基于單片機的六路搶答器設計與制作

1、畢業(yè)設計（論文）題 目： 基于51單片機的六路搶答器設計與制作 系 部： 電子信息技術系 專 業(yè)： 電子信息工程 學 號： 070306xxx 學生姓名： xxx 指導教師姓名： xx 指導教師職稱： 副教授 二一年 五 月 八 日摘 要隨著科學技術的不斷發(fā)展，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣。搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。做為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展,因此設計了本搶

2、答器。本設計是以六路搶答為基本理念?？紤]到依需設定限時回答的功能，利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。同時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可在1-99s設定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，滿時后系統(tǒng)計時自動復位及主控強制復位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。關鍵詞： AT89C51

3、 LED數(shù)碼管 搶答器 計時 報警 目 錄第一章 緒 論11.1 課題研究的相關背景11.2 選題的目的和意義11.3 課題研究的內(nèi)容11.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.5 搶答器目前存在的主要問題3第二章 搶答器的系統(tǒng)概述42.1 系統(tǒng)的主要功能42.2 系統(tǒng)需求分析52.3 搶答器的工作流程52.4 搶答器的工作過程62.5 器件選型方案及詳細清單72.6 AT89C51特殊功能寄存器72.7 AT89C51的功能及簡介82.7.1 AT89C51單片機的內(nèi)部結構圖82.7.2 AT89C51單片機92.8 搶答器的優(yōu)點及組成10第三章 系統(tǒng)總體方案的設計113.1 硬件電路的設計113.2 總

4、體原理圖123.3 時鐘頻率電路的設計123.4 復位電路的設計133.5 顯示電路的設計143.5.1 顯示模塊在系統(tǒng)軟件中的安排143.6 鍵盤掃描電路的設計163.6.1 鍵盤抖動的軟件處理173.7 發(fā)聲173.8 系統(tǒng)復位183.9 本章小結19第四章 軟件設計204.1 主程序系統(tǒng)結構圖204.2軟件任務分析204.3 程序流程圖214.4本章小結22第五章 Proteus仿真系列組圖235.1系統(tǒng)仿真圖235.1.1復位圖235.1.2設置計時時間235.1.3非法搶答并顯示座號235.1.4搶答成功并顯示倒計時245.1.5三號選手搶答成功255.2本章小結25總結26參考文獻

5、26致 謝27附錄一28附錄二34科技職業(yè)學院信息技術系 電子信息工程技術專業(yè)畢業(yè)設計第一章 緒 論1.1 課題研究的相關背景搶答器是一種應用非常廣泛的設備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(如MCS-51型)和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。本課題利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行

6、計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間和選手號碼。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。系統(tǒng)達到要求:在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可是在1-99s設定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。1.2 選題的目的和意義通過這次課程設計,掌握51單片機的原理,了解簡單多功能搶答器組成原理，初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法，提高動手能力和排除故障的能力。同時通過本課題設計與裝配、調(diào)試，提高自己的動手能力，鞏固已學的理論知識，建立單

7、片機理論和實踐的結合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法。提高動手能力和排除故障的能力。1.3 課題研究的內(nèi)容本系統(tǒng)采用模塊化設計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結束、復位鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為15s，回答問題時間為10s。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒有按下開

8、始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結束，新一輪搶答開始。通過研究并在設計驗證后發(fā)現(xiàn)，采用單片機技術設計的搶答器與目前常用的搶答器相比，首先，電路連接簡單，因為大多數(shù)功能單元都通過程序設計在單片機內(nèi)部，第二，工作性能可靠，抗千擾能力優(yōu)于目前搶答器。所以本研究是一個實用的工程設計，具有創(chuàng)新性。本論文章節(jié)的結構和內(nèi)容如下:第一章：緒論。簡要介紹了搶答器的發(fā)展現(xiàn)狀;說明了本課題研究的內(nèi)容.第二章：搶答器系統(tǒng)概述。說明了搶答器的工作過程和主要功能，并定下了本課題要達到的設計目標。第三章：搶答器的硬件電路的設計。詳細描述了本課題各個組成電路單元的設計。第四章

9、：搶答器的軟件設計，并編程序。第五章：Proteus仿真，仿真出結果。結論：總結課題設計，指出設計中的一些問題，提出改善的意見，并展望搶答器的未來設計。后其號碼只有數(shù)碼或指示燈顯示，沒有語音提示。本課題就是為了解決以上3個問題，設計了六路搶答器。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器有的電路較復雜不便于制作,可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成塊 ,而專用集成塊的購買又很困難。為適應高校等多代表隊單位活動的需要而設計一個多功能搶答器，這種搶答器具有電路簡單，元件普通 ,易于購買等優(yōu)點,很好地解決了制作者制作困難和難于

10、購買的問題。在國內(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應用。1.5 搶答器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。但目前多數(shù)搶答器存在3個不足之處:第一，現(xiàn)場線路連接復雜。因為每個選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不

11、僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。第二，電路復雜。因為單片機只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用單片機掃描技術識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大。第三，選手搶按成功。第二章 搶答器的系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)的主要功能本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設計的智能搶答器，主控與參賽者設為終端分系統(tǒng)。參賽者分系統(tǒng)設有：搶答按紐、計時顯示、提示功能等（根據(jù)需要可另設或多設相關功能）；主控分系統(tǒng)有：開始與結束控制按鈕、時限設定、各種相關顯示調(diào)控功能等（根據(jù)需要也可另設或多設相關功

12、能）。參賽者系統(tǒng)，除享有搶答按紐的權利功能外1，還有人性化的提示功能和時間提示功能，也可設定由主控控制在參賽者終端表現(xiàn)的趣味性功能等；主控系統(tǒng)的控制按鈕做開始與結束控制，根據(jù)活動參賽者的層次，對提前掄答者的行為設定為非法或阻隔，若設有非法搶答控制功能時，在主控處帶有公示性顯示的非法掄答者的臺位號，對搶答限時及回答問題限時設為倒計時式，并有公示性顯示。如圖2-1所示。 主 控 制 器初始化初始化Y YY 顯示搶答號并倒計時正常搶答 顯示非法搶答處理去抖動調(diào)整搶答時間回答時間 減一鍵按下？加一鍵按下？ 開始鍵按下？LED顯示聲生器鍵盤顯示時鐘頻率復位電路圖2-1 系統(tǒng)主要功能模塊本系統(tǒng)采用模塊化設

13、計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結束復位鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為15s，回答問題時間為10s。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結束，新一輪搶答開始。系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如2-1所示。搶答主板：搶答主板是整個搶答器的核心，其關鍵是單片機AT89C51。內(nèi)部電路設計用

14、匯編語言編寫。它完成了時間參數(shù)的設定，搶按號碼的譯碼，保存；顯示；輸出，搶按及答題倒計時功能等。顯示及指示：本設計中，有一個共陰的數(shù)碼管組，四個數(shù)碼管。其中兩個顯示時間，一個空位，一個顯示搶答號碼。主持人依次按下復位鍵（RESET），開始鍵后開始搶答?？梢該尠矗撼瑫r數(shù)碼管顯示“FFF”，當搶按超過規(guī)定時間或答題超過規(guī)定時間后數(shù)碼管顯“FFF”。若有選手在規(guī)定時間內(nèi)搶按成功，則可以答題，數(shù)碼管顯示搶答時間的同時也顯示選手號碼。若在按開始鍵前搶答表示違規(guī)，數(shù)碼管顯示“FF”并顯示選手號碼。2.2 系統(tǒng)需求分析1、在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效。2、搶答限定時間和回答問題

15、的時間可是在199s設定。3、可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示。4、搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復位。5、按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。2.3 搶答器的工作流程搶答器的基本工作原理:在搶答競賽或呼叫時2，有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器內(nèi)部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內(nèi)部的定時器開始工作，記錄有關時間并產(chǎn)生超時信號。在整個搶答器工作過程中，顯示電路、語音電路等還要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向外電路輸出相應信號。搶答器的工作流程分為、系統(tǒng)復位、正常流程、違例流程等幾部分，如圖2-2所示，下面分別予以介紹。如圖2-2所示2.4

16、 搶答器的工作過程1、如果想調(diào)節(jié)搶答時間或答題時間,按加一鍵或減一鍵進入調(diào)節(jié)狀態(tài),此時會顯示現(xiàn)在設定的搶答時間或回答時間值,如想加一秒按一下加1s鍵,如果想減一秒按一下減1s鍵，時間LED上會顯示改變后的時間，調(diào)整范圍為099s, 0s時再減1s會跳到99，99s時再加1s會變到0s。2、主持人按搶答開始鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預設15s搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進入回答倒計時（預設10s搶答時間），不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于5s會每秒響一下提示音。加載程序運 行行開始開始數(shù)碼管顯示TTT開始搶按時間倒計時開始前

17、有選手搶按顯示違例選手號碼并伴有語音報警倒計時結束，超時有選手搶按顯示TTT顯示選手號碼，倒計時時間,語音報警，答題,答題時間倒計時正常流程違規(guī)流程若超過答題時間，則數(shù)碼管顯示TTT答題完畢根據(jù)選手表現(xiàn)，規(guī)則由主持人減分圖2-2 搶答器工作流程3、如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按停止按鍵，系統(tǒng)會自動進入準備狀態(tài)，等待主持人按搶答開始進入下次搶答計時。4、如果主持人未按搶答開始鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答，LED上不斷閃爍FF和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下停止 鍵為止。總而言之，本課題利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)設計了搶答器，該搶答器增加了新功能、提高了系統(tǒng)的可

18、靠性、簡化了電路結構、節(jié)約了成本，是一個實用的工程設計。2.5 器件選型方案及詳細清單微控制器選用ATMAL公司生產(chǎn)的AT89C51，該芯片貨源充足，并且價格也比較便宜。如表2-1所示。2.6 AT89C51特殊功能寄存器特殊功能寄存器也稱專用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，簡稱SFR（Special Function Register）。特殊功能寄存器共含有22個不同寄存器。它們的地址分配在80HFFH中，即在RAM地址中。這些寄存器的名稱和地址如表2-2所示。表2-1器件選型方案的詳細清單器件名稱 規(guī)格型號 數(shù)量微處理器 AT89C51 1電阻 3WTT10K 8電容 30PF

19、3晶振 12MHZ 1按鈕 - 11反相器 - 37段數(shù)碼管 7SEG-MPX4CC 4 揚聲器 - 1 雖然特殊功能寄存器地址在80HFFH之中，但在80HFFH的地址單元中，不是所有的單元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的單元，其內(nèi)容是不確定的，如果對這些單元進行操作，得到的是一些隨機數(shù)，而寫入則無效。所以，用戶編程時不應該將數(shù)據(jù)寫入這些未確定的地址單元，它們是公司留待將來開發(fā)新產(chǎn)品時使用的。2.7 AT89C51的功能及簡介2.7.1 AT89C51單片機的內(nèi)部結構圖AT89C51單片機內(nèi)部由CPU、4KB的FPEROM ，128B的RAM，兩個16位的定時/計數(shù)器T0和T1，4個8位的

20、I/O端P0、P1、P2、P3等組成。單片微機內(nèi)部最核心的部分是CPU。CPU主要功能是產(chǎn)生各種控制信號，控制存儲器、輸入/輸出端口的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的算術運算、邏輯運算以及位操作處理等，CPU按其功能可分為運算器和控制器兩部分?？刂破饔沙绦蛴嫈?shù)器PC、指令儲存器、指令譯碼器、實時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等組成。它的功能是對來自存儲器中的指令進行譯碼，通過實時控制電路，在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部的控制信號，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。運算器由算術邏輯器部件ALU、累加器ACC、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器PSW，BCD碼運算調(diào)整電路等組成。如圖2-3所示。外部定時元件復位中斷

21、電源系統(tǒng)時鐘ROMCPU定時/計數(shù)器串行I/O口并行I/O口RAM圖2-3 AT89C51單片機的內(nèi)部結構圖為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)增加了一個通用寄存器B和一些專用寄存器，還增加了位處理邏輯電路的功能3。其內(nèi)部結構如圖2-3所示。2.7.2 AT89C51單片機AT89C51是一種低功耗、高性能的含有4KB閃速可編程電擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術制造，并且與80C51指令系統(tǒng)和引腳完成兼容。芯片上的FPEROM允許在線或采用通用的非易失存

22、儲編程器對程序存儲器重復編程。（1）AT89C51的主要性能包括：AT89C51與MCS51控制器系列產(chǎn)品兼容，片內(nèi)有4K可在線重復編程閃速電擦除存儲器（Flash Memory），存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次；存儲器數(shù)據(jù)保存時間可達10年；工作電壓范圍寬：Vcc可由2.7V到6V；全靜態(tài)工作可由0Hz到16MHz；程序存儲器具有3級鎖存保護；128*8位內(nèi)部RAM；32條可編程I/O線；兩個16位定時器/計數(shù)器；中斷結構具有5個中斷源和2個中斷優(yōu)先級；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。（2）FPEROM的編程：AT89C51的I/O口P0、P1、P2和P3除

23、具有與80C51相同的一些性能和用途外，在FPEROM編程時，P0口接收代碼字節(jié)，并在程序檢驗時輸出代碼字節(jié)，但在程序校驗時需要外部上拉負載電阻，在FPEROM編程和程序校驗期間，P1口接收低位地址字節(jié)，P2口接收高位地址字節(jié)和一些控制信號，P3口也接收一些FPEROM編程和校驗用的信號，此時ALE/PROG引腳是編程脈沖輸入（PROG）端，在FPEROM編程期間，如果選擇12V編程電壓、那么EA/Vpp引腳也允許接受12V編程電壓（Vpp）。2.8 搶答器的優(yōu)點及組成在知識比賽中，特別是做搶答題目的時候，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設計一個系統(tǒng)來完成這個任務。如果在

24、搶答中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。利用單片機系統(tǒng)來設計搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本文主要介紹了單片機搶答器設計及工作原理，以及它的實際用途。系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為核心?？刂葡到y(tǒng)的四個模塊分別為：存儲模塊、顯示模塊、語音模塊、搶答開關模塊。該搶答器系統(tǒng)通過開關電路六個按鍵輸入搶答信號；利用存儲程序來完成軟件的設計；利用一個數(shù)碼管來完成顯示功能。工作時，用按鍵通過開關電路輸入各路的搶答信號，經(jīng)單片機的處理，輸出控制信號，控制數(shù)碼管和語音芯片工作。在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題，并通過語音系統(tǒng)讀出第N組請答題，從而實現(xiàn)整

25、個搶答過程。第三章 系統(tǒng)總體方案的設計3.1 硬件電路的設計本設計分為硬件設計和軟件設計5，這兩者相互結合，不可分離；從時間上看，硬件設計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術準備充分，硬件設計的大返工是比較少的，軟件設計的任務貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設計任務，隨著集成電路技術的飛速發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設計的工作量在整個項目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設計盡可能合理，應注意以下幾方面：(1) 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，

26、并不一定比若干普通芯片價格的總和高。(2) 留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。(3) 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機，本設計采用AT89C51單片機。(4) RAM空間，AT89C51內(nèi)部RAM不多，當要增強軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部RAM，則建議多留一些空間。如選用8155作I/O接口，就可以增強256字節(jié)RAM.如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應配置足夠的RAM，如6264，62256等。隨著軟件設計水平的提高，往往只要改變或增加軟件中

27、的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設計初期考慮到這一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留足夠的RAM空間，哪怕多設計一個RAM的插座，暫不插芯片也好。(5) I/O端口：在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些I/O端口，雖然當時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。3.2 總體原理圖圖3-1系統(tǒng)原理圖P1.0為開始搶答9，P1.7為停止，P1.1-P1.6為六路搶答輸

28、入，數(shù)碼管段選P0口，位選P2口低3位，蜂鳴器輸出為P3.6口。P3.2為時間加1調(diào)整，P3.3為時間減1調(diào)整。3.3 時鐘頻率電路的設計單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作.在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路,只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元,決定單片機的工作速度。如圖3-2所示。圖3-2為外部振蕩源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,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。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)。C1,C2的典型值為30

29、PF。單片機在工作時,由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù),常用fosc表示。如時鐘頻率為12MHz,即fosc=12MHz,則時鐘周期為1/12s。3.4 復位電路的設計單片機的第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)復位,復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖3-3所示。圖3-3復位電路值得注意的是,在設計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能,由上面的硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值,而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能,該功能的實現(xiàn)的前提條件

30、就是不能對單片機進行硬件復位,所以設定了軟復位功能。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。3.5 顯示電路的設計顯示功能與硬件關系極大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。3.5.1 顯示模塊在系統(tǒng)軟件中的安排操作者主要設計從顯示設備上獲取微機系統(tǒng)的信息的，因此，操作者每操作一下，顯示設備商都應該有一定的反應。這說明，顯示模塊與操作有關，即監(jiān)控程序是需要調(diào)用顯示模塊。不同的操作需要顯示不同的內(nèi)容，這又說明各執(zhí)行模塊對顯示模塊的驅(qū)動方式是不同的。另一方面，在操作者沒有進行操作時，顯示內(nèi)容也是變化的

31、，如顯示現(xiàn)場各物理量的變化情況。這時顯示模塊不是由操作者通過命令鍵來驅(qū)動，而是由各類自動執(zhí)行的功能模塊來驅(qū)動。自動執(zhí)行的各類模塊在安排在各種中斷子程序中，這就是說，各種中斷子程序也要調(diào)用顯示模塊。如果監(jiān)控安排在中斷子程序中，兩者的要求就統(tǒng)一了，問題比較好解決，如果監(jiān)控程序安排在主程序中，在監(jiān)控程序調(diào)用顯示模塊的過程中發(fā)生了中斷，中斷子程序也調(diào)用顯示模塊，這時就容易出問題。一種比較妥善的辦法是只讓一處調(diào)用顯示模塊，其他各處均不得直接調(diào)用顯示模塊，但有權申請顯示。這就要設置一個顯示申請標志，當某模塊需要顯示時，將申請標志置位，同時設定有關顯示內(nèi)容（或指針）。由于一處調(diào)用顯示模塊，故不會發(fā)生沖突。為

32、了使顯示模塊能及時反應系統(tǒng)需要，應將顯示模塊安排在一個重復執(zhí)行的循環(huán)（如監(jiān)控循環(huán)或時鐘中斷子程序）中。當監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序）安排在時鐘中斷子程序中時，處理比較方便，只要在監(jiān)控程序的匯合處調(diào)用顯示模塊就可以了。例如用DISP作顯示申請標志，就可以這樣安排顯示模塊的調(diào)用，即DISP BIT 2DH.4 ；顯示申請標志SKEYEND: JNB DISP,RETI0 ；有顯示申請否？ LCALL DISPLAY ；調(diào)用顯示模塊，更新顯示內(nèi)容 CLR DISP ；清除申請 RETI ；中斷返回KEYEND為鍵盤解釋程序的最后匯集點，這時如果發(fā)現(xiàn)有顯示申請，就進行集中操作，更新顯示內(nèi)容，否則就跳過這一

33、步。這里將顯示功能集中到一起，作為一個功能模塊，就要求它的功能全面，能根據(jù)系統(tǒng)軟件提供的信息自動完成顯示內(nèi)容的查找，變換和輸出驅(qū)動。這樣設計使得各功能模塊都不必考慮顯示問題，只要給出一個簡單的信息（如顯示格式編碼）甚至不用再提供額外信息，直接利用當前狀態(tài)變量和軟件標志就可以完成所需的顯示要求。如果編寫這樣一個集中顯示模塊有困難，也可以將顯示模塊編小一些，只完成顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容輸出到顯示器件上的工作。這時各功能模塊在提出顯示申請時，還需要將顯示內(nèi)容按需要的格式送入顯示緩沖區(qū)中。這樣分而治之比較容易編程，但要小心出現(xiàn)顯示混亂。例如后臺程序需要調(diào)用顯示，將有關信息送入到現(xiàn)實緩沖區(qū)進行顯示；中斷返回后

34、，后臺程序繼續(xù)送完后半部分顯示內(nèi)容，但前半部分內(nèi)容已經(jīng)變了，這樣就出現(xiàn)了顯示錯誤。解決的辦法是，在申請顯示前，先檢查是否已經(jīng)有顯示申請，如果有，就不再申請，等待下次機會；如果沒有，則先申請標志位，再將顯示內(nèi)容送入顯示緩沖區(qū)。這時就不必擔心其他前臺模塊來打擾了，就可以得到一次完整的顯示機會。在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示6上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法。并通

35、過查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來，其中P0口為字型碼輸入端，P2口低3位為字選段輸入端。在這里我們通過查表將字型碼送給7段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，如圖3-4所示 。MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR ；查字型碼 MOV P2,#01H ；送位選碼 MOV P0,A ；送字型碼ACALL DELAY ；調(diào)延時，去閃爍圖3-4共陰極數(shù)碼管在七段數(shù)碼管顯示中可分為共陽極和共陰極兩種類型極。以共陰為例，要想a段亮，向a段送1就是，返之送0，共陽剛好相反。3.6 鍵盤掃描電路的設計鍵盤是人與微機系統(tǒng)打交道的主要設備。關于鍵盤硬件電路的設計方法也可以在文獻和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍

36、中一般也提供了相應的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當前時刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。如圖3-5所示。圖3-5獨立鍵盤它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺” 現(xiàn)象。這里

37、采用最常用的方法，即延時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們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(這里我們?nèi)?0ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效。3.6.1 鍵盤抖動的軟件處理按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這是觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會引起按鍵命令的錯誤執(zhí)行或重復執(zhí)行?，F(xiàn)在一般均用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于5ms，例如取10-20ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可

38、直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。3.7 發(fā)聲我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲7，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若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)，使喇叭發(fā)出不同的聲音。3.8 系統(tǒng)復位使CPU進入初始狀態(tài)，從0000H地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復位。從實現(xiàn)系統(tǒng)復位的方法來看，系統(tǒng)復位可分為硬件復位和軟件復位。硬件復位必須通過CPU外部的硬件電路給CPU的R

39、ESET端加上足夠時間的高電位才能實現(xiàn)。上電復位，人工按鈕復位和硬件看門狗復位均為硬件復位。硬件復位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。但是，硬件復位還能自動清除中斷激活標志，使中斷系統(tǒng)能夠正常工作，這樣一個事實卻容易為不少編碼人員所忽視。軟件復位就是用一系列指令來模擬硬件復位功能，最后通過轉(zhuǎn)移指令使程序從0000H地址開始執(zhí)行。對各專用寄存器的復位操作是容易的，也沒有必要完全模擬，可根據(jù)實際需要去主程序初始化過程中完成。而對中斷激活標志的清除工作常被遺忘，因為它沒有明確的位地址可供編程。有的編程人員用020000（LJMP 0000H）作為軟件陷阱，認為直接轉(zhuǎn)

40、向0000H地址就完成了軟件復位，就是這類錯誤的典型代表。軟件復位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進行的工作，這時程序出錯完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標志已置位，它將阻止同級中斷響應。由于軟件看門是高級中斷，它將阻止說要中斷響應，由此可見清除中斷激活標志的重要性。在所有的指令中，只有RETI指令能夠清除中斷激活標志。前文各處提案到的出錯處理程序ERR主要完成這一功能，其他的善后工作交由復位后的系統(tǒng)去完成。這部分程序如下：POWER DATA 67H ；上電標志存放單元 ERR: CLR EA ；關中斷 MOV DPTR,#ERR1 ；準備返回地址PUSH DPLPUSH DPHRET

41、I ；清除高級中斷激活標志ERR1: MOV POWER,#0AAH；重建上電標志 CLR A ；準備復位地址 PUSH ACC ；壓入復位地址0000HPUSH ACCRETI ；清除低級中斷激活標志，從程序0000H開始執(zhí)行。這段程序先關中斷，以便后續(xù)處理能順利進行，然后用兩個RETI指令代替兩個LJMP指令，從而清除了兩級中斷激活標志。有相應軟件陷阱捕捉來的程序可能沒有全部激活兩個標志，這也無妨。3.9 本章小結本章詳細講述了以AT89C51為核心元件的搶答器的硬件電路具體設計過程，分析了具體電路。在設計過程中，實現(xiàn)搶答功能的是通過編寫程序的方法集成在AT89C51內(nèi)部。接著將程序下載到

42、硬件電路中，配合周邊的時鐘電路，復位電路等，制作出符合設計要求的搶答器。第四章 軟件設計4.1 主程序系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)初始化模塊按鍵模塊非法搶答模塊正確搶答模塊調(diào)整搶答時間調(diào)整回答時間模塊數(shù)碼顯示模塊圖4-1軟件系統(tǒng)結構圖4.2軟件任務分析軟件任務分析和硬件電路設計結合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印8，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當

43、組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變?nèi)f化。軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結構。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難了。軟件任務分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺

44、程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。4.3 程序流程圖在本設計中包括了以下八個主要的程序：主程序；非法搶答序；搶答時間調(diào)整程序；回答時間調(diào)整程序；倒計時程序；正常搶答處理程序；犯規(guī)處理程序；顯示及發(fā)聲程序9。主流程圖如4-2所示。顯示FFF 開始鍵按下？加一鍵按下？減一鍵按下？回答時

45、間 調(diào)整搶答時間去抖動非法搶答處理顯示犯規(guī)正常搶答 顯示搶答號并倒計時Y YY 初始化初始化Y YY 顯示搶答號并倒計時正常搶答 顯示非法搶答處理去抖動調(diào)整搶答時間回答時間 減一鍵按下？加一鍵按下？ 開始鍵按下？LED顯示圖4-2 程序設計流程圖4.4本章小結本章是搶答器的軟件設計，實現(xiàn)搶答功能主要是通過編寫程序的方法集成在AT89C51內(nèi)部。將程序下載到硬件電路中，實現(xiàn)搶答功能。第五章 Proteus仿真系列組圖5.1系統(tǒng)仿真圖5.1.1復位圖圖5-1 復位顯示三個FFF5.1.2設置計時時間圖 5-2計時時間為17秒5.1.3非法搶答并顯示座號圖5-3 三號選手非法搶答5.1.4搶答成功并

46、顯示倒計時圖 5-4六號選手搶5.1.5三號選手搶答成功圖5-5 三號選手搶答5.2本章小結本章是搶答器的系統(tǒng)仿真部分，并對搶答器的各個流程做出了具體仿真結果。從仿真圖上可以進一步得出結論：利用單片機設計的搶答器工作性能穩(wěn)定，延遲時間小，電路結構簡單，是一個實用、創(chuàng)新性的電路設計。35總結本文研究與設計的六路多功能搶答器采用了通用的電子元器件，利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。計分接收的單片機部分利用匯編語言編寫。設計時，首先通過在線編程，然后具體安裝

47、，仿真，完全實現(xiàn)了設計功能。本設計中，利用常規(guī)的單片機掃描識別的方法。通過硬件電路的具體應用和系統(tǒng)的仿真研究得出，本設計不僅安裝簡單、成本低，更重要的是工作性能穩(wěn)定，是一個實用、創(chuàng)新型的工程設計。由于采用匯編語言設計電路，所以本設計在編程成功后，硬件電路基本上不需要調(diào)試就可正常使用。即使在設計完畢交給用戶使用后，對系統(tǒng)的功能改進或升級也只是通過改寫程序來完成，極大地方便了用戶或設計者對電路更新。參考文獻1 朱宇光 單片機應用新技術 電子工業(yè)出版社2 余發(fā)山 單片機原理及應用技術 中國礦業(yè)大學出版社 20033 鄭有正 單片機原理及應用 四川大學出版社4 楊剛、龍海燕等 現(xiàn)代電子技術 電子工業(yè)出

48、版社 20045 冀振燕 LJML系統(tǒng)分析設計與應用案例 人民郵電出版社 20036 王文峰 數(shù)碼顯示六路搶答器的設計 井岡山師范學院學報 2000年05期 20-217 陳越等 ISD全系列單片語音錄放電路設計與應用 電子工業(yè)8 楊曉輝、張彤、姜俊海、智能搶答器的設計與制作 長春大學學報 2000年06期 24-259 沈慶陽、郭庭吉 8051單片機實踐與應用 清華大學出版社10 楊凌霄 微型計算機原理及應用 中國礦業(yè)大學出版社 2004致 謝本課程設計是在我的指導老師XX老師的親切關懷和細心指導下完成的，在設計過程中，自始至終凝聚著導師的心血。在課題進行當中，還得到了其他老師，任教授等的細

49、心指導和諸多幫助。他們的無私幫助和耐心指導也是我得以完成本課題的關鍵。再此我向他們表示由衷的感謝和深切的問候。此間我還得到了同學等諸多指導，再此表示感謝。我還要感謝我的一些同學，他們在我最需要幫助的時候無私的伸出了援助之手，在此，對于他們無私的幫助我表示深深的感謝?？梢哉f如果沒有他們的幫助我就不可能順利的按時完成畢業(yè)設計。真誠的感謝所有的幫助過我的老師們，同學們和朋友們。感謝對本設計進行評審的老師們，感謝你們給我提出的寶貴意見和建議。附錄一源程序代碼OK EQU 20H;搶答開始標志位 RING EQU 22H;響鈴標志位 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP

50、INT0SUB ORG 000BH AJMP T0INT ORG 0013H AJMP INT1SUB ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040HMAIN: MOV R1,#0FH MOV R2,#0AH MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0F0H MOV TL0,#0FFH MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H;50ms為一次溢出中斷 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB EX0 SETB EX1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0;=查詢程序=START: MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH MOV R3,#0BH ACALL DISPLAY JB P1.0,NEXT ACALL DELAY JB P1.0,NEXT;