6）如果在设定时间内没有选手抢答，则本次抢答无效，系统封锁输入电路，禁止选手超时抢答，定时器上显示00。二、方案的选择论证方案1用数字电子和电工电子基础实践教程所学的自锁开关、与门、或非门、电容、电阻、NE555定时器、74LS375锁存器、74LS148编码器、CD4511译码器以及共阳极数码管等来实现抢答器的功能。抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。其总体框图如下：抢答按钮触发器锁存电路译码电路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显示电路 方案1总体框图方案2根据设计要求，系统采用6个独立式键盘作为按键，通过单片机不停地扫描按键来控制LED数码管的显示以及蜂鸣器，当按下启动按键后，经单片机处理，输出控制信号，数码管从15开始进入减计时并在数码管上显示剩余时间，在有选手按下按键时，就会有对应于这个按键的编码在数码管上显示，同时蜂鸣器给出声响来提示主持人和选手；如果在15秒内没有选手抢答，则本次抢答无效，系统封锁输入电路，禁止选手超时抢答，定时器上显示00。系统的工作原理采用AT89C52的单片机作为核心，控制系统四个模块分别为：抢答开关模块、时钟电路模块、报警电路模块、显示电路模块，还需要的器材有：30皮法的电容、12MHZ的石英晶振、开关、蜂鸣器以及二位共阳极数码管。其总体框图如下：抢答开关电路主持人控制开关电路AT89C52单片机报警电路（蜂鸣器）显示电路（2个二位共阳极数码管）时钟电路方案2总体框图方案比较方案1：采用74LS375、74LS148、CD4511分别作为抢答信号的锁存、编码和译码输出，来完成抢答部分，所需的元件较多，且实际中实现锁存功能时也比较繁琐难实现；所需器件都是纯电子器件，没有软件的参与，不易扩展和修改，而且电路结构复杂，调试困难，电子器件管脚很多，实际搭建起来费时费力，连电路容易出错；再就是学院器材库中并没有NE555定时器、74LS375锁存器以及自锁开关，找别的器材替换，会导致电路连接更复杂，例如：用2个D触发器74LS74和一个反相器74H04来替74LS375。方案2：在我们已经学习了单片机的原理与应用这本教材的基础上，我们完全有能力通过编写程序来实现抢答器的各项功能。单片机体积小，价格低，应用方便，稳定可靠；单片机将很多任务交给软件编程去实现，大大简化了外围硬件电路，使外围电路的实现简单方便；电路所需的器件较少，电路连接简单化，调试更方便，布局美观。但单片机本身不具有软件编译测试的功能，我们需要借助其他编译软件，才能将编译好的程序“烧”入单片机内。经过对比两方案的优缺点，决定采用电路简单，调试方便用单片机来实现抢答器功能的方案2。然后利用Kevil uVision2 IDE 来编写程序，用Proteus画电路来进行仿真调试，再进行逐步改进，调试好后连接电路。三、原理图1、单元设计原理图有6个独立式键盘做按键输入，当主持人按下按键后，由选手按下按键时，就会有对应于这个按键的灯亮，在数码管上显示该选手编号，并且蜂鸣器给出响声提示，其他按键再按也无效，其框架图如下：按键扫描独立式按键部分单片机处理显示部分报警部分单片机的端口上电是高电平，而且当外部没有输入时就自动弹跳到高电平，所以通过按键所接端口高低电平的变化，可以判断出哪个按键按下了，原理图如下：独立按键P1口电平变化单片机识别2、总体框架图抢答开关电路主持人控制开关电路AT89C52单片机报警电路显示电路时钟电路四、电路图与工作原理1、电路图： 2、工作原理时钟电路连接XTAL1和XTAL2提供时钟脉冲，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3引脚接四位选手的按键器，P1.6和P1.4引脚分别接主持人的开始和复位案件，其他引脚接法如图所示，P0口控制字形显示，P1口控制字位显示，最初状态是P1口都是高电平，共阳极数码管，显示倒计时的数字“15”。在主持人按“开始”按键前，倒计时一直显示15，选手按键无任何效果，主持人按键后，开始倒计时，在倒计时15s内如果有选手按键，则在另外两个LED数码管上显示选手号，蜂鸣器响声提示有人按键，并且其他选手再按键就无效；如果在15s内没有人抢答，则此题结束，四位选手按键均无效。结束一个题后，主持人按复位按钮，单片机的状态恢复到最初状态，准备下一题的开始。五、组装和调试1、主要器件：在这次设计的用于竞赛的抢答器，电路图时很简单，组成器件应该说都是单片机中很常见的。器件主要是AT89C52单片机，六个按键，一个发光二极管，四个电阻，两个电容，一个晶振、两个二位数码管。2、组装与调试的方法与技巧:系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。硬件测试分单元电路调试和联机调试，单元电路试验在硬件电路设计时已经进行，这里的调试只是在面包箱上连接电路后，试验电路是否正确，并排除一些加工工艺性错误（如错线、开路、短路等）。这种调试可单独模拟进行，也可通过开发装置由软件配合进行，硬件联机调试则必须在系统软件的配合下进行。软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。在联调中可能会有某些支路上的程序、功能因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件、硬件全部调试成功为止。系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。3、组装与调试遇到的问题与解决方法：软件调试时遇到的问题：有时候在自己创建的元器件的管脚上无法实现连线。 解决方法：在走线的同时按住 “CTRL”键，直到走线绕过狭窄的保护区。当然最根本的办法是重新编辑元器件，把其管脚间距调大一些。硬件调试遇到的问题1：一个二位体数码管很暗。一个二位体数码管并没有显示数字。解决方法：没有显示数字的那个二位体数码管，先查看它是否是共阳极的，检查后发现是共阴极的，换一个共阳极的二位体数码管。显示很暗的那个二位体数码管是因为电压不够，在二位体数码管与单片机之间连接一个1千欧的电阻，增加电压。硬件调试遇到的问题2：蜂鸣器没有发出声响。解决方法：查看后发现蜂鸣器是有源蜂鸣器，而实验中要的是无源蜂鸣器，用一个二极管代替蜂鸣器，当然也可以换成无源的蜂鸣器。4、实验实物图六、电路的特点这次的设计是我们运用单片机实现了抢答器的功能，在设计中，我们完全利用了单片机的程序实现了所有的软件功能：抢答、报警、定时、锁存、复位、主控制等等，而外部电路很少，只有一个振荡电路、抢答按钮、蜂鸣器和2个二位共阳极数码管。相对于用集成芯片电路来说，我们设计的总体电路是很简洁的，在连线过程是很容易完成，不会混乱。同时，因为元器件较少，从经济的角度来说也是很合理的，成本很低，并且很容易买到，实用性很强。但是本设计最多能提供四个选手和四个队参加竞赛，这导致在使用时会受到限制，我们还需要设计多路的选择开关，这样才能被更好的利用。七、元器件列表名称序号器件名称数量备注1 AT89C52 1单片机2 30皮法的电容23 蜂鸣器1无源4 按键 65 12MHZ的石英晶振16 二位体数码管2共阳极71K电阻48发光二极管1八、参考文献谢维成 杨加国 单片机原理与应用及C51程序设计（第二版） 清华大学出版社 2009年；余孟尝 数字电路技术基础简明教程（第三版） 高等教育出版社 2006年；曾建唐 电工电子基础实践教程（上册）实验课程设计（第2版） 机械工程出版社 2007年。九、感想和体会1、xxx的感想与体会在为期两周的电工电子设计实验的过程中，感触很多，受益匪浅。从一开始的选题就很纠结，总觉得自己什么都不会，不知道该选哪个方案，虽然自己是组长，却总想把这个实验撇开，全部交给我的队友做。随着交电路图日子的临近，迫不得已只好是硬着头皮做，经过大家的讨论与抉择，最后选了比较熟悉的方案四路抢答器设计。既然决定了，就得认真出色地完成。趁着去见习的时间，我认真地把数字电子课本看了一遍，见习回来就忙着申请器材，由于只知道该怎么用，并不知道该器材的具体名称或者是型号，都得自己上网查资料以及请教老师和同学，当发现器材库中也没有该器材时，又得临时找其他器材来替换，找别的又得重新上网查阅相关器材的引脚以及应用，领器材回来做实验发现有遗漏的，就又马上申请，这一切让我懂得了“没有什么是做不好的，一切贵在坚持”。以为电路图画好了，器材也申请好了，只要用心连电路就完成任务了，可电路都是纯电子电路，管脚太多，连接电路时，总是错误不断，找替换的器材合成了心得器件，却根本达不到想要的功能，自锁开关一直也都借不到，无奈之下只好放弃了该方案，立马改成相对比较简单的用单片机控制的抢答器方案。由于时间紧迫，来不及申请器材，只能是找上一组的同学借，于是大家分工合作，甚至利用中午休息的时间到实验室来做实验。可以说用单片机控制的外围电路确实简单，连接省时省力，可连完了依然存在很多问题，通过大家耐心地调试，找出了问题所在，终于调试成功了，按设计的任务和要求实现了抢答器的功能。看着通过大家共同努力的成果摆在了眼前，深刻地体会到成功并不容易，这一切需要一个团队的团结以及积极配合，需要大家的认真以及有耐心。2、xxx的感想与体会此次课程设计经过为期两周的不懈努力，我们终于完成了实验。在这一段时间中，我们完成了课程设计的调研、查阅资料，构思、确定总体方案、设计硬件电路、设计软件功能、画流程图、编写程序、连接硬件电路，以及硬件电路验证调试程序工作，这个过程让我们初步掌握了用单片机开发电路步骤过程，同时还大大加深了我们对单片机这门课的认识。本次设计是我第一次运用单片机模拟实际的东西。因而在许多方面都还不熟练,例如对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识，培养了我独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对单片机知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习。总之，在这次的课程设计过程中，我收获了很多，即为我的以后学习设计有很大的帮助。3、xxx的感想与体会本次实验老师安排了两周的时间，刚开始我们都以为时间太长，我们可以很早就完成的。但是在做的过程中，才知道我们错了，这个实验不是那么的简单。在实验过程中，我们学到很多的东西，科学上我们了解到现代技术在我们生活中的应用是很重要的；身边的每一件看似很简单的东西，都是包含了很多人的辛苦劳动、刻苦专研的成果。除此之外，我更加明白了，我们在探究科学技术时，除了需要有足够的知识来指导我们去设计，还需要我们在这个过程中有坚强的毅力，有不怕失败的精神，有不断尝试的信念。没有什么事情是一帆风顺的，没有什么实验的一次就能成功的，我们只有在不断的尝试中，寻找新的方法、新的思路。遇到困难时，不要灰心，要想办法解决这个问题才是最好的做法。同时，科学的实验也是需要细心的，做事情必须严谨，来不得半点马虎。那么多的线路，电板上密密麻麻的导线，只要有一条连错，都是不能成功的，所以，我们只能细心的连线，但发现连好设计电路还是不能成功时，检查电路也是需要有耐心的，必须每一条都检查。总的来说这次实验，让我学到不只是科学知识，还有探究科学时我们需要怎样的态度。4、xxx的感想与体会在此为期两周的课程设计中，我们遇到了很多问题（自身的基础不够扎实）。起初，面对整个设计我们不懂的从哪里下手，总觉整个设计太大了。后来经过老师和同学的指导我们渐渐觉得这个设计并不是那么困难。我们有了一定的信心，开始琢磨如何进行设计。大家都很积极的探讨。功夫不负有心人有心人，经过大家的努力，我们终于设计出来了。一个人的力量是有限的，大家探讨中，我懂了很多以前不懂的知识。因此，我觉得学术是需要交流才会有进步。使我感悟最深的是电路的设计不仅需要深厚的知识功底和严谨的科学态度。更要有坚忍不拔的毅力和勇于探索的勇气。只有对所有的器件有很好的了解之后才能去选择正确的器件设计电路。好的电路设计不仅要求正确。而且是最简单，最合理的。十、附录1、抢答器设计程序#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;sbit P1_4=P14;sbit P1_6=P16;sbit P3_7=P37;unsigned char code dofly_DuanMa=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf; /共阳极数码管显示段码void Delay(unsigned int t); /函数声明void display(uchar,uchar,uchar,uchar); /声明子函数void key();void key2(); /扫描键盘uint i=0,o=0,p=15; /p为定时时间uchar l,e,f,m,n;void main()P3_7=0;P1=0Xff;while(1)o=0;display(e=p/10,f=p%10,n,m=0);m=0;key2();while(P1_4=0)l=p;EA=1;ET1=1;TMOD=0X10;TL1=0xb0;TH1=0X3C;TR1=1;while(P1_6=1) e=l/10;f=l%10; display(e,f,n,m); key();void display(uchar a,uchar b,uchar c,uchar d) P2=0X01; /第一位显示 P0=dofly_DuanMaa; /显示数据 Delay(200); /扫描间隙延时 P2=0X02; /第二位显示 P0=dofly_DuanMab; /显示数据 Delay(200); /扫描间隙延时 P2=0X04; / 第三位显示 P0=0Xbf; /显示数据 Delay(200); /扫描间隙延时 P2=0X08; / 第四位显示 P0=dofly_DuanMad; /显示数据 Delay(200); /扫描间隙延时void Delay(unsigned int t)while(-t);void key()if(P1_0=0)m=1;while(o100)o+;P3_7=!P3_7;display(e,f,n,m);while(P1_6=1)dis