抢答器系统设计(共16页)

1、Hebei Normal University of Science & Technology专业:电气工程及其自动化学号： 0413160222 单片机原理及应用课程设计题 目： 抢答器系统设计 院（系、部）： 机电工程学院 指 导 老 师： 马继伟 张丽红 学 生 姓 名： 杨 曼 2018年10月19日目录摘 要11引言22数字抢答器设计要求及方案22.1设计任务与要求22.1.1基本要求22.1.2发挥部分22.2设计方案22.2.1方案一22.2.2方案二23单片机芯片选取34硬件系统设计34.1外部振荡电路的设计34.2复位电路的设计44.3显示电路的设计44.4按钮输入电

2、路的设计54.5声音提示电路的设计64.6LED显示灯的设计65软件系统设计及仿真电路65.1抢答器主程序65.2仿真电路7总结8参考文献8附录1 电路原理图9附录2 源程序10摘 要该抢答器由外部振荡电路、复位电路、显示电路、按键输入电路、声音提示电路、LED显示灯电路以及软件编程组成。软件程序编写倒计时时间20秒，按下启停建，系统开始倒计时。若有人抢答，则倒计时停止，蜂鸣器响，对应LED灯亮，主持人按下RESET即可恢复开机状态；若无人抢答，则此轮抢答作废，倒计时到0后自动恢复开机状态1。关键字： 抢答电路 倒计时电路 显示电路141 引言 学校、电视节目等举办的各种各样的智力竞赛都会用到

3、抢答器。目前市场上已有很多类型的竞赛抢答器，但其中绝大多数是早期设计的，采用模拟电路、数字电路或者 模数混合电路的产品。这抢答器已相当成熟，但是随着功能增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及功能的升级换代。近年来随着科技的飞速发展，单片机、CPLD、PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。本设计就是利用单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生。2 数字抢答器设计要求及方案2.1 设计任务与要求2.1.1 基本要求（1） 给主持人设置一个开关，用来控制系统的重启（编号显示数码管重置初始时间）

4、和抢答器的倒计时开始。（2） 抢答器显示和倒计时的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答器按钮，编号立即锁存，并在LED数码上显示选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。2.1.2 发挥部分 （1） 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如20秒）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。（2） 参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号，并保持到主持人将系统清零为止。（3） 如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统自动回复到初始倒计时时间，并封锁输入电路，禁

5、止选手超时后抢答。2.2 设计方案2.2.1 方案一通过纯电子器件搭建电路实现，如优先编码器、锁存器、555定时器、译码器等。纯电子器件实现，没有软件参与，调试简单，但是不利于扩展和修改，而且电路结构复杂，调试困难，电子期间管教很多，搭建起来费时费力，焊接容易出错。2.2.2 方案二单片机实现。单片机体积小价格低，应用方便，稳定可靠。它将很多任务交给了软件编程去实现，大大简化了外围硬件电路，使外围电路的实现简单方便。由于单片机本身不具有软件编译测试的功能，需要借助其他软件编译，将编译好的程序加入单片机内。3 单片机芯片选取单片机选用的是STC89C51，它是一种低功效、高性能CMOS8位微控制

6、器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C51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。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器。如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机

7、复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。STC89S51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。(1) 单片机管脚说明：图 1 STC89C51管脚图(2) 引脚功能P2.4：RXD（串行口输入），蜂鸣器报警P2.5：TXD（串行口输出），警示灯报警P2.6：INT0（外部中断0输入），用于倒计时 P2.7：软件复位P0.0P0.7：数码管段

8、选 P2.0P2.3：数码管位选 P1.0P1.7：按钮抢答功能键RST：系统复位端XTAL1，XTAL2：振荡电路24 硬件系统设计4.1 外部振荡电路的设计图 2 外部振荡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，其振荡频率为11.0592Hz。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。4.2 复位电路的设计在方案中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的硬件复位可使寄存器及存储器的值都恢复到初始值。倒计时需要有记忆功能，该功能实现的前提条件是不能对单片机进行硬

9、件复位，所以设定软复位功能。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。图 3 主持人按键图 4 系统复位单片机的第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系统复位，系统复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态。4.3 显示电路的设计图 5 七段数码管的段排列和内部结构译码器的逻辑功能是将每一个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号，是编码器的反操作。数码管可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动，所以使用译码器将BCD编码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD编码表示的数值3。图 6 74L

10、S245点亮显示器分为静态和动态显示两种方法。静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或是截止。例如，其段数码管的a、b、c、d、e、f、导通，g截止，则显示0.这对这种显示方式每一位都要有一个8位输出口控制，所占硬件较多，一般用于显示位数较少（很少）的场合。当位数较多时，用静态显示所需的I/O过多，一般采用动态显示方法。74LS245常用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向

11、A 传输（接收）； 图 7 74HC573DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输（发送）；当CE为高电平时，A、B均为高阻态。74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。显示电路使用了七段数码管7SEG-MPX4-CC，属于共阴极的，由高电平点亮 4 。图 8

12、 显示电路显示电路如下图：4.4 按钮输入电路的设计利用8个常开按钮开关K1K8构成抢答器的输入电路。K1K8为自复式常开按钮开关，分别作为8位抢答按钮。当程序执行时，按下按键，七段数码管显示器上即显示相应的号码，且对应的LED灯亮起。图 9 按键输入电路按键输入电路如右图。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后再判断此电平是否保持原状态，如果是则为有

13、效按键，否则无效4。 图 10 声音提示电路4.5 声音提示电路的设计这里能利用程序来控制单片机P2.5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 1 。4.6 LED显示灯的设计图 11 LED显示灯电路开机状态下，LED灯按照流水灯样式从D1D8循环流动。开启键按下，开始倒计时，流水灯全灭。当有选手按下抢答键时，对应的LED灯亮起。当主持人按下软件复位键时，LED灯恢复流水灯流动样式5。5 软件系统设计及仿真电路5.1 抢答器主程序开始开

14、机状态，流水灯流动，数码管显示“0-20”启停键是否按下启动中断，数码管开始计时20秒，流水灯全灭是否有选手抢答中断停止，数码管显示选手标号以及选中时间，对应LED灯亮结束NY主持人按键是否按下YNYN图 12 抢答器主程序流程框图本设计通过使用STC89C51芯片以及其他元器件实现了抢答器倒计时抢答的全过程。本设计分为外部振荡电路、复位电路、显示电路、按钮输入电路、报警电路和LED显示灯电路。5.2 仿真电路图 13 开机状态开机状态，显示器显示“0-20”，流水灯流动。图 14 4号抢答，显示器显示“4-17”，4号灯亮有选手抢答时，例如4号按下：总结本设计通过使用STC89C51芯片以及

15、其他元器件实现了抢答器倒计时抢答的全过程。本设计分为外部振荡电路、复位电路、显示电路、按钮输入电路、报警电路和LED显示灯电路。接通电源系统置于开机状态，显示“0-20”，同时LED显示灯按流水灯样式从D1D8循环流动。按下开始键（START-STOP）时，流水灯全灭，数码管开始倒计时，当有选手按下抢答键（K1K8）时，倒计时暂停，数码管第一位显示选手号码，后两位显示暂停时间，选手对应的LED显示灯（D1D8）亮起，同时蜂鸣器响起。主持人按下软件复位键（HOST-RESET），数码管恢复到“0-20”，LED显示灯再次按流水灯样式从D1D8循环流动起来，蜂鸣器不响。一轮抢答结束。若无人抢答时，

16、数码管倒计时到0，自动恢复“0-20”，此时LED灯全灭。一轮抢答结束。参考文献1 冯育长.单片机系统设计与实例分析M.西安电子科技大学出版社，2007：86-89；2 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2002：21-24，289-290；3 郭培源.电子电路及电子器件M.高等教育出版社，2003：228-234，235-245；4 郭天祥.新概念51单片机C语言教程M.北京：电子工业出版社，2012：58-64，79-85； 5 彭伟.单片机C语言程序设计实例100例M.北极：电子工业出版社，2012：37-41.附录1 电路原理图附录2 源程序#in

17、clude <reg51.h>#include<intrins.h> #define uint unsigned int#define uchar unsigned char uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code led=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f; sbit BEEP=P25;sbit start_stop=P26;sbit reset=P27; sbit key1=P10;sbit key2=P11

18、;sbit key3=P12; sbit key4=P13; sbit key5=P14; sbit key6=P15; sbit key7=P16;sbit key8=P17; bit start_stop_flag=0;bit key1_flag=0;bit key2_flag=0; bit key3_flag=0; bit key4_flag=0; bit key5_flag=0; bit key6_flag=0; bit key7_flag=0; bit key8_flag=0; bit reset_flag=0; bit action=0; uchar sec=20; uchar t

19、imer0_count=0; uchar num=0; uchar number_display=0;uint flag=1;void ledflow();void delay(uint z) uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=120;y>0;y-);void delayms(uint x)uchar t;while(x-)for(t=0;t<100;t+);void display(uchar number,uchar second)uchar second_first,second_second;second_first=second/10;se

20、cond_second=second%10;P0=0x00;P2=0xfe;P0=tablenumber;delay(2);P0=0x00;P2=0xfd;P0=0x40;delay(2);P0=0x00;P2=0xfb;P0=tablesecond_first;delay(2);P0=0x00;P2=0xf7;P0=tablesecond_second;delay(2);P0=0x00;void Play(uchar t)uchar i;for(i=0;i<1;i+)BEEP=BEEP;delayms(t);BEEP=0;void start_stop_keyscan()if(star

21、t_stop=0)delay(8);if(start_stop=0)&&(!start_stop_flag)start_stop_flag=1;action=1;TR0=1;elsestart_stop_flag=0;uchar keyscan8()if(key1=0)delay(8);if(key1=0)&&(!key1_flag)key1_flag=1;P3=0xfe;num=1;number_display=num;elsekey1_flag=0;num=0;if(key2=0)delay(8);if(key2=0)&&(!key2_fla

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23、um=0;if(key5=0)delay(8);if(key5=0)&&(!key5_flag)key5_flag=1;P3=0xef;num=5;number_display=num;elsekey5_flag=0;num=0;if(key6=0)delay(8);if(key6=0)&&(!key6_flag)key6_flag=1;P3=0xdf;num=6;number_display=num;elsekey6_flag=0;num=0;if(key7=0)delay(8);if(key7=0)&&(!key7_flag)key7_fla

24、g=1;P3=0xbf;num=7;number_display=num;elsekey7_flag=0;num=0;if(key8=0)delay(8);if(key8=0)&&(!key8_flag)key8_flag=1;P3=0x7f;num=8;number_display=num;elsekey8_flag=0;num=0;if(number_display!=0) return 1;elsereturn 0;void reset_keyscan()if(reset=0)delay(8);if(reset=0)&&(!reset_flag)reset_flag=1;number_display=0