单片机四路抢答器的设计.docx

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单片机四路抢答器的设计

1单片机简介

1.1单片机的工作过程

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。

存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

1.2AT89C51

AT89C51单片机是采用高性能的静态80C51设计由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作。

P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM32条I/O口线3个16位定时/计数器6输入4优先级嵌套中断结构1个串行I/O口可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。

此外由于器件采用了静态设计可提供很宽的操作频率范围频率可降至0可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式空闲模式冻结CPU但RAM定时器串口和中断系统仍然工作。

掉电模式保存RAM的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复。

振荡器特性为XTAL1和XTAL2为输入和输出可分别作为一个反相放大器的输入和输出此管脚可配置为使用内部振荡器要使用外部时钟源驱动器件时XTAL2可以不连接而由XTAL1驱动外部时钟信号无占空比的要求因为时钟通过触发器二分频输入到内部时钟电路但高低电平的最长和最短时间必须符合手册的规定。

复位，在振荡器工作时将RST脚保持至少两个机器周期高电平12时钟模式为24个振荡器周期6时钟模式为12振荡器周期可实现复位为了保证上电复位的可靠RST保持高电平的时间至少为振荡器启动时间通常为几个毫秒再加上两个机器周期复位后振荡器以12时钟模式运行当已通过并行编程器设置为6时钟模式时除外。

设计中的注意事项，当空闲模式被硬件复位所中止时器件在内部复位之前从停止处恢复程序正常运行时间为2个机器周期这段时间内片内硬件禁止对内部RAM的访问但对I/O口的访问未被禁止当Idle模式被复位所中止时为了消除可能产生的误写操作应用Idle模式指令后的指令不应执行写I/O口或写外部存储器操作。

1.3抢答器的应用

随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等,因此出现了抢答器。

抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。

因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了数码管显示电路实现了其它功能。

抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。

2抢答器硬件设计

2.1抢答器工作原理

抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。

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。

2.2单片机选择

根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用系统，以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，可以实现4位数字抢答器的各项基本功能，例如定时抢答、显示抢答选手号码等等。

AT89C51单片机是采用高性能的静态80C51设计由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作。

P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM32条I/O口线3个16位定时/计数器6输入4优先级嵌套中断结构1个串行I/O口可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。

此外由于器件采用了静态设计可提供很宽的操作频率范围频率可降至0可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式空闲模式冻结CPU但RAM定时器串口和中断系统仍然工作。

掉电模式保存RAM的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复。

2.3按键设计

4个抢答按键分别接入单片机的P3.0~P3.3端口，单片机通过读取P3.0~P3.3的值来判断当前输入的是4个抢答按键中的哪一个。

图2-1按键电路

按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。

现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms，例如取10-20ms。

如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。

2.4时钟电路设计

单片机必须在时钟驱动下才能正常工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外部接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机的各个单元，决定单片机的工作速度。

电路如图2-2所示。

图2-2时钟电路

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20PF。

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12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12µs。

2.5复位电路设计

单片机第9引脚RST为复位端，只要在复位端保持两周期的高电平，就可实现复位。

电路如图2-3。

图2-3复位电路

图2-3中由按键S以及电容10PF，电阻10K构成复位电路。

由于单片机是高电平复位，所以当S按下后，丹皮及进入复位状态。

当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机9脚电压逐步由高转向低，经过一段时间，单片机的9脚稳定在低电平状态，此时单片机复位完毕，单片机各状态恢复到初始状态。

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。

2.6显示设计

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。

显示电路使用七段数码管，共阴极接法，高电平亮。

电路如图2-4。

图2-4数码管显示电路

2.8系统复位

使CPU进入初始状态，从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。

从实现系统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。

硬件复位必须通过CPU外部的硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。

上电复位，人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。

硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对片内通用寄存器的内容没有影响。

但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。

软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。

对各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。

而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。

有的编程人员用020000（LJMP0000H）作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。

软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位，它将阻止同级中断响应。

由于软件看门是高级中断，它将阻止说要中断响应，由此可见清除中断激活标志的重要性。

在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。

出错处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。

程序一般先关中断，以便后续处理能顺利进行，然后用两个RETI指令代替两个LJMP指令，从而清除了两级中断激活标志。

有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全部激活两个标志，这也无妨。

3系统软件设计及调试

3.1设计要求

要求制作一个抢答器，四个选手进行抢答，用四个按键代表四个选手，开始时从9开始倒计时到0开始抢答，间断时间为1S，倒数到0时才可开始按键进行抢答，显示最先按下按键数字，如还没有倒计时完毕就开始抢答按键，则闪烁抢答按键数字，按下复位键重新开始计时。

3.2系统的主要功能模块

本系统是借用单片机采用模块化设计的4路抢答器，包括4路抢答按纽、计时显示等（根据需要可另设或多设相关功能）、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）。

系统的主要功能模块如图3-1。

图3-1系统功能模块

本系统采用模块化设计的4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4个按键输入，分别对应4路选手的抢答按键。

单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。

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，有一个共阴的数码管。

按下复位键（RESET），后开始倒计时。

开始时从9开始倒计时到0开始抢答，间断时间为1S，倒数到0时才可开始按键进行抢答，显示最先按下按键数字，如还没有倒计时完毕就开始抢答按键，则闪烁抢答按键数字，按下复位键重新开始计时。

3.3程序流程图

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，显示电路还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。

在本设计中包括了以下主要的程序：

主程序，查询程序，非法抢答程序，倒计时程序，正常抢答处理程序，犯规处理程序，显示程序。

主流程图如3-2。

图3-2程序流程图

3.4调试

将R3到R9及共阴数码管焊好，再将集成电路插座焊上，这样这部分电路就制作完成了。

接下来对这部分电路进行测试，接上电源，数码管全灭，用一导线的一端与地线相连，另一端依次碰集成电路插座的20脚到26脚，一边碰一边查看数码管，正常时可以看到每碰一个脚，对应一段数码管灯亮。

若不亮，仔细查看与该脚相连的电阻及数码管是否虚焊。

将烧录好程序的AT89C2051芯片插上（我们提供的芯片中已烧录好程序），注意方向不要插错（反插容易损坏芯片），芯片上有一个小三角的标记处为1脚。

只要元件焊接无误，按以上制作流程操作，装好后就可以正常工作。

制作完成的4路抢答器见。

所有元件全部制作完成后，接上电源，电源指示灯亮，按动4路抢答开关中的任何一路，音乐响起，同时数码管显示相应的抢答开关号。

抢答成功后，按下复位键，系统返回抢答状态，若不按键，则30秒后自动返回抢答状态。

设计总结

本次课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

通过这次课程设计，我对单片机的知识有了进一步的学习。

通过这次设计，本人在多方面都有所提高。

通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论，设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固所学的内容，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在设计过程中遇到了很多问题，我都没有放弃，不明白的地方就及时查资料，问同学或是找老师帮忙。

经过查阅有关方面的书籍，获取了很多专业方面的知识，拓展了视野，增加了我实际动手能力。

在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个结果，都离不开老师您的细心指导。

参考文献

[1]曾峰，巩海洪主编《印刷电路板（PCB）设计与制作》电子工业出版社2005年8月

[2]梅海凤，王艳秋主编《单片机原理与接口技术》清华大学出版社2004年5月

[3]李学礼主编《基于Produs的851单片机实力教程》北京电子工业出版社2008年

[4]梁炳东主编《单片机原理与应用》北京人民邮电出版社2009年

附录

附录1抢答器硬件电路图

附录2系统程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:

MOVDPTR,#STB

MOVR1,#9

MOVA,R1

MOVR0,#10

L4:

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDEL

DECR1

MOVA,R1

DJNZR0,L4

LJMPL5

L5:

JNBP1.0,L

JNBP1.1,L1

JNBP1.2,L2

JNBP1.3,L3

LJMPL5

L:

MOVA,#1

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LJMPL

RET

L1:

MOVA,#2

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LJMPL1

RET

L2:

MOVA,#3

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LJMPL2

RET

L3:

MOVA,#4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LJMPL3

RET

DP:

MOVA,#1

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

MOVA,#80H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

LJMPDP

RET

DP1:

MOVA,#2

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

MOVA,#80H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

LJMPDP1

RET

DP2:

MOVA,#3

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

MOVA,#80H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

LJMPDP2

RET

DP3:

MOVA,#4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

MOVA,#80H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

LCALLDELT

LJMPDP3

RET

DEL:

MOVR5,#8

DEL0:

MOVR6,#200

JNBP1.0,DP

JNBP1.1,DP1

JNBP1.2,DP2

JNBP1.3,DP3

DEL1:

MOVR7,#248

DEL2:

DJNZR7,DEL2

DJNZR6,DEL1

DJNZR5,DEL0

RET

DELT:

MOVR5,#5

DELT0:

MOVR6,#200

DELT1:

MOVR7,#248

DELT2:

DJNZR7,DELT2

DJNZR6,DELT1

DJNZR5,DELT0

RET

STB:

DB7EH,30H,6DH,79H,33H,5BH,5FH,70H,7FH,7BH,77H

END