基于单片机的六路抢答器设计说明

1、课程设计（论文）题目名称课程名 称 单片机原理及应在电气测控学科中的应用学生姓名学号系、专业电气工程系指导教师学生学 号学院课程设计（论文）评阅表系 电气工程系 专业班级题目名称课程名称单片机原理及应用在电气测控学科中的应用一、学生自我总结学生签名：年 月 日二、指导教师评定评分项目平时成绩答辩综合成绩权重304030老师填写等级：优、良、中、及格、不及格单项成绩指导教师评语：指导教师（签名）：年月日注：1.本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面：2、表中的“评分项目及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。【摘要】数字电路在日常生活中的应用很

2、多，随着它的发展，其应用将来会越来越广泛。 工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力比赛，抢答器是必要设备。抢答器是一名公 正的裁判员，它有主体电路与扩展电路组成，其基本原理是主持人按开始按钮是以开始,利用一个优先编码器，译岀最先抢到答题权的选手编号，并经LED显示器显示出来，同 时还要封锁电路以防其他选手再抢答。本文所介绍了一种六路抢答器的设计与制作。【关键词】抢答锁存计时显示第1节引言21.1 数字抢答器的概述21.2 设计任务与要求21.3 系统主要功能3第2节系统主要硬件电路设计52.1单片机控制系统原理图62.2单片机主机系统电路62.2. 1时钟频率电路的设计62.2.2复位电路的设

3、计72.2.3显示电路的设计72.2.4键盘扫描电路的设计72.3 发声82. 4 系统复位8第3节系统软件设计103.1主程序系统结构图103.2程序流程图103.3 系统程序11第4节 调试及性能分析20第5节结束语21基于单片机的六路抢答器数理与信息工程学院计本072倪晓静指导教师：余水宝第1节引言单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便 能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作一个僵死的电子 系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。而随着技术的进 步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势

4、。本设计就是 基于单片机设计抢答系统，通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的 功能。单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其 新的“生命”，使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。对 于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手 来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定 的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。1.1数字抢答器的概述对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题 的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应

5、速度同时也要求选手具备足够的知识面 和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。本实验设计 的数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。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。更具有实用性。1.2设计任务与要求任务：设计一款数字抢答器1. 基本要求（1）抢答器同时供6名选手或6个代表队比赛，分别用6个按钮SO、S5表示。（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S,该开关由

6、主持人控制。（3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED 数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手 的编号一直保持到主持人将系统清除为止。（4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当 主持人启动”开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的 时间0.5秒左右。（5）参赛选手在设定的时间进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示 选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。（6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显 示器上显示00o优

7、点：与普通抢答器相比，本作品有以下几方面优势 具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说开始”前提前 抢答违反规则。 具有定时功能，在30秒无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。 30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。1. 3系统主要功能抢答器原理：该抢答器供不多于四个的抢答比赛使用。每个选手的座位前安装一只 抢答按钮开关和一只信号灯。主持人的座位前安装一只复原按钮开关、一只蜂鸣器和一 只抢答器工作状态指示灯。每当主持人口头发出允许抢答的号令之后，哪个队先按下座 位上的按钮开关，该座位的信号灯就先被点亮，同时封锁其他按钮开关的活动。并且熄 灭主持人座位

8、上的状态指示灯和发出3声类似于振铃的提示声，以“声明”此次抢答 动作已经完成。在主持人确认后，按下复原按钮，状态指示灯重新点亮，并且同时发出 “笛一一笛一一”声，为下一次的抢答作好准备。电路中的蜂鸣器FM是一只带有助音 腔的压电瓷蜂鸣器，用于模拟发出报警声的功率放大器和喇叭。在FM发声的同时，灯 D6也在发光。FM可以看作是一个电容性负载，本身不能流过直流电流。发声的原理是， 作用在两个电极极板的电位在发生变化时，瓷材料就发生弯曲，从而振动空气发出声音。 FM和4只按钮开关SWaSWd以及4只电阻RaRd都是在演示板的基础上额外添加 的。由于RB端口部具有上拉电阻，只要用软件设置其有效，即可省

9、略在4只端口引脚 上外接上拉电阻。按钮开关和指示灯与座位的对应关系如表1. 1所示：表1.1按钮开关和指示灯与座位的对应关系座位主持人席座位1座位2座位3座位4位5座 位6按钮 开关SW1SWaSWbSWCSWdSWeSWf指示灯D7DOD1D2D3D4D5蜂鸣器有无无无无无无第2节 系统主要硬件电路设计为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：(1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片, 随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总 和高。(2) 留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少 有一锤

10、定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被 迫进行全面返工。(3) 程序空间，选用片程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。(4) 1/0端口，在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题, 而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要釆集，就必须增加输 入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一 些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。2.1单片机控制系统原理图如图2-1,卩10为开始抢答，P1.7为停止，Pl. 1-P1.6为六路抢答输入，数码管段 选P0 口，位选P

11、2 口低3位，蜂鸣器输出为P3.6 口。P3.2为时间加1调整，P3.3为时 间减1调整。图2-1系统原理图ny21隸R.13：U2只U2 E甩 D.UD R2.11KM R22.ME R2iKfl3R2M6 rtZ/LXCTALEP2鈕它 KJSTAtS pzm* P2?MF1CP3JMQF1.1町EOM7,WFF13F33WOFUF3VDMSF3S71F36/77仿玖36 F2TO P221KO P2MM1UZC:2.2单片机主机系统电路该六路抢答器的设计细分为时钟频率电路的设计，复位电路的设计，显示电路的设 计和键盘扫描电路的设计等。2. 2.1时钟频率电路的设计单片机必须在时钟的驱动下

12、才能工作.在单片机部有一个时钟振荡电路，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部的各个单元，决定单片机的工作速度。图2-2外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引 脚产生幅度为3Y左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路 中两个电容C1.C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。 C1,C2的典型值为30PF。单片机在工作时，由部振荡器产生或由外直接输入的送至部控制逻辑单元的时钟信 号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，常用fosc表示。如时钟频率为 12MHz,即

13、fosc=12MHz,则时钟周期为 l/12pi s。2. 2.2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，其电路图如图2-3所示：图2-3复位电路值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的硬件 复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介绍中提到 了倒计时时间的记忆功能，该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位， 所以设定了软复位功能。软复位实际上就是当程序执行完毕之后，将程序指针通过一条 跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。2. 2.

14、3显示电路的设计显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供 尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。2. 2.4键盘扫描电路的设计键盘是人与微机系统打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文 献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描 程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘 状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作 和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。图2-4独立键盘它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在

15、程序设计上也不复杂， 一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在 硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口 资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛 剌”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”0000000. 0片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里我们取10ms)后再判断此电平 是否保持原状态，如果是则为有效按键，否则无效。2.3发声我们知道，声音的频谱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

16、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。2.4系统复位使CPU进入初始状态，从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系统 复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过CPU外部的 硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。上电复位，人工按钮复位 和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对 片通用寄存器的容没有影响。但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统 能够正常工作，这样一个事

17、实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用一系列指 令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。对各专用寄 存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程 中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。 有的编程人员用020000 (LJMP 0000H)作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完 成了软件复位，就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必 须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位， 它将阻止同级中断响应。由于软件看门是高级中断，它将阻止

18、说要中断响应，由此可见 清除中断激活标志的重要性。在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。前文各处提案到的出错 处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。这部分程序如下：POWER DATA 67H;上电标志存放单元ERR：CLR EA;关中断MOV DPTR,#ERR1；准备返回地址PUSH DPLPUSH DPHRETI;清除高级中断激活标志ERR1：MOV POWER,#OAAH;重建上电标志CLR A;准备复位地址PUSH ACCPUSH ACCRET I;压入复位地址OOOOH;清除低级中断激活标志，从程序0000H开始执行这段程序先关中断，

19、以便后续处理能顺利进行，然后用两个RETI指令代替两个LJHP 指令，从而清除了两级中断激活标志。有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全部激活 两个标志，这也无妨。第3节系统软件设计软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完 成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。3.1主程序系统结构图系统初始化模块按键模块法 抢 答 模确 抢 答 模整 抢 答 时整 回 答 时图3-1软件系统结构图在本设计中包括了 回答时间调整程序、倒 主流程图如3-2所示：抢答处理程序、班规处理程序、显示及发声程序。3.2程序流程图以下八个主要的程序：主程序、諜法抢答序、抢答时间调

20、整程序、 十时程序、正常图3-2程序设计流程图3.3系统程序P1.0为开始抢答，P1.7为停止,pl. l-pl.6为六路抢答输入数码管段选P0 口，位选P2 口，蜂鸣器输出为P3.6 口。程序代码如下：;抢答开始标志位;响铃标志位OK EQU 20HRING EQU 22HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INTOSLBORG OOOBHAJMP TOINTORG 0013HAJMP INT1SLBORG OO1BHSETB EASETB ETOSETB ET1SETB EXOSETB EXICLR OKCLR RINGSETB TRISETB TRO查询程序：

21、START： MOV R5,#0BHMOV R4,#0BHMOV R3,#0BHACALL DISPLAYPl. 0,NEXTACALL DELAYPl. 0,NEXTACALL BARKMOV A,R1MOV R6,ASETB OKMOV R3,0AH;允许四个中断T0/T1/INT0/INT1;一开始就运行定时器，以开始显示FFF ;果想重新计数重置TH1/TL1就可以了;未开始抢答时候显示FFF;去抖动，如果”开始键”按下就向下执行;否者跳到非法抢答查询;按键发声;送R1-R6,因为R1中保存了抢答时间;抢答标志位，用于COUNT只程序中判断;是否查询抢答;抢答只显示计时，灭号数AJMP

22、 COUNTNEXT： JNB Pl.1,FALSE1JNB P1.2.FALSE2JNB P1.3.FALSE3JNB P1.4.FALSE4JNB P1.5.FALSE5JNB P1.6.FALSE6AJMP START 非法抢答处理程序： FALSE1： ACALL BARK;进入倒计时程序，查询有效抢答的程序；在COUNT里面;按键发声MOV R3,#01HAJMP ERRORFALSE2： ACALL BARKMOV R3,#02HAJMP ERRORFALSE3： ACALL BARKMOV R3,#03HAJMP ERRORFALSE4： ACALL BARKMOV R3,#04

23、HAJMP ERRORFALSE5： ACALL BARKMOV R3,#05HAJMP ERRORFALSE6： ACALL BARKMOV R3,#06HAJMP ERRORINTO（抢答时间R1调整程序）:INTOSUB：MOV A,R1MOV B,#OAHDIV ABMOV R5,AMOV R4,BMOV R3,#0AH;先在两个时间LED上显示R1ACALL DISPLAYJNB P3. 2.INC0JNB P3.3.DEC0JNB Pl.7.BACKOAJMP INTOSLBINCO： MOV A,R1;如果不是99, R2加1,如果加到99 了;R1就置0新加起CJNE A,#6

24、3H,ADD0MOV R1,#OOHACALL DELAY1AJMP INTOSUBADDO： INC R1ACALL DELAY1AJMP INTOSIB；如果R1为O.Rl就置99DECO： MOV A,R1JZ SETR1DEC R1ACALL DELAY1AJMP INTOSIBSETR1： MOV R1,#63HACALL DELAY1AJMP INTOSIBBACKO： RETIINTI （回答时间R2调整程序）:INTISUB：MOV A,R2MOV B,#OAHDIV ABMOV R5,AMOV R4,BMOV R3,#0AHACALL DISPLAYJNB P3.2.INC1

25、JNB P3. 3.DEC1JNB Pl.7,BACK1AJMP INTISUBINCI： MOV A,R2CJNE A,#63H,ADD1MOV R2,#00HACALL DELAY1AJMP INTISUBADD1： INC R2ACALL DELAY1AJMP INTISUBDECI： MOV A,R2JZ SETR2DEC R2ACALL DELAY1AJMP INTISUBSETR2： MOV R2,#63HACALL DELAY1AJMP INTISUBBACK1： RETI倒计时程序(抢答倒计时和回答倒计时都跳到该程序):COUNT： MOV RO,#OOHMOV TH1,#3C

26、HMOV TL1,#OBOHRECOUNT： MOV A,R6MOV B,#OAHDIV ABMOV 30H,AMOV 31H,BMOV R5,30HMOV R4,31HMOV A,R6SLBB A,#O7HJNC LARGERMOV A,ROCJNE A,#OAH,FULLCLR RINGAJMP CHECKFULL： CJNE A,#14H,CHECKSETB RINGMOV A,R6JZ QUITMOV RO,#OOHDEC R6AJMP CHECKLARGER： MOV A, ROCJNE A,#14H,CHECKDEC R6MOV RO,#OOHCHECK： JNB Pl. 7,QU

27、ITACALL DISPLAYOK,ACCOUNT;重置定时器中断次数;重置定时器；R6保存了倒计时的时间之前;先将抢答时间或回答时间给R6;除十分出个位/十位；十位存于(30H)；个位存于(31H);取十位;取个位;大于5s跳到LARGER;小于等于5s会提醒；Is中0. 5s向下运行；下面系Is的情况，响并显示号数;并清R0,重新计时;计时完毕;一秒标志减1;计时一秒R6自动减1;如按下停止键退出;如果是抢答倒计时，如是则查询ACCOLT：JNB Pl. 1.TRLE1JNB P1.2.TRLE2JNB P1.3.TRUE3JNB P1.4.TRLE4JNB P1.5.TRUE5JNB P

28、1.6.TRLE6AJMP RECOUNTQUIT：CLR OKCLR RINGAJMP START正常抢答处理程序：TRLE1：ACALL BARKMOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#01HCLR OKAJMP RECOUNT;抢答，否者跳过查询继续倒数;如果按下了”停止键”执行的程序;按键发声；抢答时间R2送R6;因为答题的计时不再查询抢答;所以就锁了抢答TRLE2：TRLE3：TRLE4：AJMP COUNTACALL BARK；MOVA,R2MOVR6,AMOVR3,#02HCLROKAJMP COUNTACALL BARK；MOVA,R2MOVR6,AMOVR3,#O3H

29、CLROKAJMP COUNTACALL BARK；MOVA,R2MOVR6,AMOVR3,#04HCLROKTRLE5：AJMP COUNTACALL BARK；MOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#O5HCLR OKAJMP COUNTTRUE6： ACALL BARK；MOV A,R2MOV R6,AMOV R3,#06HCLR OKAJMP COUNT犯规抢答程序:ERROR：HERE：MOV RO,#OOHMOV TH1,#3CHMOV TL1,#OBOHMOV 34H,R3MOV A,ROCJNE A,#OAH,FLASHCLR RINGMOV R3,#0AHMOV R4

30、,#0AHMOV R5,#0AHAJMP CHECK1FLASH：CJNE A,#14H,CHECK1CHECK1：SETB RINGMOV RO,#OOHMOV R3,34HMOV R5,#0BHMOV R4,#0BHAJMP CHECK1JNB Pl. 7.QUIT1ACALL DISPLAYAJMP HERE;犯规号数暂存与(34H):0. 5s向下运行-灭并停响;三灯全灭；下面系Is的情况，响并显示号数;并清R0,重新计算;取回号数；显示FF和号数QUIT1： CLR RINGCLR OKAJMP START显示程序：入口参数：R5,R4,R3存入的分别为第一，二，三为数码所显示的位码

31、出口参数：无DISPLAY： MOV DPTR,#DAT1;查表显示程序，利用P0 口做段选码口;输出/P2低三位做位选码输出MOV A.R5MOVC A.A+DPTRMOV P2,#01HMOV PO.AACALL DELAYMOV DPTR,#DAT2MOV A,R4MOVC A.A+DPTRMOV P2,#02HMOV PO,AACALL DELAYMOV A,R3MOVC A.A+DPTRMOV P2,#04HMOV PO.AACALL DELAYRETDAT1:DB OOH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,OOH,71H；灭,T, 2, 3,

32、4, 5, 6, 7, 8, 9，灭，FDAT2:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,OOH,71H；第一个为零，其他与上相同，因为十位如果为零显示熄灭加减时间延时（起到不会按下就加N个数）：DELAY1：MOV 35H,#08HLOOPO： ACALL DISPLAYDJNZ 35H,LOOPORET延时（显示和去抖动用到）：DELAY： MOV 32H,#12HLOOP： MOV 33H,#0AFHLOOP1： DJNZ 33H.LOOP1DJNZ 32H.L00PRET发声程序：BARK： SETB RINGACALL DELAY1ACA

33、LL DELAY1;按键发声；RING标志位为1时候P3. 6 口不短;取反使喇叭发出一定频率的声音CLR RINGRETTO溢出中断（响铃程序）：TOINT： MOV THO,#OECHMOV TLO.SOFFHJNB RING,OUTCPL P3. 6OUT： RETIT1溢出中断（计时程序）：T1INT： MOV TH1,#3CHMOV TL1,#OBOHINC RORET IEND第4节调试及性能分析(1) 具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提 前抢答违反规则。(2) 具有定时功能，在30秒无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。(3) 30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。(4) 如果想调节抢答时间或答题时间，按抢答时间调节键或答题时间调节键进 入调