单片机课程八路抢答器设计

1、物理与机电学院课程设计报告课程名称：单片机八路抢答器设计系 部：物理与机电工程专业班级：07电了信息工程（二）班 学生姓名：肖乐强指导教师：翁国云老师完成时间：2010525扌艮告成绩：评阅意见:评阅教师 h期单片机八路抢答器设计摘 要抢答器作为一种工具，己广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的 使用频率较低，且有的耍么制作复杂，要么可靠性低。作为一个单位，如果专门 购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放 使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因 此设计了本抢答器。本设计是以八路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时冋答的功能，利

2、用 at89c51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定吋器/计数器定吋 和记数的原理，将软、硬件有机地结合起來，使得系统能够止确地进行计时，同 时使数码管能够止确地显示时间。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系 统能够实现：在抢答屮，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效; 抢答限定时间和冋答问题的时间叮在l-99s设定；叮以显示是哪位选手有效抢答 和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满 时后系统计时口动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非 法。一、设计任务与要求1、抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮s

3、0、s8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，同时扬声器发岀报警声响提示。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，定吋器进行减计吋，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。6、如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答

4、无效，系统报警并禁止抢答，定 时显示器上显示00。二、方案设计与论证方案一:系统各部分采用屮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。该方案的特点是屮小规模集成电路应用技术成 熟，性能可靠，能方便地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，而月过于复杂，并月制作过程工序比较烦琐， 使用不太方便。方案二:该系统采用51系列单片机at89c51作为控制核心，该系统可以完成 运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟, 应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整 个系统具冇

5、极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。 mcs-51单片机特点如下:1可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般 的cpu,程序指令和数据都可以写在rom里，许多信号通道都在同一芯片，因此 可靠性高，易扩充。2单片机冇一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输 出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。3控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还冇更丰 富的条件分支跳跃指令。方案比较及其选用依据，显然方案二比方案一简单的多，不但从性能上优于 方案一，而且在使用上及其功能的实现上都较方案一简洁，并且由于单片机具冇 优越的高集成电路性，使

6、其工作速度更快、效率更高。另外80c51单片机采用 12mhz的品振，捉高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩张 功能。而方案一采用了中小规模集成电路，冇其复朵的电路性能，从而可能会使 信号的输入输出产生延时及不必要的误差。依此依据选择方案二比较适合。 其原理框图如下：三、硬件电路设计1、抢答器的电路框图如图11、1所示为电路框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关 拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定吋器显示设定吋 间；主持人将开关置，“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定吋器倒计吋, 扬声器给出声响提示。选手在定吋时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、

7、编号 锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定吋器停止、禁止二次抢答、 定吋器显示剩余吋间。如果再次抢答必须由主持人再次操作开始、停止状态开 关。图11.1抢答器框图hbcdefg dp1 £34 wc-:a hrh|nn|»|«p|r| =v»gr-hd end eehs e£rs axmtezd nnwzd 咚 <*zd =<end 2 內nd i.c sas r-awod wqyge 5260* few eaxmd sosut a*rabc5ijzzl.r91oj"tc t：'xi:c31ojjchyb

8、tal tekt> .vtqh，c1c2speakeri-d2m«te>rr>图11.2抢答电路的接口电路如图11、1所示为电路框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清 除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持 人将开关置，“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器 给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、 编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停1上、禁止二次抢答、定时器 显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“开始、停止”状态开关。2、单元电路设计(1) 抢答器

9、电路参考电路如图11.2所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后, 并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键 操作无效。如冇再次抢答需由主持人将s开关重新置，“清除”然后再进行下一 次抢答。(2) 时序控制电路设计时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能：乩主持人将控制开关拨到”开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进 人正常抢答工作状态。b当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。(3) 复位电路的设计外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高 电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以

10、及存储器的值都恢复到了 初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行 硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完z后，将程序通 过一条跳转指令让它完成复位。复位电路如卜图示：03-os-1our2200 <te>r15002. 3. 3外部震荡电路外部震荡电路单片机必须在at89c51的駅动下才能工作，在单片机内部有一 个时钟震荡电路，只需要外接一个振荡器就能产生一定的时钟信号送到单片机内 部的各个单元，外部震荡电路如下图。c1-hfr-30pf i.<text> c2tl-.30pf .21匸对>xicrystz vtex

11、trl5co2. 3. 4报警电路设计报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。一般喇叭是一种电感性 图11. 4报警电路图。8951驱动喇叭的信号为各种频率的脉冲。因此，最简单的 喇叭驱动方式就是利用达林顿晶体管，或者以两个常用的小晶体管连接成达林顿 架势。在右图屮电阻r为限流电阻，在此利用晶体管的高电流增益，以达到电路 快速饱和的口的。不过，如果要由p0输出到此电路，还需要连接一个10k的上 拉电阻。选手在设定的吋间内抢答吋，实现：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提 示。当一-轮抢答之后，定吋器停止、禁止二次抢答、定吋器显示剩余吋间。如果 再次抢答必须由主持人再次*作清除和开始状态

12、开关。图面是数字抢答器的 报警电路图。其屮555构成多谐振荡器，振荡频率fo=l. 43/ (ri+2r2) c,其输出信 号经三极管推动扬声器。pr为控制信号，当pr为高电平吋，多谐振荡器工作,四、软件设计1、系统主程序设计为了能够达到抢答的公平、公正、合理，应该在主持人发布抢答命令之前 必须先设定抢答的时间，因而在编开始抢答前的程序得先编写设定时间的程序, 当时间设好了之后，主持人发布抢答命令按下p1.7按键，程序开始打开定时中断开始倒计时，然后调用键盘扫描子程序，编写键盘扫描程序。当在扫描到冇人 按下了答题键，马上关闭to、调用显示程序、封锁键盘。(1)主程序流程图2、主程序清单ok e

13、qu 20h;抢答开始标志位ring equ 22h;响铃标志位org 0000hajmp mainorg 0003hajmp intosuborg 000bhajmptointorg 0013hajmpint1suborg 001bhajmpt1intorg 0040hmain: mov r1,#30;初设抢答时间为30smov r2,#60;初设答题时间为60smov tmod,#11h;设置未定时器/模式1mov th0,#0f0hmov tl0,#0ffh;越高发声频率越高，越尖mov th1,#3chmovtl1,#0b0h;50ms为一次溢出中断setb easetb et0set

14、b et1setb exosetb ex1;允许四个中断,t0/t1/int0/int1clr okclr ringsetb tr1setb tro;开始就运行定时器，以开始显示fff.如果想重新计数，重置th1/tl1就可以了；=查询程序=start: mov r5,#0bhmov r4,#0bhmov r3,#0bhacall display沬开始抢答时候显示fffjb p3.0,next;dddddddacalldelayjb p3.0,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mova,r1mov r6,a;送r1->r6,

15、因为r1中保存了抢答时间setb ok;抢答标志位，用于count只程序中判断是否查询抢答mov r7,#01h ;读抢答键数据信号标志，这里表示只读一次有用信号mov r3,#0ah;抢答只显示计时，灭号数ajmp count;进入倒计时程序,“杳询有效抢答的程序”在count里面next: jnb p1.0,false1jnb p1.1,false2jnb p1.2,false3jnb p1.3,false4jnb p1.4,false5jnb p1.5,false6jnb p1.6,false7jnb p1.7,false8ajmp start；=非法抢答处理程序=false1: mov

16、 r3,#01hajmp errorfalse2: mov r3,#02hajmp errorfalse3: mov r3,#03hajmp errorfalse4: mov r3,#04hajmp errorfalse5: mov r3,#05hajmp errorfalse6: mov r3,#06hajmp errorfalse7: mov r3,#07hajmp errorfalse8: mov r3,#08hajmp error；h=k|nt0（抢答时间r1调整程序）=intosub:mova,r1mov b,#0ahdiv abmov r5,amov r4,bmov r3,#0ah

17、acall display洗在两个时间led上显示r1jnb p3.4jnc0;p3.4为+1s 键，如按卜跳到 incojnb p3.5,dec0;p3.5为1s键，如按下跳到decojnb p3.1,back0;p3.1为确定键，如按卜跳到backoajmp intosubinco: mova,r1cjnea,#63h,add0;如果不是99,r2加1,如果加到99,r1就置0,重新加起。movr1,#oohacall delay1ajmp intosubaddo: inc r1acall delay1ajmp intosubdeco: mova,r1jz setr1;如果 r1 为0,

18、r1 就置99,dec r1acall delay1ajmp intosubsetr1: mov r1,#63hacall delay1ajmp intosubbacko: reti；=int1 （回答时间r2调整程jt）=int1sub:m0va,r2mov b,#0ahdiv abmov r5,amov r4,bmov r3,#0ahacall displayjnb p3.4jnc1jnb p3.5,dec1jnb p3.1.back1ajmp int1 subinc1: mova,r2cjnea, #63h,add1mov r2,#00hacall delay1ajmp int1 sub

19、add1: inc r2acall delay1ajmp int1subdec1: mova,r2jz setr2dec r2acall delay1ajmp int1 subsetr2: mov r2,#63hacall delay1ajmp int1subback1: reti；=倒计时程序（抢答倒计时和四答倒计时都跳到改程序）=repeat:mova,r2 ;使用锦囊时重新计时mov r6,aclr ringcount: mov r0,#00h;重置处时器中断次数mov th1,#3chmov tl1 ,#0b0h;重置定时器recount:mova,r6;r6保存了倒计时的时间，之两先

20、将抢答时间或凹答时间给r6mov b,#0ahdiv ab;除十分出个位/十位mov 30h,a汁位存于(30h)mov31h,b;个位存于(31h)mov r5,30h;取十位mov r4,31h;収个位mova,r6subba,#07hjnc larger;大于5s跳到larger,小于等于5s会提醒mov a,rocjnea,#0ah,full;1s 中0.5s 向下运行clr ringajmpcheckfull: cjnea,#14h,check;下面是1s的情况，响并显示号数并淸ro,重新计setb ringmova,r6jz quit;计时完毕mov r0,#00hdec r6;秒

21、标志减1ajmpchecklarger: mov a,rocjnea,#14h,check;如果1s向下运行，否者跳到杳”停/显示“dec r6;计时一秒r6自动减1mov r0,#00hcheck: jnb p3.1,quit;如按下停止键退出jnb ok,checkk ;只在回答倒计时才有效ajmp nexttcheckk:jnb p3.0,repeat ;判断是否使用锦囊nextt: acall displayjb ok,accout;如果是抢答倒计时，如是则杳询抢答，否者跳过査询继续倒数(这里起到锁抢 答作用)ajmp recountaccout:mov a,36hjnbacc.0,t

22、rue1jnbacc.1,true2jnbacc.2,true3jnbacc.3,true4jnbacc.4,true5jnbacc.5,true6jnbacc.6,tz1jnbacc.7,tz2ajmp recounttz1:jmptrue7tz2:jmptrue8quit: clr ok;如果按下了”停止键”执行的程序clr ringajmp start；=止常抢答处理程序=true1:acall barkmova,r2mov r6,a;抢答时间r2送r6mov r3,#01 hclr ok;因为答题的计时不再杳询抢答，所以就锁了抢答ajmp counttrue2:acall barkmo

23、va,r2mov r6,amov r3,#02hclr okajmp counttrue3:acall barkmova,r2mov r6,amov r3,#03hclr okajmp counttrue4:acall barkmova,r2mov r6,amov r3,#04hclr okajmp counttrue5:acall barkmova,r2mov r6,amov r3,#05hclr okajmp counttrue6:acall barkm0va,r2mov r6,amov r3,#06hclr okajmp counttrue7:acall barkmova,r2mov r

24、6,amov r3,#07hclr okajmp counttrue8:acall barkmova,r2mov r6,amov r3,#08hclr okajmp count；=犯规抢答程序=error: mov r0,#00hmov th1,#3chmov tl1 ,#0b0hmov 34h,r3;犯规号数暂存与(34h)here: mov a,rocjne a,#06h,flash;0.3s向下运行灭并停响clr ringmov r3,#0ahmov r4,#0ahmov r5,#0ah;三灯全灭ajmpcheck1flash: cjnea,#0ch,check1;卜面是0.8s的情况，

25、响并显示号数并淸ro,重新计setb ringmov r0,#00hmov r3,34h;収回号数mov r5,#0bhmov r4,#0bh;显示ff和号数ajmpcheck1check1: jnb p3.1,quit1acall displayajmp herequit1: clr ringclr okajmp start； = = = =显示程序= = = = =display:mov dptr,#dat1;查表显示程序，利用pou做段选码口输出/p2低三位做位选码 输出，mova,r3movca,a+dptrmov p2,#0fehmov p0,aacall delay2mov dpt

26、r,#dat2mova,r5movca,a+dptrmov p2,#0fdhmov p0,aacall delay2mova,r4movca,a+dptrmov p2,#0fbhmov p0,aacall delay2retdat1:db 00h,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00h,71h;”灭 丁1”,”2”,“3”,”4”,”5丁6罗7',”8丁9丁 灭”,”fdat2:db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00h,71 h；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

27、健到不会按下就加n个数）=delay1: mov 35h,#08hloopo: acall displaydjnz 35h丄ooporet；=延时4236个机器周期（去抖动用jij）=delay: mov 32h,#12hloop: mov 33h,#0afhloop1: djnz 33h丄oop1djnz 32h丄oopret；=延时4236个机器周期（显示用jij）=delay2: mov 32h,#43hloop3: mov 33h,#1ehmov a,r7 ；每隔6070个机器周期读一次p1 口，全为1时为无效数据，继续读，有一个不为1时, 转到止常抢答处理jnzaaaa1 ;没读到有

28、效数据时继续转到aaaa1loop2: djnz 33h丄00p2djnz 32h丄oop3ret；=读抢答按键数据口程序=；山于在读抢答数据口的时候，单片机首先进入倒计时程序，再调用显示程序，最后才检测 按键口;然而在检测按键口时动态扫描要调用三次(4ms)延时程序这样就会导致读数据口出现滞后, 造成1号优先最高.8号最低.；故采用在延时子程序中加了读数据口程序保证了灵敏度和可靠性aaaa1: m0va,p1cjne a,#0ffh,aa1 ;当不全为1时的数据为冇效数据aao: mov 36h,a ;将有效数据送到36h暂存ajmp loop2aa1: dec r7ajmpaa0；”=发声

29、程序=bark: setb ringacall delay1acall delay1clr ring;按键发声ret；=t0溢出中断（响铃程）?）=to i nt: mov th0,#0echmov tl0,#0ffhjnb ring,out;cpl p3.6;ring标志位为1时候p3.6口不短取反使喇叭发出一眾频率的声音out: reti；=t1溢出中断（计时程）=t1int: mov th1,#3chmov tl1,#0b0hinc roretiend五、仿真过程与仿真结果1、用到了 ke订软件仿真，界面如下:2、proteus 仿真做好的proteus仿真图如下:e彳nd z§

30、;za. 二 gzd ch舌zd gvmndu1.a1h9c51：.f bi-卜：1br 艮hr9eskhsnd erid 匚beha. glgnnd ouand ox£mhzwdd mkaod ss few nakmd mdd r§储 eri-10- xralxi<text> c11ufm <text>:text*gd抢答30秒倒计时显示:at8bc6$xkx*t： 总qn ernd es l?>nd 匚by qlbem awnd 0xkan& 5gr-zd 二盍nd nk5zd zw>rmd =<c-nd cn<丙

31、 nd 叟aza £<=<! 90*8 口 d dwfad hss fddr 10r«c2tl-speakerjcrybtal小 ext> ctqttxwftext>o»d选手按答题键号在答题时候60秒倒计时:u1.a7®c6t«tgxt jmmna. w9rnd end 匚eeh qleeh oklnd 0x<ah-kaz_ n$n_ zw>z 二肾z_ ch 焉 n_ 段二n£<=£ sakmg mknad nssc21.1uc -«te4t> -t*1ojq r

32、 n nfi-wj<m3吧e z1v1x <kx.memcercrystalc3c1f平叶岬卡祥杵m即.b0r1<te*?d*omp od用dxp连接原理图如下:r-ezi -ezj -e=3-e=i-ed1b0se_a10ssssssss10宦i8£88£s8soi m -r 59 r*- i i f< r1 i i r1 r-4 ddddddddscrey13rey1*xialkey1ju m89«lc3a ol?9goda/yhaagwd用dxp连接pcb图如下:ee严 通过仿真可知，仿真结果完全符合设计要求。六、安装与调试制作pcb

33、电路板流程：打印pcb裁剪覆铜板预处理覆铜板(打磨) 香)焊接电子元件。转印pcb腐蚀电路板电路板钻孔电路板预处理(打磨、清洗、涂松表1器件选型方案的详细清单器件名称规格型号数量微处理器at89c511极性电容10uf1电阻3wtt10k9电容20pf3晶振12mhz1按钮15共阴4位7段数码管smg sm410561k1扬声器1调试：(1)开机按电源开关，显示屏左边的抢答指示灯亮，数码管显示。(2)设定抢答倒计时时间设定答题倒计时时间(4) 测试各组抢答按键试按一下各组的抢答按钮，应立即显示该组的组别数字，同时机内喇叭发出 叮咚的提示音，按取消键，返冋0闪烁状态。(5) 启动抢答倒计时，开始

34、抢答fff状态下，当主持人宣布抢答开始吋，马上按一下抢答键，屏幕显示 所设定的抢答倒计时时间并开始倒计时，提示倒计时时间马上临近结束。倒计时 到0以后，仪器发出叮咚的结束提示音，同时显示屏返冋fff待命状态。在抢答倒计时中，如果有参赛组抢答，仪器屏幕立即显示该组的组别号，同时 发出叮咚的抢答成功提示音。需要返冋fff待命状态，按取消键即可。(6) 启动答题倒计时fff状态下，或冇参赛组抢答成功后，需要开始答题的计时时，按答题计时 键，屏幕显示所设定的答题倒计时时间并开始倒计时，提示倒计时时间马上临 近结束。倒计时到0以后，仪器发岀丁冬的结束捉示音，同时显示屏返回fff 待命状态。(7) 捉前取

35、消倒计时无论是抢答述是答题的倒计时时间，需要捉前退出，只要按一下取消 键，即可返回到fff待命状态。(8) 如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节 状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下”加is” 键，如果想减-秒按一下“减is”键，吋间led±会显示改变后的吋间，调整 范围为099s, os时再减is会跳到99, 99s时再加is会变到os。(9) 违规抢答当主持人读题过程中，而未宣布抢答开始时按下抢答按钮。主显示屏将显示 该违规组号，及发出提示音。及该组的红灯亮起。通过调试，结果完全符合抢答器设计要求。七、结论与心得这次课程设计老师给我们安排了一个星期的时间，可以说是比较充裕的。 虽然如此，我还是很用心的做设计，利用了周六周h两天的时间在宿舍思考本次 的课程设计，拿到题冃，感觉太繁杂了，不知怎么下手，虽然这些知识以前都有 接触过，但也只是分部分来接触,而这次的设计是耍对前面几次实验