51单片机八路抢答器.docx

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51单片机八路抢答器

51单片机

八路抢答器计课程设计

设计题目：

八路抢答器

学院系别：

电气工程学院

班级：

电气1001

设计学生：

xxxx

指导老师：

xxx

设计时间：

2012年6月4日-6月10日

摘要

抢答器是一种常见的电子产品，尤其是在各类智力竞猜中，为了实现选手的公平性，性能优良的抢答器往往更能得到各单位的青睐。

这里通过两种设计方案的对比，最终选定了用单片机实现抢答器电路。

由于单片机具有可编程定时器和中断设备，便于实现编程和时间的精确控制。

所用方案电路结构简单，易于实现，它用4个七段数码管来显示，且具有简单精准的报警电路。

所选方案的一个很重要的特点在于具有灵活性，主持人可以根据题目难易进行时间设定，这样进一步保证了公平性。

由于它具有成本低廉，结构简单，且性能优良的诸多优点，必定会得到广泛的应用。

关键词：

抢答器，单片机，七段数码管，时间设定

一方案的概述

1.1设计容与要求

1.1.1设计容

1设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。

2给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。

3抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

4用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路，画出各单元电路图和总体逻辑框图，正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图以与写出设计总结报告

1.1.2设计要求

1、如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节"键或"答题时间调节"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"-1s"键，时间LED上会显示改变后的时间，调整围为0s~99s,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。

5、P3.0为开始抢答，P3.1为停止，p1.0-p1.7为八路抢答输入数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。

P3.2抢答时间调整整，P3.3回答时间调整，P3.4为时间加1调整，P3.5为时间减1调整。

6、当参赛选手在回答问题时要求使用锦囊，则主持人按下抢答开始键，计时重新开始。

1.2设计方框图

如图（1-1）所示为八路智力抢答器设计的物理模块划分如下：

图1-1设计物理框图

通过主持人的相关操作（包括开始、停止、调时、锦囊使用等），以与选手的抢答，显示模块与语音模块应能迅速做出正确回应。

如主持人按下开始，语音模块立刻给以语音提示，显示模块立刻显示抢答倒计时；当有选手抢答，显示模块应马上显示最先抢答的选手号，并进入答题倒计时…而这一切，都有赖于本设计的核心模块—51单片机来控制。

通过一系列的汇编程序，来控制、实现相应的逻辑功能。

本设计部分的较为复杂的逻辑控制，都是用相应的汇编程来控制实现的。

根据相应的设计要求，对本设计可作如下分析：

1、由设计要求1，本设计应具有抢答时间调整和回答时间调整程序，并由相应引脚来控制：

P3.2抢答时间调整，P3.3回答时间调整，P3.4为加1s，P3.5为减1s；

2、根据设计要求2，本设计应具有抢答、回答倒计时功能，即倒计时程序。

通过查询开始键的状态来决定是否进入抢答倒计时，开始键按下后有人抢答便立即进入回答倒计时，倒计时小于5s时，调用发声程序；

3、程序中应不断查询"停止"键的状态，一旦其按下，应立即退出，并进入查询程序（用来查询开始键与八路抢答键的状态）；

4、为使本设计具有锦囊功能，在回答倒计时过程中，若按下开始键，回答倒计时重新开始。

1.3抢答器的程序流程

本设计采用P3.2、P3.3分别接抢答时间调节和答题时间调节按钮，即通过外部中断0、外部中断1分别控制抢答、答题时间的调整。

因此，设计的软件部分可分为工作模块、外部中断0模块、外部中断1模块。

对流程图的分析，也分三部分来介绍。

（1）工作时（非调节时间时）的流程

平时正常工作时，程序的流程图绘制如图1-2：

对工作流程图中的某些部分解释如下：

初始化部分：

包括对定时计数器的工作方式、初始化数值的设置，还包括对抢答时间与答题时间的预设，另外，还应对外部中断0、外部中断1进行开放。

抢答倒计时、回答倒计时部分：

由于二者功能的相似性，本设计将二者在一个子程序——倒计时程序中一起编写。

犯规程序部分：

包括对犯规选手号的显示、报警器的间断工作。

另外，由于在设计要求主持人能随时对工作过程终止，因此，要不断查询停止键的状态，一旦按下，便回到初始化后的状态；在倒计时过程中还要不断将与5S比较，当小于5S时，还需调用发声程序；小于5S后，又需要不断将与0较，当其等于零时，立即返回。

图1-2工作流程图

（2）外部中断0（抢答时间调整）流程

外部中断0（抢答时间调整）的流程图见图1-3：

图1-3INT0流程图

一旦因P3.2对应键的按下，便进入INT0中断过程。

通过不断对P3.4（加1s）和P3.5（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间进行调整：

发现P3.4按下，就对原抢答时间加1s,发现P3.5下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。

根据设计要求，当加至99s时，若再加1s，则时间变为0；当减至0s后，若再减一秒，时间变为99s。

因此，流程中应该对当前时间于99s或0s比较，再作出相应处理。

另外，在中断过程中还需要不时对停止按钮进行查询，一旦发现其按下，立即中断返回。

由于本中断过程在返回前一直是循环执行的，因此，只需要在每次循环末查询一次即可，如流程图所示

（3）外部中断1（答题时间调整）流程

外部中断1（答题时间调整）流程与外部中断1流程小异。

其程序流程参见图1-4：

与抢答时间调整类似，一旦因P3.3对应的按钮按下，便进入INT1中断过程。

通过不断对P3.4（加1s）和P3.5（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间进行调整：

发现P3.4按下，就对原抢答时间加1s,发现P3.5下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。

当加至99s时，若再加1s，则时间变为0；当减至0s后，若再减一秒，时间变为99s。

因此，流程中应该对当前时间于99s或0s比较，再作出相应处理。

同上，在中断过程中，也还需要不时对停止按钮进行查询，一旦发现其按下，立即中断返回。

图1-4INT1流程图

二抢答器单元设计与其说明

2.1主要芯片的介绍

AT89SC52的引脚图如图2-1所示

图2-1AT89SC52芯片引脚图

1）主要性能

本方案所使用的主要芯片是AT89SC52，它与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

2）功能特性描述

At89sc52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89SC52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52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，片晶振与时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

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。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。

3）P0、P1口介绍

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

　P1口：

P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

　　与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2-1

表2-1P1.0P2.0引脚功能特性

4）本方案中用到的一些引脚介绍

XTAL1：

振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

特殊功能寄存器：

在AT89C52片存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE）。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。

定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON,T2MOD，寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。

2.2程序流程图

图2-2程序流程图

2.3MAX7219

2.3.1MAX7219引脚说明

引脚说明见表2-2

表2-2MAX7219引脚说明

引脚号

名称

功能说明

1

Din

串行数据输入端在CLK的上升沿数据被锁入芯片部16位移位寄存器。

2．3．5～8.10.11

DIG0～DIG7

8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流。

4．9

GND

地线（两个GND必须连在一起）。

12

Load

锁入输入的数据在Load上升沿最后的16位串行数据被锁入。

13

CLK

时钟输入，最高时钟频率为10MHZ，在CLK的上升沿数据被锁入部移位寄存器，在CLK的下降沿，数据从Dout脚被输出。

14～1720～23

SegA～SegG.DP

7段驱动和小数点驱动

18

Iset

该脚通过一个电阻与V+相连，设置峰值段电流。

19

V+

电源电压，+5V。

24

Dout

串行数据输出。

输入到Din的数据在16.5个时钟周期后在Dout脚发出，该脚用于与级联扩展

2.3.2基本的工作方法

MAX7219与8031单片机连接采用三线串行接口，典型应用电路如表2-3所示。

Y&Fe

N;y-jGuest

表2-316位数据包的数据格式如下：

D0～D7

D8～D11

D12

D13

D14

D15

LSBDATAMSB

ADDRESS

ⅹ

ⅹ

ⅹ

ⅹ

D7~D0：

8位数据位，D7最高位，D0最低位；

D11~D8：

4位地址位；

D15~D12：

无关位，通常全取1。

MAX7219通过D11～D84位地址位译码，可寻址14个部寄存器，分别是8个LED显示位寄存器，5个控制寄存器和1个空操作寄存器。

LED显示寄存器由部8×8静态RAM构成，操作者可直接对位寄存器进行个别寻址，以刷新和保持数据，只要V＋超过2V（一般为＋5V）。

ay6i/e8G（rW0n~Guest控制寄存器包括：

译码模式，显示亮度调节，扫描限制（选择扫描位数），关断和显示测试寄存器。

EETOP专业博客---电子工程师自己的家园1w}m0@-?

7B`-v&{LtPGueste（|o'x*U`）vGuestMAX7219的驱动程序首先必须对5个控制寄存器（地址分配见表2-4）初始设置即初始化，各控制寄存器设置含义如下：

译码模式选择寄存器（地址=F9H）；

5G）sJ'wGm+C[GuestEETOP专业博客---电子工程师自己的家园\xG/U9Y3O|共有4种译码模式供选择，当数据位全0时选择“非译码方式”。

在此方式下，8个数据位分别一一对应7个段和小数点。

通常选择此方式。

1Qe

{b#kqGuestk5{4q6Y+vGuest扫描限制寄存器：

地址＝FBH；用于设置显示的LED个数（1～8），当D2D1D0＝111、D7D6D5D4D3无关时，可接8个LED管。

EETOP专业博客---电子工程师自己的家园9rB3}Dw#Y0X亮度调节寄存器：

地址＝FAH；CB!

iaerp-qGuest共有16级选择，用于LED显示亮度的强弱设置。

EETOP专业博客---电子工程师自己的家园9^9lia（}8D$hw^关断模式寄存器：

地址＝FCH；EETOP专业博客---电子工程师自己的家园K_*{aV@SI有两种模式选择：

一种是关断状态模式（D0＝0）；一种是正常操作状态（D0＝1），通常选择正常操作状态。

EETOP专业博客---电子工程师自己的家园bj@A|}Q显示测试寄存器：

地址＝FFH；有两种选择用于设置LED是测试状态还是正常操作状态：

当在测试状态时（D0＝1）各位全应亮，一般选择正常操作状态（D0

=0）。

表2-4寄存器地址分配表

寄存器名称

地址

D15～D12

D11

D10

D9

D8

空操作

ⅹⅹⅹⅹ

0

0

0

0

Digit0

ⅹⅹⅹⅹ

0

0

0

1

Digit1

ⅹⅹⅹⅹ

0

0

1

0

Digit2

ⅹⅹⅹⅹ

0

0

1

1

Digit3

ⅹⅹⅹⅹ

0

1

0

0

Digit4

ⅹⅹⅹⅹ

0

1

0

1

Digit5

ⅹⅹⅹⅹ

0

1

1

0

Digit6

ⅹⅹⅹⅹ

0

1

1

1

Digit7

ⅹⅹⅹⅹ

1

0

0

0

译码模式

ⅹⅹⅹⅹ

1

0

0

1

亮度调节

ⅹⅹⅹⅹ

1

0

1

0

扫描限制

ⅹⅹⅹⅹ

1

0

1

1

关断模式

ⅹⅹⅹⅹ

1

1

0

0

显示测试

ⅹⅹⅹⅹ

1

1

1

1

2.3.3MAX7219初始化

表2-5初始化设置各项的选择与对应数值

设置项目

选择

颠倒后的数值（16位）

显示亮度

17/32

5F1FH

扫描限制

0～7位

DFEFH

译码方式

非译码方式

9F00H

显示测试

正常操作

FF00H

关断方式

正常操作

3F80H

2.3.4部分程序功能介绍

全部程序见附录二，下面仅介绍部分程序

由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，程序如下：

===加减时间延时（起到不会按下就加N个数）======

DELAY1:

MOV35H,#08H

LOOP0:

ACALLDISPLAY

DJNZ35H,LOOP0

RET

;=====延时4236个机器周期（去抖动用到）=====

DELAY:

MOV32H,#12H

LOOP:

MOV33H,#0AFH

LOOP1:

DJNZ33H,LOOP1

DJNZ32H,LOOP

RET;=====延时4236个机器周期（显示用到）=====

DELAY2:

MOV32H,#43H

LOOP3:

MOV33H,#1EH

MOVA,R7;每隔60~70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,转到正常抢答处理

JNZAAAA1;没读到有效数据时继续转到AAAA1

LOOP2:

DJNZ33H,LOOP2

DJNZ32H,LOOP3

RET;=====读抢答按键数据口程序=====

主持人时间设定程序如下：

ACALLDISPLAY;先在两个时间LED上显示R1

JNBP3.4,INC0;P3.4为+1s键,如按下跳到INCO

JNBP3.5,DEC0;P3.5为-1s键,如按下跳到DECO

JNBP3.1,BACK0;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO

2.4LCD简介

2.4.1LCD和LED的区别

LED为英文（LightEmittingDiode）的缩写，是发光二极管的一种,LCD是液晶显示器,两者相差太多.但是用LED的点阵也能组成显示器,适用于户外大屏幕显示,分辨率较低。

LCD为英文（LiquidCrystalDisplay）的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。

与传统的阴极射线管LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。

LCD技术能够显示更加清晰，明亮的图象。

LED是发光二极管

特点：

自发光，从远处可以看见，价格相对较低

缺点；显示的容少，一般是数码，LED电子滚动显示，等等，很耗电，控制复杂。

由于LCD比LED的效果好，所以本设计我们选择了LCD作为我们设计的显示器。

2.4.2单片机和分立元件的区别

单片机相当于一个集成电路，将一些功能都集成在一个芯片中，在一小块芯片中能实现各种功能的器件。

分立元件是指电阻\电感\电容等器件。

这是相对于集成电路来说的，比如一个电路,他用了一个集成电路,外加一些零件即能实现需要的功能,而一般来说,用分立元件也能实现,但体积可能会大一些,可靠性可能也差一些。

通过两者的比较，单片机明显优于分立元件，所以本设计我们选择了用单片机。

其系统硬件设计如图2-3

图2-3单片机系统硬件设计

2.4.3显示电路设计和LCD的引脚功能说明

液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件等装配在一起的组件。

英文名称叫“LCDModule”，简称“LCM”，中文称为“液晶显示模块”，其流程图如2-4所示，实物图如2-5所示。

如图2-4LCD流程图

图2-5LCD1602实物图

2.4.4液晶显示模块

表2-6LCD引脚功能

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

双向数据口

2

VDD

电源正极

10

D3

双向数据口

3

VL

对比度调节

11

D4

双向数据口

4

RS

数据/命令选择

12

D5

双向数据口

5

R/W

读/写选择

13

D6

双向数据口

6

E

模块使能端

14

D7

双向数据口

7

D0

双向数据口

15

BLK

背光源地

8

D1

双向数据口

16

BLA

背光源正极

VDD：

电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；

VL：

LCD对比度调节端，电压调节围为0－5V。

接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；

RS：

MCU写入数据或者指令选择端。

MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；

R/W：

读写控制端。

R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；

E：

LCD模块使能信号控制端。

写数据时，需要下降沿触发模块。

D0－D7：

8位数据总线，三态双向。

如果MCU的I/O口资源紧的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。

本充电器就是采用4位数据传送方式；

BLA：

LED背光正极。

需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；

BLK：

LED背光地端。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

三　　抢答器电路原图与仿真

３.１抢答器原理图

抢答器电路原理框图如图3-1所示，其中右上部分是4个七段数码管，作为显示输出部分，左上部分是钟控部分，除了S1-S8是选手控制按钮，其余按钮式主持人控制系统。

图3-1抢答器电路原理框图

各按键功能介绍如下：

①SET键为复位键，按下复位键系统进入就绪状态；

②B1、B2分别为30s、60s预置时间键；

③“+”、“-”键可以调节时间；

④EN键用来确定自设时间；

⑤ON键用来确定一切就绪，按下它系统就进入倒计时抢答；

⑥S1-S8为8个抢答按键。

3.2仿真软件介绍

1）Proteus软件简介

Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以与自动布线来实现一个完整的电子设计系统。

ISIS是Proteus系统的中心,它远不仅是一个图表库。

它是具有控制原理图画图的外观设计环境。

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千