基于51单片机智能竞赛抢答器设计与实现

1、摘摘 要要 抢答器作为一种工具，已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，且有的要么制作复杂，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回答的功能，利用 STC89C51 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，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。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。

2、同时系 统能够实现：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效； 抢答限定时间和回答问题的时间可在 1-99s 设定；可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 时后系统计时自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。 关键词：关键词：STC89C51STC89C51 LEDLED 数码管数码管 抢答器抢答器 计时计时 ABSTRACT As a tool, the first answer device has been widely used in all kinds of intelligence

3、 and knowledge contests occasions. However, it is not used so frequently due to its production complexity, lacking of reliability and reducing interest. Although a unit can afford it, it is rarely used yearly. Meanwhile, because of the long-term storage, its electronic devices are easy to be damaged

4、. Some activities are likely to be affected because it is quiet trouble to repurchase these spare parts and time-wasting. This First Answer Device is designed to solve these problems. And this design is based on the principle of eight-way first answer. Considering the requirement and the limited tim

5、e to answer, while using STC89C51 single-chip and external interface of the Answer System, the use of single-chip timer / counter timing and number of the principles in mind, the software and hardware combination, makes the system time correctly, while the digital control to display time correctly.

6、Switch the keyboard to do with output, speaker prompted occurred. At the same time, the system can be realized: In the competitive answering game, only after the answer that will be valid, if at the beginning of pre-answer that will be invalid; Competitive answer to the question and the end of the q

7、uestion can be set in 1-99s; it can show whos effective and whose answers invalid, the correct button will prompt after the music; count down to the competitive and finished time, when its full time the system will be automatic reset and the master will also be forced reset ;keys locked in the effec

8、tive state, while the key is invalid illegal. Keywords: STC89C51 LED digital tubes the first answer device Time 目 录 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1 毕业设计目的与要求 .1 1.2 系统分析与总体设计 .2 1.3 单片机系统概述 .3 1.4 抢答器目前主要存在的问题 .4 1.5 本文的主要研究成果及内容安排 .5 1.5.1 主要研究成果.5 1.5.2 本文内容安排.5 第二章第二章 抢答器的系统概述抢答器的系统概述 .6 2.1 系统的主要功能功能 .6 2.2

9、系统的需求分析 .6 2.3 抢答器的工作流程 .7 2.4 抢答器的工作过程 .7 2.5 单片机最小系统控制 .9 2.6 STC89C51 特殊功能寄存器 .10 2.7 STC89C51 的功能及简介 .10 2.8 抢答器的优点及组成 .13 2.9 本章小结.13 第三章第三章 系统的总体方案设计系统的总体方案设计 .14 3.1 硬件电路的设计 .14 3.2 总体原理图 .14 3.3 时钟频率电路的设计 .15 3.4 复位电路的设计 .15 3.5 显示电路的设计 .14 3.6 键盘扫描电路的设计 .14 3.7 发声电路 .15 3.8 系统复位 .15 3.9 本章小

10、结 .15 第四章第四章 软件设计软件设计 .22 4.1 软件任务分析.22 4.2 程序流程图 .24 4.3 主要程序分析 .24 4.4 本章小结.27 第五章第五章 总结与展望总结与展望 .27 5.1 本文小结.27 5.2 心得体会.28 致致 谢谢 .41 参考文献参考文献 .42 附录附录 A A.43 第一章第一章 绪论绪论 1.1 毕业设计目的与要求 毕业设计（论文）是高等院校本科教学计划中最后一个重要的、必不可少的 教学环节，它是我们在校学习的一次全面检验、总结和提高；是我们利用所学的 理论知识解决实际工程问题的综合训练；是毕业及学位资格认证的重要依据；是 衡量高等学校

11、教育质量和办学效果的重要评价内容。因此，做好毕业设计（论文） 将为我们由学校走入社会打下良好的基础。 通过此次毕业设计，我将会达到如下要求： (1) 对课本上所学的理论知识进一步加深和巩固；学习基本理论在实践中综 合运用的经验，掌握单片机的基本知识、系统设计的基本方法、设计步骤，进一 步熟悉和掌握常用单片机模块的应用。 (2）能够熟练使用 Autium designer、Protues 等电子软件，学会运用这些 软件分析、设计和仿真电路的能力。 (3）能够熟练运用 Keil-C51 软件编写相应的程序模块。 (4）培养我们的动手实践能力、独立思考问题的能力和查阅相关资料的能力。 (5）培养学生

12、具的有一定的 Autium designer 制 PCB 图能力。 (6）了解弱电控制强电的方法，并能设计一些简单实用的电路。 (7）学习单片机系统实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧。 (8）培养严谨的思考、思维模式。 (9）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。 毕业设计（论文）是高等院校本科教学的最后一个非常重要且必不可少的部 分，是将理论知识和生产实际紧密结合的桥梁，对于增强我们综合运用所学知识， 分析和解决实际问题，提高学生的实践动手能力、创新思维能力具有不可替代的 作用。 1.2 系统分析与总体设计 本次毕业设计课题是基于 51 单片机智竞赛抢答器设计与实现 。本

13、系 统采用单片机设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按 钮。主持人有开始和结束、复位键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回 答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为 30s，回答问题时间为 60s。通过修改 程序可以调节抢答时间和回答问题时间。主持人按键开始后，选手开始抢答为有 效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。选 手抢答成功后，选手所对应的 LED 灯亮，数码管进入计时，在最后五秒扬声器发 出提示。 通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的 抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片

14、 机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个 实用的工程设计，具有创新性。 为完成此次课题项目，需要如下电路元器件和设备器材。其中电路元器件及相关 参数的需求： （1）STC89C51 实验板一块。 （2）单片机最小系统所需的 6M 晶振一个，30pF 电容两个，复位开关一个， 10uF 电解电容三个，1K 电阻一个。 （3）抢答器控制电路部分按键十四个，1K 电阻七个，蜂鸣器一个。 (4)共阳四位一体数码显示管一个。 (5)+5V 直流电压源一个。 实验所用设备器材： PC 机一台及相关软件。 示波器一台。 电烙铁、焊锡、松香等焊接材料。 最小系统是 51 单片机

15、的最基本的组成部分，51 单片机的引脚虽然只有四十， 但它有很多的扩展功能，根据相应的课题设计要求可以设计相应的外围电路。此 外，在本课题的设计过程中，还应注意 P0 口，通常 P0-P3 口用作通用 I/OK 口， 当 P0 接口用于 I/O 口时，必须接上拉电阻，而其他接口不需要。 1.3 单片机系统概述 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算 术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU） 、随机数据存储器 （RAM） 、只读存储器（ROM） 、输入/输出电路（I/O 口）等电路集成到单片芯片上， 构成一个最小而完善的计算机系统。有时还包括定时器/

16、计数器，串行通信口、 显示驱动电路（LCD 或 LED 驱动电路） 、脉宽调制电路（PWM） 、模拟多路转换器以 及 A/D 转换器等电路，并具有独立的指令系统。这些电路能在软件控制之下，准 确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。它能够单独地完成现代工业 控制系统所要求的智能化控制功能。 单片机不同于单板机，芯片在没有开发出来以前，只具有功能极其强大的超 大规模集成电路，如果再赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计 算机控制系统。单片机的使用需要用户了解其芯片的内部结构和相应的指令系统 以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所需要的理论技术。在特定的程序控 制下，就能使该芯片

17、实现特定的功能。 然而，不同单片机的硬件结构和指令系统不尽相同，即它们的技术特征也不 同，硬件特征主要和单片机芯片的内部结构有关，因此，设计人员必须熟练掌握 其性能是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标（功能特性、控制特性 和相关的电气参数特性等） ，这些信息我们可以从生产厂商的技术手册中得到。 指令特性则指我们熟悉的单片机寻址方式、数据处理和逻辑处理方法、输入/输 出特性等。开发环境包括指令的兼容性及可移植性，软、硬件资源等。要利用单 片机开发实际的应用系统，就必须掌握其硬件结构特征、指令系统和开发环境。 单片机控制系统已基本取代了以前复杂的电子线路或数字电路构成的控制系 统，用软件来

18、实现产品的智能化。现在，单片机的控制范畴无所不在，其应用领 域也越来越广泛。 单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的 是它从根本上改变了传统的控制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。 随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深入应用，人们的电子设备的小型化、 智能化的要求也越来越高。在航空航天、机械加工、工程控制、智能仪器仪表、 家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着非常重要的作用。单片机应用 技术业已成为现代电子技术应用领域十分重要的高新技术之一，是电子工程技术 人员必备的知识技能，它能使你设计出更具智能化和方便的产品。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成

19、，内部包含有计算机的基本功能部件： 中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外 部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过 1、2、3、4 代的发展，以达到了 32 位单片机，是目前单片机的 顶级产品，具有极高的运算速度。随着微电子技术和集成电子技术的不断发展， 单片机正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能方向发展。MCS-51 系列单片是 众多单片机中的一种，由于它们都是基于 8051 内核发展起来的，所以称 51 单片 机，而本次设计就是基于 51 单片机完成的。 1.4 抢答器目前存在的主要问题 随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学

20、技术、学知识的手段多 种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答 器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个 单位若专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。 而且目前多数抢答器存在 3 个不足之处3：第一，现场线路连接复杂。因为 每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。 选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低 了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二

21、，电 路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手 号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描 技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功，但出现 没有抢答被记录的问题。 1.5 本文的主要研究成果及内容安排 1.5.1 主要研究成果 经过两个多月的研究，本文主要设计并实现了基于 51 单片机智竞赛抢答器， 主要包括了有硬件电路系统和软件程序。硬件电路主要由最小系统部分、八路抢 答器控制部分，此外， P0 口作为 I/O 口时还需要上拉电阻（两个 500 欧姆的电 阻） ；软件程序主要是使用利用 Autium desig

22、ner 制作了原理图、PCB 图， Protues 进行仿真，Keil-C51 软件编写了程序。通过这次毕业设计，熟悉了单片 机的基本原理，一些简单基本的电路的设计，熟练掌握相关电子软件的使用。 1.5.2 本文内容安排 本论文章节的结构和内容如下： 第一章：绪论。简要介绍了抢答器的发展现状，说明了本课题研究的内容。 第二章：抢答器系统概述。说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了 本课题要达到的设计目标。 第三章：抢答器的硬件电路的设计。详细描述了本课题各个组成电路单元的 设计。 第四章：抢答器的软件设计，并编程序。 第五章：Proteus仿真，仿真出结果。 第六章：总结。总结课题设计，指

23、出设计中的一些问题，提出改善的意见， 并展望抢答器的未来设计。 第二章第二章 抢答器的系统概述抢答器的系统概述 2.1 系统的主要功能 本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括 8 路抢答按纽、计 时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能） 、开始与结束控制按钮、 各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能） 。 参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间 提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的 控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定 为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在

24、主控处带有公示性显示的非法抡 答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。 系统的主要功能模块方框图如图 1 所示。 STC89C51 单片机 4 位 七段 数码 管显 示 声音电路 = 8 路抢答 按键输入 复位电路 开始、结束 按键输入 时钟 图 1 系统主要功能模块 本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有 一个抢答按钮。一共有 8 个按键输入和 8 个 LED 灯，分别对应 8 路选手。 主持人有开始和结束键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题 的时间设置，原始状态下抢答时间为 30s，回答问题时间为 60s。新时间开始有效， 主

25、持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选 手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视 为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束， 新一轮抢答开始。 单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用 C 语言编写。它完成了时间参 数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。 本设计中，有一个共阳的数码管组，四个数码管。其中两个显示时间，一个 空位，一个显示抢答号码。主持人依次按下复位键（RESET） ，开始键后开始抢 答。可以抢按：超时数码管显示“000” ，当抢按超过规定时间或答题超过规定时 间

26、后数码管显示“000” 。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管 显示抢答时间的同时也显示选手号码。若在按开始键前抢答表示违规，数码管显 示“00”并显示选手号码。 2.2 系统的需求分析 1、 抢答器同时供 8 名选手或八个代表队比赛，分别用 8 个按键表示。 2、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。 3、抢答限定时间和回答问题的时间可以在 199s 设定。 4、可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。 5、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，进入倒计时后五秒时系统发出提 示音。 6、如果时间已到无人抢答则本次抢答无效，系统警报并禁止抢答，

27、数码管 上显示 000. 2.3 抢答器的工作流程 在抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同 时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内 部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中， 显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器 的工作流程分为：系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2所示，下面 分别予以介绍。 加载程序 运 行 行 开始 开始数码管显 示 000 开始抢 按时间倒计时 开始前有选手抢按 显示违例选手号 码并伴有语音报 警 倒计时结 束，超时 有选手 抢按 显示 000

28、显示选手号码，倒计 时时间,语音报警，答 题,答题时间倒计时 正常流程违规流程 若超过答题 时间，则数 码管显示 000 答题完毕 根据选手表现， 规 则由主持人减分 图2 抢答器工作流程 2.4 抢答器的工作过程 1、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 1s 键，如果想减一秒按一下“减 1s”键，时间 LED 上会显示改变后的时间，调整 范围为 099s， 0s 时再减 1s 会跳到 99，99s 时再加 1s 会变到 0s。 2、主持人按抢答开始键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设 30s

29、 抢答时间） ，如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计 时（预设 60s 抢答时间） ，不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。 倒数时间到小于 5s 会每秒响一下提示音。 3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会 自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。 4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答， LED 上不断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停，直到按下“停止” 键为止。 总而言之，本课题利用STC89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了 抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简

30、化了电路结构、节约 了成本，是一个实用的工程设计。 2.5 单片机最小控制电路 单片机最小系统是单片机系统的核心，其他的外围电路都是在最小系统的基 础上实现的。单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组 成，一般情况下，单片机系统采用外接石英晶体与内部运放组成时钟振荡器作为 系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用，为节省硬件和 统一系统的时钟信号，常采用外时钟源。单片机最小系统是单片机控制电路的核 心。 在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采 集到光信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结 果传送给相应的执行

31、电路。 单片机控制电路相关的电路原理图如图 3 所示： P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5(M OSI) 6 P1.6(M ISO) 7 P1.7(SCK) 8 RST 9 P3.0(RXD) 10 P3.1(TXD) 11 P3.2(INT0) 12 P3.3(INT1) 13 P3.4(T0) 14 P3.5(T1) 15 P3.6(WR) 16 P3.7(RD) 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 (A8)P2.0 21 (A9)P2.1 22 (A10)P2.2 23 (A11)P2.3 24 (A12)P2.4 25 (

32、A13)P2.5 26 (A14)P2.6 27 (A15)P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 (AD7)P0.7 32 (AD6)P0.6 33 (AD5)P0.5 34 (AD4)P0.4 35 (AD3)P0.3 36 (AD2)P0.2 37 (AD1)P0.1 38 (AD0)P0.0 39 VCC 40 U1 AT89S51 12 Y1 11.0592 30pF C1 30pF C2 GND VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 GND VCC P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

33、P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 RST S1 VCC 10K R15 GND 10uF C3 RST 图 3 单片机控制相关电路 2.6 STC89C51 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简 称 SFR（Special Function Register） 。特殊功能寄存器共含有 22 个不同寄存器。它 们的地址分配在 80HFFH 中，即在 RAM 地址中。这些寄存器的名称和地址见 表 2。 表 2 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符 号地 址注

34、 释 *ACCE0H累加器 *BF0H乘法寄存器 *PSWD0H程序状态字 SP81H堆栈指针 DPL82H数据存储器指针低 8 位 DPH83H数据存储器指针高 8 位 *IEA8H中断允许控制器 *IPD8H中断优先控制器 *P080H端口 0 *P190H端口 1 *P2A0H端口 2 *P3B0H端口 3 PCON87H电源控制及波特率选择 *SCON98H串行口控制器 SBUF99H串行数据缓冲器 *TCON88H定时器控制 TMOD89H定时器方式选择 TL08AH定时器 0 低 8 位 TL18BH定时器 1 低 8 位 TH08CH定时器 0 低 8 位 TH18DH定时器 1

35、 高 8 位 注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器 虽然特殊功能寄存器地址在 80HFFH 之中，但在 80HFFH 的地址单元中， 不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的， 如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。所以，用户编 程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品 时使用的。 2.7 STC89C51 功能及简介 STC 系列单片机是美国 STC 公司最新推出的一种新型 51 内核的单片机。 1）速度快，比标准的快 10 倍以上； 2）内部资源丰富： I2C、E2PROM、A/D、PWM、UART

36、 等； 3）可通过普通的 UART（串口）下载应用程序； 4）电源范围宽，功耗极低； 5）价格低廉（适合学生使用） 。 型号有： STC89Cxx、STC89CxxAD、STC12Cxx、STC12Lxx等。 STC89C51 单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部 件、中断控制部件、片内 Flash 存储器、片内 RAM、并行 I/O 接口、定时器和串 行 I/O 接口 STC89C51 是 89 系列单片机的标准型，它是与 MSC-51 系列单片机兼容的。 在内部含有 4KB 或 8KB 可重复编程的 Flash 存储器，可进行 1000 次擦写操作。 全静态工作为

37、 0-24MHZ，有 3 级程序锁存器，内部含有 128-256 字节的 RAM， 有 32 条可编程 I/O 口线，2-3 个 16 位定时/计数器，6-8 个中断源，通用的串行接 口，低电压空闲及电源下降方式。 STC89C51 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 按其功能可分为运算器和

38、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。 外部定 时元件 复位 中断 电源 系统时钟 ROM CPU 定时/计数器 串行 I/O 口 并行 I/O 口 RAM 图 4 STC89C51 单片机的内部结构图 为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一

39、些专用 寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图 4 所示。 STC89C51 的主要性能包括：STC89C51 与 MCS51 控制器系列产品兼容， 片内有 4K 可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory） ，存储器可循环 写入/擦除 1000 次；存储器数据保存时间可达 10 年；工作电压范围宽：Vcc 可由 2.7V 到 6V；全静态工作可由 0Hz 到 16MHz；程序存储器具有 3 级锁存保护； 128*8 位内部 RAM；32 条可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；中断结构具 有 5 个中断源和 2 个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲

40、状态维持低功耗 和掉电状态保存存储内容。 2.8 抢答器的优点及组成 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 STC89C51 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、声音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号；利 用存储程序来完成软件

41、的设计；利用一个 4 位七段共阳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，控制 4 位七段共阳数码管和喇叭工作。主持人按开始键开始抢答，数码管 上显示抢答时间开始倒计时，到 5 秒后蜂鸣器开始发出警报；哪组抢答成功数码 管显示组号并倒计时，答题时间设计为 60 秒，到后 5 秒发出提示，从而实现整 个抢答过程。 2.9 本章小结 本章主要讲述了抢答器的工作原理和本设计系统的工作流程。在说明工 作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；在说 明系统的流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。抢答正常

42、流程与违例流程的实现，以及如何进行抢答控制。同时也说明了抢答器的优点和 STC89C51 的功能及简介。 第三章第三章 系统的总体方案设计系统的总体方案设计 3.1 硬件电路的设计 本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时 间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。 只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终， 到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很 强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项 目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几

43、方面 7： (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 通芯片价格的总和高。 (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 为很少有一锤定音的电路设计，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 STC89C51 单片机。 (4) RAM 空间，STC89C51 内部 RAM 不多，当要增强软件数据处理功能时， 往往觉得不足。如果系统配置了外部 RAM，则建议多留一些空间。如选用

44、 8155 作 I/O 接口，就可以增强 256 字节 RAM。如果有大批数据需要处理，则应配置足 够的 RAM，如 6264，62256 等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增 加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任 何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系 统将来升级留足够的 RAM 空间，哪怕多设计一个 RAM 的插座，暂不插芯片也 好。 (5) I/O 端口：在样机研制出来后进行现场试用时，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。如有些新的信号需要采集， 就必须增加输入检测端；有些物理量需

45、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，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场 了。 3.23.2 总体原理图总体原理图 图 5 系统原理图 图中单片机为 STC89C51，K1K8 分别为 8 路抢答按键，分别接到单片机的 P1.0P1.7 中。开始按键与结束按键分别接到单片机的 24、25 脚，由于单片机的 10、11 脚既有串行接口 RXD、TXD 功能，又有 P3.0、P3.1 的 IO 端口功能，此 处按键用到单片机 10、11 脚的 IO 端口功能。10 个 LED 灯分别对应八位选手及 准备开始和开始抢答。4 位七段数码管段选 P0 口。4 位

46、七段数码管的位选接 P2 口低 3 位，蜂鸣器输出为 P3.7 口8。 3.33.3 时钟频率电路的设计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 定单片机的工作速度。时钟电路如图 6 所示。 12 Y1 11.0592 30pF C1 30pF C2 GND 图 6 外部振荡源电路 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

47、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。图中时钟频率为 6MHz，即 fosc=6MHz，则时钟周期为 1/6s。 3.4 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 7 所 示： S1 VCC 10K R15 GND 10uF C3 RST 图 7 复位电路 图 7

48、中由按键 RESET1 以及电解电容 C3、电阻 R15 构成按键及上电复位电路。 由于单片机是高电平复位，所以当按键 RESET1 按下时候，单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电， 单片机的 9 脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9 脚处于稳定 的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从 0000H 开始执行。 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

49、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。 3.5 显示电路的设计 显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提 下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。 在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包 括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不 闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态 好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实 际情况采用的是动态显示方法。 4

50、位七段数码管显示电路如图 8 所示。 E 1 D 2 DP 3 C 4 G 5 4H 6 B 7 3H 8 2H 9 F 10 A 11 1H 12 U2 SM G4 A B C D E F G 1H 2H 3H 4H DP 图 8 共阳极数码管 图 8 中数码管采用的是 4 位七段共阳数码管，其中 AH 段分别接到单片机 的 P0 口，由单片机输出的 P0 口数据来决定段码值，位选码 COM1、COM3、COM4 分别接到单片机的 P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当 前该显示的是哪一位。在图中还有八个 1K 的电阻，连接在 P0 口上，用作 P0 口 的上拉电阻，保证 P0 口没

51、有数据输出时候处于高电平状态。 4 位一体数码管，其内部段已连接好，引脚如图所示（正面朝自己，小数点 在下方） 。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。 。 。 。 。 。 。 1 a f 2 3 b 。 。 。 。 。 。 e d dp c g 4 即：12-9-8-6 为公共端，A-11 B-7 C-4 D-2 E-1 F-10 G-5 DP-3 下面是我在实验室用的一个数码管型号： ark srk 共阴极 ark srk 共阳极 3.6 键盘扫描电路的设计 键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以 在文献和书籍中找

52、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。 它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，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，而且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