AT89S52 单片机的带时间及声光提示的抢答器设计论文

1、本科毕业论文（设计） 题目： 基于 at89s52 单片机的带时间及声光提示的抢答器设 计 姓 名： 邓 亚 洲 学号： 20081000581 院（系） ： 机械与电子信息学院 专业：电子信息工程 指导教师： 张 祥 莉 职称： 讲 师 评 阅 人： 傅 华 明 职称： 副 教 授 2012 年 6 月 本科生毕业论文（设计）原创性声明本科生毕业论文（设计）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、 资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他 人成果及为获得中国地质大学或其他教育机

2、构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 毕业论文作者（签字）： 签字日期： 年 月 日 摘要 目前，越来越多的比赛需要用到抢答器，抢答器需要有时间限制、用时提醒、 违规提醒等功能，并且能够通过声光信号进行提示，更加清晰的显示选手的回答情 况、违规情况。经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号， 最后通过 led 数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒也可分辨 出是哪组优先按下的按键。利用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，

3、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。单片机的有关设计可以使用 proteus1 和 keil 等软件进行虚拟仿真，看到实际的模拟效果。本系统是基于 at89s52 单片机带时间和声光提示的抢答器，它由控制核心 at89s52 单片机、选 手按键、主持人按键、声光提示和数码管显示等部分组成。选手按键和主持人按键 均由独立按键构成，采用扫描方式工作；声光提示部分由无源蜂鸣器提供声音，提 示光提示由发光二极管提供。led 数码显示部分则是由普通发光二极管构成的数 码管。 关键词关键词： at89s52 单片机 抢答器 数码管 晶振 abstract at present

4、more and more games need to use responder2,responder requires a limited time、 use the time to remind 、reminder functions such violation ,and the sound and light signals through the tips of the responder. more clearly show the responses from the players, irregularities. after a single chip control pr

5、ocessing and the input signals produce different output signals corresponding to the last led digital display by the corresponding large ones, even if the time difference between the two groups answer in a few microseconds, which can distinguish first press group key. use of external interface mcu3

6、and the answer in the system ,using the microcontroller timer / counter the principle of timing and counting, will be soft,organically integrated hardware,allows the system to correctly time,while making the digital display the time correctly . scm can use the design software such as proteus and kei

7、l virtual simulation,see the actual simulation. the system is based on the at89s52 microcontroller with a time of harmony and light tips of the responder,which consists of control core at89s52 microcontroller,key players,the host key,sound and light tips and the digital display and other components.

8、 players are independent keys and host keys constitutes a key by scanning the work; sound and light prompted in part by the passive buzzer to provide audio cues, light tips provided by the light-emitting diodes. led digital display part is formed by ordinary light-emitting diode led. key words: at89

9、s52 microcontrolle responder digital tube crystal oscillator 目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 单片机的发展史.1 1.2 单片机抢答器的背景.1 1.3 单片机抢答器的意义.2 1.4 单片机抢答器的应用.2 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案.4 2.1 设计任务与要求.4 2.2 总体设计框图.4 2.3 方案设计与论证.5 2.4 各个模块方案设计.6 2.4.1 核心控制器.6 2.4.2 按键模块.7 2.4.3 显示模块.8 第三章第三章 系统组成介绍及工作原理系统组成介绍及工作原理.9 3.1 at89s5

10、2 单片机的介绍.9 3.1.1 单片机的内部结构.9 3.1.2 单片机的引脚分布及功能.10 图 3-4.12 3.1.3 单片机的存储器配置.12 3.2 74ls07 的介绍.14 3.3 四位共阴数码管的介绍.14 3.4 系统电路模块的介绍.15 3.4.1 晶振电路.15 3.4.2 复位电路.16 3.4.3 按键电路.17 3.4.4 数码管显示电路.17 3.4.5 声光提示电路.18 第四章第四章 系统软件设计与仿真系统软件设计与仿真.20 4.1 有关参数的计算.20 4.2 单片机中断的介绍.20 4.2.1 什么是中断.20 4.2.2 中断所用到的寄存器.21 4

11、.2.3 为什么采用中断控制方式.22 4.3 程序流程图.23 4.4 proteus软件简介 .24 4.5 keil软件简介.25 4.6 电路的仿真与调试.26 4.6.1 仿真的实现.26 图 4-3 仿真电路图.27 4.6.2 系统的调试.27 4.6.3 电路仿真调试结果.28 结束语结束语.30 致谢词致谢词.31 参考文献参考文献.32 附录附录.33 第一章 绪论 1.1 单片机的发展史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 scm、mcu、soc 三大阶段。 1.scm 即单片微型计算机（single chip microcomputer）阶段，主要是寻求最

12、佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 “创新模式”获得成功，奠定了 scm 与通 用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌式系统独立发展道路上，intel 公司 功不 可没。 2.mcu 即微控制器（micro controller unit）阶段，主要的技术发展方向是：不 断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象 的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 mcu 的重 任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，intel 逐渐淡出 mcu 的 发展也有其客观因素。在发展 mcu 方面，最著名的厂家当数 philips 公司。phil

13、ips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 mcs-51 从单片微型计算机迅速发展到 微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 intel 和 philips 的 历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 mcu 阶段发展的重要因素，就是 寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 soc 化趋势。随着微电子技术、ic 设计、eda 工具的发展，基于 soc 的单片机应用系 统设计会有较大的发展。 因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用 系统。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机

14、 诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。 1.2 单片机抢答器的背景 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时 代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 pc 机。它由主机、键盘、显示 器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予 各种机械的单片机（亦称微控制器） 。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一 片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的 “肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就 瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯 设备

15、、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级 换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在 有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂， 就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可 编程逻辑器件上。 在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了更确 切的知道哪一组或哪一位选手先抢答到题，必须要有一个系统来完成这个任务。若 在抢答中，只靠人的视觉（或者是听觉）是很难判断出哪一组（或哪一个选手）先 抢答到题的。利用单片机编程来设计抢答器，可以使以上问题得以解决，即使两组 的抢答时间相差

16、几微秒，也能轻松的分辨出哪一组（或哪个选手）先抢答到题的。 本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。 1.3 单片机抢答器的意义 本系统采用单片机作为整个控制核心。控制系统的四个模块为：显示模块、存 储模块、语音模块、抢答开关模块。该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号； 利用一个数码管来完成显示功能；用按键来让选手进行抢答，在数码管上显示哪一 组先答题的，从而实现整个抢答过程。在知识比赛中， 特别是做抢答题目的时候， 在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完 成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来 设计抢答器，使

17、以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出 哪组优先答题。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。 系统工作原理本系统采用 89c52 单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为： 存储模块、显示模块、语音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过开关电路四个 按键输入抢答信号； 利用一个数码管来完成显示功能。工作时，用按键通过开关 电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理， 输出控制信号，单片机控制的智能 抢答器设计。 1.4 单片机抢答器的应用 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

18、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 留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构。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。传统 普通抢答器主要存在以下缺陷： （一） 、在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号 而对没有违规的有效抢答信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。 （二） 、当有多个违规抢答时，普通抢答器或采用优先编码电路选择其中一个， 或利用抢答电路电子元件的“竞争”

19、选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕 后电子元件被固定。各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。 普通抢答器存在不公平性。 （三） 、当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个而出现“漏洞”。 第二章 总体设计方案 2.1 设计任务与要求 1、设计一个智力竞赛抢答器可同时供 8 名选手或 8 个代表队参加比赛编号为 1、2、3、4、5、6、7、8 各用一个按钮。 2、显示部分用 led 组成的模拟数码管来显示数字。 3、给节目主持人设置 5 个控制开关用来控制系统的清零和抢答的开始及各种 时间的调节控制。 4、抢答器具有数据锁存功能、显示功能和声光提示功能。 5

20、、主持人可以通过两个时间调节键来调节抢答限制时间和答题时间限制。需 在主持人按下抢答开始后方可开始且各个环节有相应的时间限制。 （系统原始抢答 时间为 20 秒，答题时间为 30 秒） 2.2 总体设计框图 显显 示示 器器 信息反馈信息反馈 选选 手手 按按 键键 主主 持持 人人 按按 键键 主主 控控 制制 器器 信息反馈信息反馈 信 息 输 入 选手 按下抢 答键 主持人 按下开始、 复位键 图 2-1 总体设计框图 如图 2-1 所示的总体设计框图，抢答器由主控制器和外部电路组成。外部电路 包括选手按键主持人按键显示电路等。主控制器负责电路的所有信息的控制控制电 路的信息输入、信息逻

21、辑计算、输出信息给显示器。按键给主持人、选手提供按键 需求。显示器显示开始工作、开始抢答、显示抢答选手的号码、显示违规选手、显 示倒计时时间等。 2.3 方案设计与论证 1）方案一：基于逻辑数字电路抢答器的设计 定时抢答器的总体框图如下图 1-2 所示它由主体电路和扩展两部分组成。主体 电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编 号,同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。 图 2-2 基于逻辑数字电路抢答器的结构图 系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成 抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应

22、用技术成熟，性能可靠， 能方便的完成选手抢答的基本功能，但是由于系统功能要求较高，所以电路连接集 成电路相对较多,而且过于复杂，并且制作过程比较繁琐，使用不方便。 2）方案二：基于 at89s52 单片机控制的抢答器的设计 抢答器的控制核心是 at89s52 单片机，用查询式键盘进行抢答，结构图如图 2-3 所示。通过抢答按键模块，连接按键进行抢答。实现功能的框图如下所示，按 下开始按钮，此时进入抢答状态，选手的输入采用扫描式的输入，之后由相关的信 息由单片机处理，送到显示部分显示。此时如果有人第一个按下相应的按键，经过 单片机的处理，选择显示相应的号码，并锁存，不再响应其它按键输入。主持人系

23、 统有开始按键，限时开始按键，抢答时间调节按键，限时时间调节按键。选手系统 有抢答按钮，计时显示，声光提示等。 at89s52 控制器 复 位 电 路 主持人按键 电源电路 声光显示 数码显示 选手按键晶 振 电 路 图 2-3 基于 at89s52 单片机控制的抢答器的结构图 由以上可知。方案一结构太复杂。成本过高。这种电路接线多只适用于小型的 控制电路。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把 一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体 积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时学习使用单 片机是了解计算机原理与结构的

24、最佳选择。单片机以其价格低廉，硬件电路简单， 设计灵活而成为国内中小型设计的主流，在 atmel 公司的最常用的 at89s52 投 入广泛使用之后，一些带有 ad/da 转换，看门狗功能的增强型芯片悄然而至。飞 利浦公司推出的在线可编程芯片在近几年的仿真教学中占据了大的份额，而 at 系 列的传统单片机依然是工程中的常客。另外一些国内公司也在功能的增强上做文章， 纷纷做出了自己的芯片，并在全国范围内进行推广。而方案二编程简单，易于制作 所以选用方案二。 2.4 各个模块方案设计 2.4.1 核心控制器 1）方案一：基于单片机 at89s52 为主控制器的设计 由单片机 at89s52 进行控

25、制实现相关功能。at89s52 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，还可扩展外部存储器。编程容易实现外围电路较为简单。大规模可编程逻 辑器件一般是使用状态机方式来实现即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。 另外系统没有其它高标准的要求基于成本及控制功能的考虑最终选择了 at89s52 这个比较普通单片机来实现系统设计。 2）方案二：基于 cpld(复杂可编程逻辑器件)、fpga（现场可编程门阵列） 的设计 由

26、 cpld、fpga 来作主控制器。其特点是具有用户可编程的特性其可灵活的 配置 io 端口方便的进行硬件功能设置。具有静 态可重复编程或在线动态重构特性 使硬件的功能象软件一样通过编程来修改不仅使设计修改和产品升级变得十分方便 而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。 2.4.2 按键模块 1）方案一：基于独立键盘的设计 键盘接口中使用 8 根 io 线，键盘中就有 8 个按键提供给 8 个选手各自拥有一 个用来抢答，这种类型的键盘，在按键比较少和 io 口资源不紧张时使用。在工作 中键盘的各个按键互不干扰。这就可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码达 到更好的抢答效果如图 2-4 所

27、示。 图 2-4 独立键盘按键图 2）方案二：基于矩阵式键盘的设计 矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，另外为一组列线，按键 放在行线和列线的交叉点上，编程实现较复杂，但占用 io 口较少。这种形式的键 盘结构能够有效的提高单片机 io 口的利用率，适用于按键输入多的情况，如图 2-5 所示。 图 2-5 矩阵式键盘图 2.4.3 显示模块 1）方案一：光二极管顺序排列构成数码管 采用普通发光二极管按一定顺序排列构成数码管虽然构成的 led 灯数目多但 结构还是较简单制作也较容易而且单片机控制也方便成本也不是很高因而出于成本 和控制的考虑选用方案一。 2）方案二：采用点阵组成的 l

28、ed 屏 采用点阵组成的 led 屏，亮度高而且组装也容易，但编程复杂，需要较多的 驱动芯片，因而成本高不适合一般的制作。 第三章 系统组成介绍及工作原理 3.1 at89s52 单片机的介绍 3.1.1 单片机的内部结构 at89s52 单片机内部由 cpu、4kb 的 fperom ，128b 的 ram，两个 16 位的定时/计数器 t0 和 t1，4 个 8 位的 i/o 端 p0、p1、p2、p3 等组成。单片 微机内部最核心的部分是 cpu。cpu 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、 输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，cpu 按其功能可分为运

29、算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 pc、指令储存器、 指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的 指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部 的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部 件 alu、累加器 acc、暂存器、程序状态字寄存器 psw，bcd 码运算调整电 路等组成。其内部结构如图 3-1 所示。 图 3-1 at89s52 单片机的内部结构框图 3.1.2 单片机的引脚分布及功能 51 系列单片机 8031、8051 及 89s51/89s52 均采用 40pin 封装的双列直接 di

30、p 结构。图 3-2 是它们的引脚配置:40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡 器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 i/o 口，中断口线与 p3 口线复用。现在我们对 这些引脚的功能加以说明： 1）vcc：供电电压。 2）gnd：接地。 3）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。 4）

31、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。 5）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 1

32、6 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 图 3-2 at89s52 引脚图 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。 6）p3 口：p3 口管脚是 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 at89s52 的一些特殊功能口，如下表所示：

33、 口管脚 备选功能 p3.0 rxd （串行输入口） p3.1 txd （串行输出口） p3.2 /int0 （外部中断 0） p3.3 /int1 （外部中断 1） p3.4 t0 （记时器 0 外部输入） p3.5 t1 （记时器 1 外部输入） p3.6 /wr （外部数据存储器写选通） p3.7 /rd （外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 7）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。 。此外，reset/vpd 还是一复用脚，vcc 掉电期间，此脚可接上备用电 源， 以保证单片机内部 ram 的数据不

34、丢失。 说明：复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图 3-3: 上电自动复位 手动复位 图 3-3 8）ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对 外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时， 将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉

35、高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 9）/psen：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 个机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信 号将不出现。 10）/ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h- ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 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 引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp） 。 11）xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输

36、入。 12）xtal2：来自反向振荡器的输出。 说明：xtal1 和 xtal2 根据不同的连接可使时钟有两种方式，一种是片内 时钟振荡方式，但需在 18 和 19 脚外接石英晶体(2-12mhz)和振荡电容，振荡电容 的值一般取 10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将 xtal1 接地，外部时钟信 号从 xtal2 脚输入。如图 3-4： 内部时钟方式 外部时钟方式 图 3-4 3.1.3 单片机的存储器配置 一、从用户的角度存储器分 3 个逻辑地址空间： 1）片内外统一编址的 64kb 程序存储器地址空间 0000hffffh； 2） 256b 的片内数据存储器地址空间 00hffh

37、（包括低 128b 的内部 ram 地址 00h7fh 和高 128b 的特殊功能寄存器地址空间） ； 3）64kb 的外部数据存储器或扩展 i/o 接口地址空间 0000hffffh。 二、ram 的组成 ram 共有 256 个单元，按功能分为两部分低 128 单元（单元地址 00h7fh）和高 128 单元（单元地址 80hffh） 。其中高 128 单元是供给专用 （特殊功能）寄存器使用，因这些寄存器的功能已作为专门规定故此称之为特殊功 能寄存器 sfr-11 个 sfr 有位寻址作用，而且要说明低 128 单元是单片机的真正 ram 存储器。见表 3-1。 30h-7fh通用 ram

38、 区 20h-2fh位寻址区（00h-7fh） 18h-1fh工作寄存器 3 区（r7-r0） 10h-17h工作寄存器 2 区（r7-r0） 08h-0fh工作寄存器 1 区（r7-r0） 00h-07h工作寄存器 0 区（r7-r0） 表 3-1 ram 的组成图 1）内部 ram 数据存储器 低 128 单元是单片机的真正 ram 存储器，按其用途划分为三个区域： 通用寄存器区：为 cpu 提供了就近数据存储的便利，有利于提高单片机的运 算速度。此外，使用通用存储器还能提高程序编制的灵活性，因此在单片机的应用 编程中应充分利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。 位寻址区：内部

39、 ram 的 20h2fh 单元，即可作为一般 ram 单元使用，进 行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。 工作寄存区：用户存储数据的。 2）专用寄存器 单片机内部的锁存器、定时器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器和状态 寄存器都是以专用功能寄存器（sfr）的形式出现的，并分布在内部数据存储器内， 地址空间范围为 80hffh。 主要专用寄存器功能如下： acc 累加器，是进行算术和逻辑运算、存放数据和结果，工作最频繁的 寄存器。大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作 数取自累加器。指令系统中用 a 作为累加器的助记符。 b 8 位

40、寄存器，主要用于乘除法指令。乘法指令的两个操作数分别取自 a 和 b，其结果存放在 ab 寄存器对中；除法指令中，被除数取自 a，除数取自 b， 商存放于 a，余数存放于 b。其他指令中，b 可作为 ram 的一个单元来使用。 pc 程序计数器，是一个 16 位寄存器，用于存放将要执行的指令地址。 psw 程序状态字寄存器，存放程序运行状态的信息，以便查询和判断。 3.2 74ls07 的介绍 74ls07 是集电极开路高压输出的六缓冲器/驱动器。输出加上拉电阻，才有高 或低电平信号，其引脚如图 3-5： 图 3-5 74ls07 引脚图 简要说明 74ls07 其主要电特性的典型值如下： t

41、plh tphl 引出端符号 1a6a 输入端 6ns 20ns 1y6y 输出端 注：tplh 是指从高电平到低电平的转换时间，tphl 是指从低电平到高电平的转 换时间。 极限值： 电源电压 . 7v 输入电压 . 5.5v 输出截止态电压.30v 工作环境温度 070 存储温度 . -65150 3.3 四位共阴数码管的介绍 首先数码管有共阴极和共阳极之分，区别他们的方法是若公共端接地，其他端接电 源，若各段测试能亮，说明是共阴的，反之共阳的；若公共端接电源，其他端分别 接地，测得各端亮，则说明是共阳的，反之为共阴的。世面上的四位一体的数码管 一般都没 datasheet，所以掌握他们管

42、脚的分布是很重要的一个环节。下图 3-6 是一 张四位一体数码管引脚分布图和直观图，4 位一体数码管，其内部段已连接好，引 脚如图所示。a、b、c、d、e、f、g、dp 为段引脚，1、2、3、4 分别表示四个数码 管的位。 图 3-6 四位一体数码管引脚分布图和直观图 3.4 系统电路模块的介绍 3.4.1 晶振电路 石英晶体谐振器又称为石英晶体，俗称晶振，是利用石英晶体的压电效应而制 成的谐振元件。与半导体器件和阻容元件一起使用，便可构成石英晶体振 8 荡器。 晶振电路的应用： 1、通用晶体振荡器用于各种电路中产生振荡频率。 2、时钟脉冲用石英晶体谐振器与其它元件配合产生标准脉冲信号广泛用于

43、数 电路中。 3、微处理器用石英晶体谐振器。 4、钟表用石英晶体振荡器。 晶振电路的作用：提供系统振荡脉冲，稳定频率，选择频率。在本次设计中就 是提供了此作用，让电路得到了稳定的工作频率，使抢答器能正常工作而且时间准 确，误差很小的时间间隔。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常 一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不 同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。本次设计中晶振电路为整个电路 提供了稳定的单一的震荡频率，为抢答器的电路提供稳定时钟信号。 单片机必须在时钟的驱动下才能工作.在单片机内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

44、定的时钟信号送到单片机内部的各个单元,决定单片 机的工作速度。见图 3-7。 图 3-7 晶振电路 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 3v 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,由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元 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 fosc=12mhz,

45、则时钟周期为 1/12s。 3.4.2 复位电路 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 3-8 所示: 图 3-8 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。 3.4.3 按

46、键电路 抢答器的输入按钮使用常开开关，这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简 单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就 可以了。这里采用最常用的方法即延时法，其的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续 时间短，约为几 ms，而按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有 按键动静后再延时一段时间(这里取 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。其电路图如图 3-9 所示。 图 3-9 按键电路 3.4.4 数码管显示电路 本次设计最重要的感观意识就是数码管上的显示，要求各种情况下选手们的抢 答情况，时间的倒时显示，违规的显示，

47、电路的正常启动等都要有其的显示情况。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要 的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 1、静态显示驱动静 态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机 的 i/o 端口进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 i/o 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840 根 i/o 端口来驱动，要知道一个 at89s52 单片机可用的 i/o 端口才 32 个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱 动，增加了硬件电路的复杂性。 2、动态显示驱动 数码管动态显示

48、接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动 是将所有数码管的 8 个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp， ”的同名端连在一起， 另外为每个数码管的公共极 com 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 i/o 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪 个数码管会显示出字形，决于单片机对 com 端电路的控制，所以我们只要将需要 显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及二 极管的余辉效应，实际数码管非同时点亮，但扫描的速度够快，给人的印象

49、是稳定 的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量 的 i/o 端口而且功效更低。所以选择动态显示，电路图如图 3-10。 图 3-10 数码管显示电路 3.4.5 声光提示电路 声光电路发出光和声音来提示引导选手与主持人的行为，声音提示部分由无源 蜂鸣器构成，给其一个脉冲，它就会发出声响；光提示部分由发光二极管和限流电 阻构成，当主持人按下开始键时，二极管会发出一阵光，蜂鸣器会发出一声响，来 提示选手抢答开始了，当时间快结束时，蜂鸣器会连续以不同的速度发出声响，二 极管也会不停的闪烁，来提示选手抢答时间快结束了。声光电路图如图 3-11 所示。 图 3-11 声

50、光电路 这里能利用程序来控制单片机 p3.7 口线反复输出高电平或低电平，即在该口 线上产生一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出一定频率的声音，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，使扬声器发 出不同的声音。 第四章 系统软件设计与仿真 4.1 有关参数的计算 在软件编程过程中用到了定时/计数器 0 和定时/计数器 1，定时器 1 控制有人 按下抢答器时“嘟”的那一声响，其他的则由定时器 1 处理，定时器 0 和定时器 1 的 定时溢出时间都为 20 毫秒。定时/计数器 0 和 1 都工作在方式 1，即加 1 计数器， 分为两个 8 位寄存器，定时 2

51、0 毫秒的计算公式为： th0=（65536-2000）/256； tl0= (65536-2000) %256； th1=（65536-2000）/256； tl1=（65536-2000）%256； th0 和 th1 分别表示定时器 0 和 1 在工作方式 1 时的高八位寄存器，tl0 和 tl1 则为低八位寄存器，因为定时器 0 和 1 是加 1 计数器，是一直加到 65535 溢出， 变为 0，所以给寄存器装入的是和 65536 相差 2000 的初值，晶振为 12m，12 分频 后，频率为 1m，也就是周期为 1 微妙，即为单片机每执行 1 条指令所用的时间， 执行 2000 次加

52、 1，则就是 2000 乘以 1 微妙等于 20 毫秒。 4.2 单片机中断的介绍 4.2.1 什么是中断 中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行的程序的运行，转去执行 另一个程序，以处理发生的事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。 有五种中断源：外部中断 0、外部中断 1、定时器中断 0、定时器中断 1、串行 中断。它们的描述如下表 4-1 所示： 中断源符号名称终端引起的原因中断矢量地 址 int0外部中断 0由 p3.2 低电平或下降沿信号0003h t0定时器中断 0 定时/计数器 0 回零溢出 p3.40013h int1外部中断 1由 p3.3 低电平或下降沿信号0

53、00bh t1定时器中断 1 定时/计数器 1 回零溢出 p3.5001bh ti/ri串行中断串行口接收或发送完帧数据的中 断 0023h 表 4-1 五种中断源的表示 4.2.2 中断所用到的寄存器 一、介绍定时器/计数器中所介绍的寄存器： （1） 、定时器/计数器控制寄存器 tcon tcon 的作用是控制定时器的启动/停止，标志定时器的溢出和中断情况； （2） 、中断允许控制寄存器 ie 对中断源的开放或屏蔽是由中断寄存器 ie 控制的，地址为 0a8h，即可以按字 节寻址，也可以按位寻址。当单片机复位时，ie 被清零。 （3） 、串行控制寄存器 scon 二、定时/计数器的控制方法：

54、 在启动定时/计数器工作之前 cpu 必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计 数器中，这个过程称为定时/计数的初始化。 （定时/计数器的初始化通过定时/计数 器的方式寄存器 tmod 和控制寄存器 tcon 来完成。 定时/计数器方式寄存器 tmod gatec/tm1m0gatec/tm1m0 定时器 1 定时器 0 定时器的选择 m1m0工作方式功能说明 00方式 013 位计数器 01方式 16 位计数器 10方式 2自动再装入 8 位计数器 11方式 3定时器 0：分成两个 8 位计数器；定时器 1：停 止计数 表 4-2 选择定时方式表 定时器的初始化： （1） 确定工作方式-对

55、tmod 赋值； （2） 设置初始值-直接将初值写入 tho，tlo； （3） 开启定时器的中断-eto=1 ea=1； （4） 启动定时器-将 tr0 或 tri 置“1”。 三、中断程序的编写的步骤： （1） 、根据要求设置 ie（中断允许寄存器）的对应位 ea（ea总中断允许位 ea=1 开放所有的中断；ea=0 禁止所有的中断） ，某个中断源还有相应的中断允许 位； 、当=1 时：允许相应中断源的中断； 、当=0 时：禁止相应中断源的中断； （2） 、int0、int1 设定触发方式 it0（外部中断触发方式控制位）当为 0 时： 低电平触发；当为 1 时：下降沿触发； （3） 、返回

56、值是 void 中断函数名（） interrupt()。 4.2.3 为什么采用中断控制方式 cpu 与外部设备的数据传送方式： （1） 、无条件传送方式 cpu 总认为外设处于准备好的状态，外设比较简单 （2） 、程序查询传送方式 外设有一个状态（状态存储在寄存器内） 缺点：cpu 工作效率低，cpu 处于等待的状态，为解决此缺点便出现了第三 种传送方式 （3） 、中断传送方式 中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行的程序，转去执行另一程 序以处理发生的 事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。 优点：（1） 、实现分时操作 cpu 分为多个 i/o 设备服务，提高计算机的利用

57、率（提前安排好 的函数而中断不同） ； （2） 、实时响应 cpu 能够及时处理应用系统的随机事件，系统的实时性大大增强； （3） 、可靠性高 cpu 具有处理设备故障及掉电等突发性事件的能力，从而使系统 的可靠性提高。 4.3 程序流程图 流程图是使用图形表示算法的思路是一种极好的方法，不论采用何种程序设计 方法，程序总体结构确定后，一般以程序流程图的形式对其进行描述。总体框图中 的各个子模块或各个子任务也应该结合具体的教学模型和算法画出较详细的程序流 程图，供后面编写具体程序和阅读程序使用。 流程图是由一些图框和流程线组成的，其中图框表示各种操作的类型，图框中 的文字和符号表示操作的内容，

58、流程线表示操作的先后次序。流程图的基本结构为 顺序结构，分支结构（又称选择结构） ，循环结构。 在本设计中包括了以下八个主要的程序：主程序；非法抢答序；抢答时间调整 程序；回答时间调整程序；倒计时程序；正常抢答处理程序；犯规处理程序；显示 及发声程序。框架图如图 4-1 所示。 图 4-1 程序框架图 上电复位后数码管显示相应的提示，程序开始对系统进行初始化。开始抢答后， 若没有选手按动抢答按钮开始倒计时，直到抢答限制时间到，进入下轮抢答。若有 选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 led 数码管上显示选手的编号和剩余抢 答限制时间，且伴随声音提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，优先

59、 抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零。在开始键没按时，有人按了抢答器， 则该人违规，数码管显示号码，与此同时红灯亮，表示有人违规。其他人再按时则 不响应，优先响应第一个。若选手长时间没有开始答题，主持人可以按下限时按钮 对选手答题时间进行限制。开始键、答题显示键按下，有人违规及有人抢答时都会 发出“嘟”的一声。当抢答时间或答题时间快到时会间断响 3 下。具体流程图如图 4- 2 所示。 图 4-2 程序流程图 4.4 proteus 软件简介 proteus isis 是英国 labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于 windows 操作系统上，可以仿真、分析(sp

60、ice)各种模拟器件和集成电路，是目前 世界上唯一将电路仿真软件、pcb 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台， 该软件的特点是： 实现了单片机仿真和 spice 电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电 路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs232 动态仿真、i2c 调试器、 spi 调试器、键盘和 lcd 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分 析仪、信号发生器等。 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、avr 系列、pic12 系列、pic16 系列、pic18 系列、z80 系列、hc11 系列 以及各种外围芯片。