搶答器系統(tǒng)設計(共16頁)

1、Hebei Normal University of Science & Technology專業(yè):電氣工程及其自動化學號： 0413160222 單片機原理及應用課程設計題 目： 搶答器系統(tǒng)設計 院（系、部）： 機電工程學院 指 導 老 師： 馬繼偉 張麗紅 學 生 姓 名： 楊 曼 2018年10月19日目錄摘 要11引言22數(shù)字搶答器設計要求及方案22.1設計任務與要求22.1.1基本要求22.1.2發(fā)揮部分22.2設計方案22.2.1方案一22.2.2方案二23單片機芯片選取34硬件系統(tǒng)設計34.1外部振蕩電路的設計34.2復位電路的設計44.3顯示電路的設計44.4按鈕輸入電

2、路的設計54.5聲音提示電路的設計64.6LED顯示燈的設計65軟件系統(tǒng)設計及仿真電路65.1搶答器主程序65.2仿真電路7總結8參考文獻8附錄1 電路原理圖9附錄2 源程序10摘 要該搶答器由外部振蕩電路、復位電路、顯示電路、按鍵輸入電路、聲音提示電路、LED顯示燈電路以及軟件編程組成。軟件程序編寫倒計時時間20秒，按下啟停建，系統(tǒng)開始倒計時。若有人搶答，則倒計時停止，蜂鳴器響，對應LED燈亮，主持人按下RESET即可恢復開機狀態(tài)；若無人搶答，則此輪搶答作廢，倒計時到0后自動恢復開機狀態(tài)1。關鍵字： 搶答電路 倒計時電路 顯示電路141 引言 學校、電視節(jié)目等舉辦的各種各樣的智力競賽都會用到

3、搶答器。目前市場上已有很多類型的競賽搶答器，但其中絕大多數(shù)是早期設計的，采用模擬電路、數(shù)字電路或者 模數(shù)混合電路的產(chǎn)品。這搶答器已相當成熟，但是隨著功能增多，電路也越復雜，并且成本偏高，故障率高，顯示方式簡單或者沒有，無法準確判斷搶按按鈕的行為，也不便于參數(shù)調(diào)節(jié)及功能的升級換代。近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機、CPLD、PLC的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)的控制檢測技術的不斷更新。本設計就是利用單片機作為核心部件進行邏輯控制及信號的產(chǎn)生。2 數(shù)字搶答器設計要求及方案2.1 設計任務與要求2.1.1 基本要求（1） 給主持人設置一個開關，用來控制系統(tǒng)的重啟（編號顯示數(shù)碼管重置初始時間）

4、和搶答器的倒計時開始。（2） 搶答器顯示和倒計時的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答器按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼上顯示選手的編號，同時揚聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。2.1.2 發(fā)揮部分 （1） 搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設定（如20秒）。當節(jié)目主持人啟動“開始”鍵后，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯示。（2） 參加選手在設定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。（3） 如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，系統(tǒng)自動回復到初始倒計時時間，并封鎖輸入電路，禁

5、止選手超時后搶答。2.2 設計方案2.2.1 方案一通過純電子器件搭建電路實現(xiàn)，如優(yōu)先編碼器、鎖存器、555定時器、譯碼器等。純電子器件實現(xiàn)，沒有軟件參與，調(diào)試簡單，但是不利于擴展和修改，而且電路結構復雜，調(diào)試困難，電子期間管教很多，搭建起來費時費力，焊接容易出錯。2.2.2 方案二單片機實現(xiàn)。單片機體積小價格低，應用方便，穩(wěn)定可靠。它將很多任務交給了軟件編程去實現(xiàn)，大大簡化了外圍硬件電路，使外圍電路的實現(xiàn)簡單方便。由于單片機本身不具有軟件編譯測試的功能，需要借助其他軟件編譯，將編譯好的程序加入單片機內(nèi)。3 單片機芯片選取單片機選用的是STC89C51，它是一種低功效、高性能CMOS8位微控制

6、器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。它還具有一個看門狗（WDT）定時/計數(shù)器。如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統(tǒng)復位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機

7、復位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護你的硬件電路。STC89S51有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中端口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。(1) 單片機管腳說明：圖 1 STC89C51管腳圖(2) 引腳功能P2.4：RXD（串行口輸入），蜂鳴器報警P2.5：TXD（串行口輸出），警示燈報警P2.6：INT0（外部中斷0輸入），用于倒計時 P2.7：軟件復位P0.0P0.7：數(shù)碼管段

8、選 P2.0P2.3：數(shù)碼管位選 P1.0P1.7：按鈕搶答功能鍵RST：系統(tǒng)復位端XTAL1，XTAL2：振蕩電路24 硬件系統(tǒng)設計4.1 外部振蕩電路的設計圖 2 外部振蕩電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率為11.0592Hz。電路中兩個電容 C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。4.2 復位電路的設計在方案中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能，由上面的硬件復位可使寄存器及存儲器的值都恢復到初始值。倒計時需要有記憶功能，該功能實現(xiàn)的前提條件是不能對單片機進行硬

9、件復位，所以設定軟復位功能。軟復位實際上就是當程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。圖 3 主持人按鍵圖 4 系統(tǒng)復位單片機的第9腳RST為硬件復位端，只要將該端持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)系統(tǒng)復位，系統(tǒng)復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)。4.3 顯示電路的設計圖 5 七段數(shù)碼管的段排列和內(nèi)部結構譯碼器的邏輯功能是將每一個輸入的二進制代碼譯成對應的輸出高、低電平信號，是編碼器的反操作。數(shù)碼管可以用TTL或CMOS集成電路直接驅(qū)動，所以使用譯碼器將BCD編碼譯成數(shù)碼管所需要的驅(qū)動信號，以便使數(shù)碼管用十進制數(shù)字顯示出BCD編碼表示的數(shù)值3。圖 6 74L

10、S245點亮顯示器分為靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種方法。靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或是截止。例如，其段數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、導通，g截止，則顯示0.這對這種顯示方式每一位都要有一個8位輸出口控制，所占硬件較多，一般用于顯示位數(shù)較少（很少）的場合。當位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的I/O過多，一般采用動態(tài)顯示方法。74LS245常用來驅(qū)動LED或者其他的設備，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。當8051單片機的P0口總線負載達到或超過P0最大負載能力時，必須接入74LS245等總線驅(qū)動器。當片選端/CE低電平有效時，DIR=“0”，信號由 B 向

11、A 傳輸（接收）； 圖 7 74HC573DIR=“1”，信號由 A 向 B 傳輸（發(fā)送）；當CE為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。74HC573的八個鎖存器都是透明的D型鎖存器，當使能（G）為高時，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。顯示電路使用了七段數(shù)碼管7SEG-MPX4-CC，屬于共陰極的，由高電平點亮 4 。圖 8

12、 顯示電路顯示電路如下圖：4.4 按鈕輸入電路的設計利用8個常開按鈕開關K1K8構成搶答器的輸入電路。K1K8為自復式常開按鈕開關，分別作為8位搶答按鈕。當程序執(zhí)行時，按下按鍵，七段數(shù)碼管顯示器上即顯示相應的號碼，且對應的LED燈亮起。圖 9 按鍵輸入電路按鍵輸入電路如右圖。這些常開開關組成了搶答按鍵，硬件電路簡單，在程序設計上也不復雜，只要在程序中消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象就可以了。這里采用最常用的方法即延時法，其原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而按鍵的時間一般遠遠大于這個時間，所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間后再判斷此電平是否保持原狀態(tài)，如果是則為有

13、效按鍵，否則無效4。 圖 10 聲音提示電路4.5 聲音提示電路的設計這里能利用程序來控制單片機P2.5口線反復輸出高電平或低電平，即在該口線上產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上揚聲器就能發(fā)出一定頻率的聲音，再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調(diào)，使揚聲器發(fā)出不同的聲音 1 。4.6 LED顯示燈的設計圖 11 LED顯示燈電路開機狀態(tài)下，LED燈按照流水燈樣式從D1D8循環(huán)流動。開啟鍵按下，開始倒計時，流水燈全滅。當有選手按下?lián)尨疰I時，對應的LED燈亮起。當主持人按下軟件復位鍵時，LED燈恢復流水燈流動樣式5。5 軟件系統(tǒng)設計及仿真電路5.1 搶答器主程序開始開

14、機狀態(tài)，流水燈流動，數(shù)碼管顯示“0-20”啟停鍵是否按下啟動中斷，數(shù)碼管開始計時20秒，流水燈全滅是否有選手搶答中斷停止，數(shù)碼管顯示選手標號以及選中時間，對應LED燈亮結束NY主持人按鍵是否按下YNYN圖 12 搶答器主程序流程框圖本設計通過使用STC89C51芯片以及其他元器件實現(xiàn)了搶答器倒計時搶答的全過程。本設計分為外部振蕩電路、復位電路、顯示電路、按鈕輸入電路、報警電路和LED顯示燈電路。5.2 仿真電路圖 13 開機狀態(tài)開機狀態(tài)，顯示器顯示“0-20”，流水燈流動。圖 14 4號搶答，顯示器顯示“4-17”，4號燈亮有選手搶答時，例如4號按下：總結本設計通過使用STC89C51芯片以及

15、其他元器件實現(xiàn)了搶答器倒計時搶答的全過程。本設計分為外部振蕩電路、復位電路、顯示電路、按鈕輸入電路、報警電路和LED顯示燈電路。接通電源系統(tǒng)置于開機狀態(tài)，顯示“0-20”，同時LED顯示燈按流水燈樣式從D1D8循環(huán)流動。按下開始鍵（START-STOP）時，流水燈全滅，數(shù)碼管開始倒計時，當有選手按下?lián)尨疰I（K1K8）時，倒計時暫停，數(shù)碼管第一位顯示選手號碼，后兩位顯示暫停時間，選手對應的LED顯示燈（D1D8）亮起，同時蜂鳴器響起。主持人按下軟件復位鍵（HOST-RESET），數(shù)碼管恢復到“0-20”，LED顯示燈再次按流水燈樣式從D1D8循環(huán)流動起來，蜂鳴器不響。一輪搶答結束。若無人搶答時，

16、數(shù)碼管倒計時到0，自動恢復“0-20”，此時LED燈全滅。一輪搶答結束。參考文獻1 馮育長.單片機系統(tǒng)設計與實例分析M.西安電子科技大學出版社，2007：86-89；2 李朝青.單片機原理及接口技術（第3版）M.北京：北京航空航天大學出版社，2002：21-24，289-290；3 郭培源.電子電路及電子器件M.高等教育出版社，2003：228-234，235-245；4 郭天祥.新概念51單片機C語言教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2012：58-64，79-85； 5 彭偉.單片機C語言程序設計實例100例M.北極：電子工業(yè)出版社，2012：37-41.附錄1 電路原理圖附錄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

22、g)key2_flag=1;P3=0xfd;num=2;number_display=num;elsekey2_flag=0;num=0;if(key3=0)delay(8);if(key3=0)&&(!key3_flag)key3_flag=1;P3=0xfb;num=3;number_display=num;elsekey3_flag=0;num=0;if(key4=0)delay(8);if(key4=0)&&(!key4_flag)key4_flag=1;P3=0xf7;num=4;number_display=num;elsekey4_flag=0;n

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