抢答系统设计

1、单片机原理及接口课程设计报告题 目： 抢答系统设计 专业名称： 电子信息工程 班 级： 学 号： 姓 名： 2014年 1月抢答系统设计 * （信息工程学院） 摘要：本文介绍基于单片机的6人抢答器设计，采用AT89C51单片机，用中断方式，独立式键盘扫描，哪个按键先按下，对应的数码管显示该号码，并且闪烁5次，蜂鸣器发出警报，之后所有数码管亮该号码，经过调试使得系统达到预期目标。该设计的不足之处就是按键不够灵敏，优点是硬件电路简单，功能齐全，操作方便。 关键词：单片机；抢答器；中断1 设计内容1.1 设计目标本设计主要是在proteus+keil软件仿真软件设计的一种基于51系列单片机的一种六位

2、的抢答器。六路抢答器有六个抢答按钮，分别为按键K1、K2、K3、K4、K5、K6，一个主持人控制的复位按钮K0。在无人抢答时，6只数码管轮流循环显示16。基本要求：制作一个6人抢答器，以开关中的某个开关的按下（闭合）作为抢答按键。无人抢答时，6只数码管轮流循环显示16（跑马），谁先抢答，数码管停止跑马，6个数码管同时亮谁的编号，其后再有人按键，系统不予响应，直到复位键按下，开始下一轮抢答。扩展部分：谁先按下，对应的数码管亮5次抢答人的编号，并发出声音提示。1.2 设计环境Win7 Keil uVison4 Proteus7.8 普中科技单片机开发试验仪2.22 方案论证2.1 按键选择方案1：

3、用独立的外接按键 方案2：用矩阵键盘键盘是单片机系统中通用的输入设备，用于向系统输入数据或控制信息。常用的键盘有两种，分别是独立键盘和矩阵式键盘。矩阵式键盘相对其更加灵敏，并且可扩展更多按键，适用于按键数量较多的场合。独立式键盘接口电路，它的硬件电路和软件编程都比较简单，但每个按键必须占一根I/O口线，在按键个数较多时，I/O口线资源浪费较大, 故只在按键数量不多时采用该电路。本设计所需要的抢答键只要6个，也不算多，虽然矩阵式键盘有其较高的灵敏性，但从简单编程的角度出发，最终还是选择独立式键盘。2.2 抢答器显示模块方案一：采用液晶屏显示组别号码，LCD具有低功耗，画面效果好，分辨率高等特点，

4、但由于只需显示组别数字，信息亮较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各符号，编程工作量大，成本高方案二：使用数码管显示，数码管具有耐老化，防晒等特点，对外界环境要求低，易于维护，同时精确度高，操作简单，采用BCD编码显示数字，程序编译容易，价格便宜等特点，广泛应用于多数场合中。本设计只需显示组别，显示简单，通过论证，采用方案二。数码管的显示可分为两种：动态显示和静态显示。静态显示的段选和位选均单独连接，所以占用的I/O口较多，本设计由于用到较多的数码管，采用静态显示方式，将所有LED的段选线并联在一起，由一个八位IO口控制，而位选线分别由相应的IO口线控制。要想每位显示不同的字符，必须采用动态扫描

5、显示方式。即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，位选控制IO口在该显示位送入选通电平（共阴极送低电平、共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符，段选控制IO口输出相应字符段选码。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。不断循环送出相应的段选码、位选码，就可以获得视觉稳定的显示状态。由人眼的视觉特性，每一位LED在一秒钟内点亮不少于30次，其效果和一直点亮相差不多。本设计采用共阴型数码管，引脚图2-2所示。 图2-2 数码管引脚2.3 蜂鸣器模块蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、汽车电子设备、

6、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。如图2-3所示。 图2-3 蜂鸣器驱动模块2.4 中断1）、MCS51系列中不同型号单片机的中断源数量是不同的（511个），最典型的8051单片机有5个中断源（外部中断0、1，内部定时器中断0、1，串口中断），具有两个中断优先级。与中断系统有关的特殊功能寄存器有中断允许寄存器IE、中断优先级控制寄存器IP、中断控制寄存器TCON和SCON中有关位。MCS51单片机基本的中断系统结构如图2-4所示。 2）、中断控制寄存器TCO

7、N的各位（可位寻址）： IT0 0，外部中断0程控为电平触发方式，当P3.2输入低电平时，置位IE0。IT0 1，外部中断0程控为边沿触发方式，相继的两次采样，一个周期中采样到为高电平，接着的下个周期中采样到为低电平，则置1 IE0。3） 、中断允许寄存器IE MCS51的CPU对中断源的开放或屏蔽，即每一个中断源是否被允许中断，是由内部的中断允许寄存器IE（IE为特殊功能寄存器，它的字节地址A8H，可位寻址）控制的，其格式如下：4） 、在 CPU接收到同样优先级的几个中断请求源时，一个内部的硬件查询序列确定优先服务于哪一个中断申请，这样在同一个优先级里，由查询序列确定了优先级结构，其优先级别

8、排列如下（最高到最低）：外部中断0定时器T0中断外部中断1定时器T1中断串行口中断5） 、中断服务程序及例程 使用MCS51的中断，要为使用到的中断源编写中断服务程序。C51为中断服务程序的编写提供了方便的方法。C51的中断服务程序是一种特殊的函数，它的说明形式为：void 函数名(void) interrupt n using m 函数体语句 这里，interrupt和using是为编写C51中断服务程序而引入的关键字，interrupt表示该函数是一个中断服务函数，interrupt后的整数n表示该中断服务函数是对应哪一个中断源。 每个中断源都有系统指定的中断编号：外部中断0 中断编号为0

9、；定时器T0中断编号为1； 外部中断1中断编号为2；定时器T1中断编号为3；串行口中断中断编号为4； using指定该中断服务程序要使用的工作寄存器组号，m为03。关键字interrupt和using只能用于中断服务函数的说明而不能用于其它函数。程序中的任何函数都不能调用中断服务函数，中断服务函数是由系统调用的。3 硬件设计电路包括以下六个部分：单片机，晶振电路，抢答按键电路，6位数码管显示，复位开关电路及声音提示电路。单片机内部有一个复位开关，但是只是内部自带的，而设计的要求就是自编程序实现复位功能，所以还得附加一个复位开关电路。图3-0 总设计框图3.1 AT89C51控制电路AT89C5

10、1是最常用的单片机芯片，该芯片有40个引脚，其中P0P3为数据输入/输出接口，XTAL1和 XTAL2用于外接晶体；RESET用于复位信号输入；ALE是地址锁存允许控制位，其输出频率是时钟振荡频率的16；，程序存储器允许；，该引脚的接法决定着程序存储器的00000FFFH 这4KB地址范围是在单片机内部还是外部。 图3-1 时钟电路MCS-51系列单片机有四组8位并行I/O口，记作P0、P1、P2和P3。每组I/O口内部都有8位数据输入缓冲器、8位数据输出锁存器及数据输出驱动等电路。当系统没有扩展外部器件时，I/O端口用作双向输入输出口；当系统作外部扩展时，使用P0、P2口作系统地址和数据总线

11、、P3口有第二功能，与MCS-51的内部功能器件配合使用。本设计中各引脚接法如下：P0口外接LED显示屏用于显示；由于P0 口内部无上拉电阻, 为保证按键断开时I/O口线有确定的高电平, 所以在P0 口外部要接上拉限流电阻。P0口接的是段选；P1口的6个端口分别与6个BUTTON按键相连，所以在编程的时候要分别定义；P2口接位选；P3.2接复位键，另一端接地，所以是低电平有效；P3.7与扬声器相连；如图3-1所示的单片机模块里面左上部分的电路构成晶振电路，于产生时钟频率；左半边的中间电路是复位电路，采用了手动复位与自动上电复位结合的形式，复位可靠，电路简单；复位信号是系统内部初始化所需的，当系

12、统加电开始工作时，或工作过程中出现故障无法正常工作时，都需要复位信号使系统能重新开始工作。此设计采用片内RAM空间，故电路里将ALE和引脚悬空处理，将 接地。 4 软件设计 设计基本思路：当运行开关一打开， 6只数码管轮流循环显示16，开始循环跑马，接着就开始判断是否有人抢答，所以就要设计跑马的程序，并在跑马里面就要添加键盘扫描语句。判断是否有人抢答，为了不能重复抢答所以得添加一个标志位flag禁止在他人抢答的基础上再次抢答。基本功能就是在抢答后6个数码管同时显示抢答者的号码，将位选设为全部显示即可。扩展功能就是抢答后在相应的位管显示相应的号码及声音提示，所以只要分别给为选和段选送相应的位码，

13、并连接一个扬声器在有人抢答的时候取反即可。 图9 抢答程序流程图4.1 亮灭变化声音提示设计对应的数码管亮5次抢答人的编号，并发出声音提示。在子函数void display（）里面，beep就是扬声器，高电平就能发出声音提示。先送位选，并用for语句实现5次循环，刚开始段选为0，即灭，在每一次for语句的循环里面都是实行一灭一亮，所以只要5次。程序如下14void display() P2=weinum; for(c=0;c5;c+) beep=0; P0=0x00; delay(500); beep=1; P0=duannum; delay(500); flag1=1; while(flag

14、1) P2=weinum; P0=duannum; delay(10); 4.2 抢答按键电路及复位按键电路设计按键是一个机械开关，键的按下和放开是利用机械触点的闭合和断开来实现的。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合及断开瞬间均有一连串的抖动，抖动的时间长短由按键的机械特性决定，一般为510ms。为了确保按键动作只确认一次，必须消除抖动的影响。 在本设计中，定义了子函数scan()进行键盘扫描，并对K1到K6的抢答按键都进行了消抖和锁存编程，那个键按下就赋值对应的按键数，避免受其他按键按下的影响，其实就相当于锁存起的功能，部分程序如下：if(K1=0) delay(10); if(K1

15、=0) while(K1); num=0; flag=0; 复位按键就只有K0，复位的目的就是将前面运行的结果清零，并从头开始跑马，所以要进行复位键是否按下的判断，如果按下，就显示抢答的号码。在按键扫描的时候要进行判断，哪个键先按下，哪个优先级就最高，避免显示多人同时抢答。所以在设计的时候就要设置一个抢答标志位flag，一开始跑马的时候flag=1表示可以开始抢答，而当有抢答键按下的时候就flag=0关掉开始抢答标志，使得按其他5个抢答键系统都不会响应。外部中断0控制复位，定义的num是为了防止其他按键的影响，扫描按键程序就相当于一个锁存器，谁按下就把对应的数字锁存起来，除非有复位键按下使系统

16、又可以重新开始抢答。5 功能调试及结果分析（1） 调试方法：利用Keil软件和proteus软件分别编写程序和设计电路并运行。（2）调试结果：通过仿真调试和改进实现了跑马，抢答，复位的功能，改变延时的参数，使得数码管显示和跑马有序，延迟的时间越小，其送位选的速度就越快。（3）结果分析：经过调节及更改程序里面的延迟函数参数，使得数码管的显示更加有序，并达到了设计的标准。不过抢答器的按键有时候不是很灵敏，这主要是与程序里面的延时函数有关，当运行延时程序时，按键不能检测，所以应尽量减小延时。 （4）调试现象基本要求：当电源开始键按下的时候，抢答器就开始从16跑马，当K3按下的时候，6位数码管全显示3

17、。若有人再抢答系统也不会给予响应，直到复位键按下。 扩展要求：当K5按下的时候，第五位数码管就开始闪烁，先灭后亮，最后停在5。若有人再抢答系统也不会给予响应，直到复位键按下，又开始下一轮的跑马抢答。 图5-0 proteus 电路连接6硬件仿真使用普中科技单片机试验仪2.2进行仿真，P0（JP10）控制数码管的段选（JP12），P2控制数码管的位选（JP16），P1.0P1.5接留个独立按键，P3.7控制蜂鸣器，实验电路图如图5-0，连接图如图6-0所示。 图6-0 实验连接图 实验现象和软件仿真一样，见附录的视频。7 设计总结7.1该系统的优点（1）使用简单的元器件，简易的程序就可以实现抢答

18、，声音提示及复位的功能。（2）使用子函数使得主程序更加明了简洁。由于程序里多次要进行按键扫描，判断是否有人抢答，而按键扫描又要消抖，又有6个，语句比较长，所以调用子函数显得很有必要。（3）只需要通过允许抢答标志位的设定可以使抢答器实现有一人抢答后，系统不再响应他人的抢答。7.2该系统的缺点（1）由于循环语句程序中的延时的使用，导致抢答按键显示电路在抢答的时候，会有延时效应，导致抢答键一按下，不能立马显示有人抢答。虽然尽量减小和减少延时可以使得抢答按键更加灵敏，但是在循环送数显示的时候，还是要设定一个合适的值，使得闪烁显示和跑马能够逐一显示，不然设置小了，跑马就会更快。（2）中断只能在抢答结束，

19、按下复位键才复位，不是很实用，没有做到随时按下随时复位。8设计心得 本设计在深入理解单片机原理的基础理论上，主要设计了单片机实现各个功能的模块，最终实现了抢答器的功能。在这次课程设计中，运用了以前所学的专业知识，更加巩固了知识和对理论有了更深的理解，在设计程序之前，要有一个较为清晰的思路和程序流程图，不能妄想一次就做好整个程序，而要一个一个模块的去实现功能，最后经过反复的修改，整合成整个程序。在设计过程中，掌握了分析单片机应用系统，调试简单C51程序以及撰写设计报告的能力提高了发现问题、分析问题和解决问题的能力，做到将所学的理论知识运用到实际生活中。程序编写的过程其实就是不断修正的过程，编出来

20、的东西有时候不一定能实现最终的功能，都要通过修改运行才能看到最终结果。附录程序：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar duan=0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d; /数字16 uchar wei=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf; /位选sbit k1=P10; /定义按键K1K6sbit k2=P11;sbit k3=P12;sbit k4=P13;sbit k5=P14;sbit k6=P15;sbit beep=P37; /蜂鸣器位定义uint i,j,num,a,b,c,k;uchar flag=1,flag1=1; void delay(uint z) /延时函数 uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);void scan()/键盘扫描；送抢答号，不允许再次抢答 if(k1=0) delay(30); if(k1=0) while(k1); num=0;flag=0; if(k2=0) delay(30); if(k2=0) wh