六路抢答器设计单片机

1、目录第1章六路抢答器设计功能要求1第2章抢答器方案论证3第3章系统硬件电路设计43. 1. 1 系统原理图43. 1.2时钟频率电路的设计53.1.3复位电路的设计63. 1. 4显示电路的设计73. 1.5键盘扫描电路的设计73. 1.6发声83. 1. 7系统复位8第4章系统软件设计94. 2.1主程序系统结构图94. 2.2程序流程图104. 2.3系统程序11第5章调试及性能分析1921第6章 课程设计小结20参考文献第1章 六路抢答器设计功能要求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

2、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己成 一种趋势。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“牛命”，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，抢到题的选手來回答问题。抢答器不仅考验 选手的反应速度同吋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

3、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人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。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

4、务：设计一款数字抢答器1、基木要求(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s0s5表示。（2）设置一个系统清除和抢答控制开关s,该开关由主持人控制。（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 选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显

5、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00 优 点：与普通抢答器相比，本作品有以下几方面优势：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、 具有定吋功能，在30秒内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。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

6、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ii熄灭主持人座位上的状态指示灯 和发出3声类似于电话振铃的提示声，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，并口同时发出“笛 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 有助咅腔的压电陶瓷蜂鸣器，用于模拟发出报警声的功率放大器和喇叭。在 fm发声的同吋，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

7、, 陶瓷材料就发生弯曲，从而振动空气发出声咅。fm和4只按钮开关swaswd 以及4只电阻rrd都是在演示板的基础上额外添加的。由于rb端口内 部具有上拉电阻，只要用软件设置其有效，即可省略在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3所示。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座位5座位6按钮开关sw1swaswbswcswdswcswf指示灯d7dodid2d3d4d5蜂鸣器有无无无无无无第2章方案论证(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,该开关由主持人控

8、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内进行抢答，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。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00(6) 6

9、路抢答器可以利用硬件电子元器件实现 但电路结构复杂，调试困难， 涉及到的外围元件多，不便于安装，实验给实际操作带来很大的麻烦。(7) 我们利用单片机可以用很少元件实现相同功能，而且单片机性能稳定， 可操作性强。可以只用p0 口连接上拉电阻，完成驱动led的功能，串接按键可 以由选手自己控制抢答机会,利用p3 口的rxd接74ls164的a, b端,txd接移 位脉冲做时钟信号。利用单片机程序判断选手按键是否有效，但选手违规抢答， 利用简单程序显示选手序号，启动蜂鸣器并不间断，告诉主持人有人违规操作， 抢答无效。给出相应的延时，选手按正常的操作抢答，软件倒记时，利用74ls164 移位寄存8段数

10、码管，实现倒记时显示时间，到5秒相应时间提醒选手时间快到 了，要及时作答，并启动蜂鸣器。如果有选手在规定的时间以前完成问题，主持人通过按键p2. 4复位，开始 新的问题作答，因为程序不是很大不需要扩展存储空间，选手按键跳入相应的子 程序，回答倒记时，通过单片机实现功能可以更人性化，只需单电源供电更方便， 容易实现。电路结构简单，外围扩展的电路不是很多，锻炼我们所学的知识应用 到现实生活当中。为我们提供实践的机会。单片机是电子专业发展的方向，更好 的使用单片机可以是我们的产品小型化，使用更方便，性能更稳定，功能更齐全， 所以我们选用单片机加一定的外围设备实现本次课程设计的要求。第3章系统硬件设计

11、为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下儿方面：(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 迪芯片价格的总和高。(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 为很少有一锤定咅的电路设计，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，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用at89c51单 片机。(4) i/o端口，在样机研制出来后进行现场试用吋，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

12、号需要采集, 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，虽然当吋空着没用，那么用的时候就派上用场 to3. 1总体原理图如图2-1, p1.0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p2口低3位,蜂鸣器输出为p3.6口 o p3.2为时间加1调整,p3.3 为吋间减1调整。u1xtal1poiyatoxta12pd.vad1p0ad2 pojacorsrpo.</adi pdsa&5 pdak p0.7/awwp2眈 p2.1w p22a< p2亦"ale

13、p2.4/aq瓯pmp2弘口 p2j9aup2.7/aspmioop3.1hxd ?3nnd p33tjmp3.4hd p3st1 p3aw p3.7/hfpi ip12 po pi.ip1sp1jgpi.?2说dp1234ersoii» <texn图2-1系统原理图3.1.2时钟频率电路的设计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定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决作速度。定单片机的工c2 xtal23opf <tbct> iicrystal . c1 xtal1<te)cr> gnd 图2

14、-2外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电人约延迟10ms后振荡器起振，在xtal2引脚产牛幅度为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宜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,则时钟周期为1/12际3. 1.3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

15、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4所示:1 ouf <text>c1r11k.<text>-图2-3复位电路值得注意的是，在设计当屮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。3.1.4显示电路的设计显示功能与硬件关系极大，当硕件|古1定后，如何在不引起操作者

16、误解的前提 卜提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。3. 1.5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，其中独立键盘硕件电路简单，而且在程序设计上也不 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

17、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ii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“毛刺”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”脉冲一般持续时间短，约为几ms,而我们 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。3. 1.6发声我们知道，声音的频谱范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

18、能产生一定频率的矩形波， 接上喇叭就能发岀一定频率的声音，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。3.1.7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。硕件复位后，各专用寄存器的状 态均被初始化，ii对片内通用寄存器的内容没有影响。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

19、，这样一个事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硕件复位功能，最后通过转移指 令使程序从000011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 000011)作为软件陷阱，认为直接转向000011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，它将阻止同级屮断响应。由于软件看门

20、是高级屮断，它将阻止说要屮断响应, 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 岀错处理程序err主耍完成这一功能，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 data67h;上电标志存放单元err:clrea；关中断movdptr,#err1 ；准备返冋地址pushdplpushdphreti;清除高级中断激活标志err1:movpower, #oaah；重建上电标志clra；准备复位地址pushacc；压入复位地址000011pushaccreti清除低级中断激活标志，从程序0000h开始执行。这段程序先

21、关中断，以便后续处理能顺利进行，然后用两个reti指令代替两 个ijmp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4章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。4.1主程序系统结构图图2-5软件系统结构图4.2程序流程图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。主流程图如2-6所示：图2-6程序设计流程图4. 3系统程序p1.0为

22、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。ok equ 20h;抢答开始标志位ring equ 22h;响铃标志位org 000011ajmp main0rg 000311ajmp intosuborg 000bi1ajmp tointorg 001311ajmp intisuborg 001biiajmp t1intorg 004011main: mov r1,#ofii;初设抢答时间为15smov r2, #0ah;初设答题时间为10smov tmod,#11ii;设置未定时器/模式1mov ti10, #0f0

23、iimov tlo,#offi1;越高发声频率越高，越尖mov th1, #3chmov tl1,#oboh; 50ms为一次溢出中断setb easetb etosetb et1setb exosetb exi;允许四个中断,to/t1/tnto/tnt1clr okclr ringsetb trisetb tro; 一开始就运行定时器，以开始显示fff如果想重新计数, 重置ti11/tl1就可以了查询程序：start:mov r5, #obi1mov r4,#0bhmov r3, #ob11acall display;未开始抢答时候显示fffjb pl. 0, nextacall dela

24、yjb pl. 0, next;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acall bark;按键发声mov a, r1mov r6,a；送r1->r6,因为r1中保存了抢答时间setb 0k;抢答标志位，用于count只程序中判断是否查询抢答mov r3, 0ai1;抢答只显示计时，灭号数ajmp count;进入倒计时程序，查询有效抢答的程序在count里面next:jnb pl. 1, false1jnb pl. 2, false2jnb pl. 3, false3jnb pl. 4, false4jnb pl. 5, false5jnb pl. 6, false6

25、ajmp start非法抢答处理程序：false 1: acall bark;按键发声mov r3,#0111ajmp errorfalse2: acall barkmov r3, #0211ajmp errorfalse3: acall barkmov r3, #0311ajmp errorfalse4: acall barkmov r3,#04hajmp errorfalse5: acall barkmov r3,#05hajmp errorfalse6: acall barkmov r3, #0611ajmp errorinto（抢答时间r1调整程序）:intosub:mov a, r1

26、mov b, #oai1div abmov r5, amov r4,bmov r3,#0ahacall display；先在两个时间led上显示r1jnb p3. 2, inco; p3.2为+ls键，如按下跳到incojnb p3. 3, deco; p3. 3为-is键,如按下跳到decojnb pl. 7, backo; pl. 7为确定键，如按下跳到backoajmp intosubinco:mov a,r1cjne a, #6311, addo;如果不是99,r2加1,如果加到99了，r1就置0,重 新加起mov r1,#oohacall delay1ajmp intosubaddo

27、:inc r1acall delay1ajmp intosubdeco:mov a,r1jz setr1;如果r1 为0, r1 就置99,dec r1acall delay1ajmp intosubsetr1: mov rl,#63hacall delay1ajmp tntosubbacko: rettinti （回答时间r2调整程序）：int1sub:mov a, r2mov b, #oai1div abmov r5, amov r4,bmov r3,#0ahacall displayjnb p3. 2, incijnb p3. 3, decijnb pl. 7, back1ajmp in

28、t1subinci:mov a, r2cjne a, #6311, add1mov r2, #0011acall delay1ajmp int1subadd1:inc r2acall delay1ajmp int1subdeci:mov a,r2jz setr2dec r2acall delay1ajmp int1subsetr2: mov r2, #6311acall delay1ajmp int1subback1: 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 r0, #0011;重置定时器屮断次数mov th1,#3chmov tl1,#obo11；重置

29、定时器recount: mov a, r6; r6保存了倒计时的时间，z前先将抢答时间或回答时 间给r6mov b, #0ahdtv ab;除十分出个位/十位mov 30h, a;十位存于(30h)mov 31h,b;个位存于(31h)mov r5, 3011;取十位mov r4, 3111;取个位mov a,r6subb a, #0711jnc larger;大于5s跳到larger,小于等于5s会提醒mov a,rocjne a, ttoah, full; is中0. 5s向下运行clr ringajmp checkfull:cjne a, #1411, check;下面系is的情况，响并

30、显示号数并清ro,重新 计时setb ringmov a, r6jz quit;计时完毕mov ro, #0011dec r6;一秒标志减1ajmp checklarger:mov a, rocjne a, #1411, check;如果is向下运行，否者跳到查停/显示dec r6;计时一秒r6自动减1mov r0, #0011check:jnb pl. 7, quit;如按下停止键退出acall displayjb ok, accout;如果是抢答倒计时，如是则查询抢答，否者跳过查 询继续倒数（这里起到锁抢答作用）ajmp recountaccout:jnb pl. 1,true1jnb p

31、1.2,true2jnb pl. 3, true3jnb p1.4,true4jnb pl. 5, truesjnb pl. 6, true6ajmp recountquit: clr ok;如果按下了停止键执行的程序clr ring正常抢答处理程序：truel: acall bark;按键发声mov a,r2mov r6,a；抢答时间r2送r6mov r3,#0111clr ok;因为答题的计时不再查询抢答，所以就锁了抢答ajmp counttrue2:acall bark;mov a, r2mov r6, amov r3, #0211clr okajmp counttrue3:acall

32、bark;mov a, r2mov r6, amov r3, #0311clr okajmp counttrue4:acall bark;mov a, r2mov r6, amov r3, #0411clr okajmp counttrues: acall bark;mov a, r2mov r6, amov r3,#05hclr okajmp counttrue6: acall bark;mov a, r2mov r6, amov r3, #0611clr okajmp count犯规抢答程序:error: mov ro,#00hmov th1, #3chmov tl1,#obohmov 3

33、411, r3;犯规号数暂存与(3411)here:mov a,rocjne a, #0ah, flash; 0. 5s向下运行-灭并停响clr ringmov r3,#0ahmov r4, #oai1mov r5,#oai1; 三灯全灭ajmp ci1eck1flash:cjne a, #1411, ci1eck1;下面系is的情况，响并显示号数并清ro,重新计setb ringmov ro, #0011mov r3, 3411;取回号数mov r5, #ob11mov r4,#ob11;显示ff和号数ajmp ci1eck1ci1eck1:jnb pl. 7, quit1acall dis

34、playajmp herequit1: 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出口参数：无display:mov dptr, #dat1;查表显示程序，利用po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,#0111mov po,aacall delaymov dptr, #dat2mov a,r4movc a,a+dptrmov p2,#02hmov po, aacall delaymov a, r3movc a, ©a+dp

35、trmov p2, #0411mov po,aacall delayretdat1:db 0011, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h, 7fh, 6fh, 0011,7111;灭，1，2，3，4，5，6，7，8，9，灭,fdat2: db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h, 7fh, 6fh, 0011,7111；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）:delay 1: mov 3511, #0811loopo: acall displaydjnz 3511, lo

36、oporet延时（显示和去抖动用到）：delay: mov 3211, #1211loop:mov 3311, ttoafill00p1: djnz 3311, l00p1djnz 3211, loopret发声程序：bark:setb ringacall delay1acall delay1clr ring; 按键发声retto溢出中断（响铃程序）：toint:mov t110, ttoecilmov tlo, ttoffiljnb ring, outcpl p3. 6 ;ring标志位为1时候p36口不短取反使喇叭发出一定频率的声音out:rettt1溢出中断（计时程序）：t1int: mov th1,#3chmov tl1,#oboi1inc roret i end第4章调试及性能分析1、具有清零装置和抢答控制j,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秒内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