基于单片机的八路抢答器设计学位论文.docx
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基于单片机的八路抢答器设计学位论文
论文（设计）题目：
基于单片机的八路抢答器设计
学院：
电子工程学院
专业：
电子信息工程
学号：
201212701017
姓名：
王鹏
指导老师姓名及职称：
邱森辉
目录
【内容摘要】3
【关键词】3
第1章引言4
1.1课题研究背景4
1.2抢答器的介绍4
1.3研究目标与内容5
第2章系统总体方案设计6
2.1系统主要功能6
2.2系统工作流程6
第3章系统硬件设计7
3.1总体设计7
3.2时钟频率电路的设计8
3.3键盘扫描电路的设计8
3.4复位电路的设计9
3.5发声电路的设计10
3.6综合PCB板的设计11
3.6.1布局的原则11
3.6.2布线11
3.6.3焊盘12
第4章系统软件设计14
4.1软件任务分析14
4.2主程序系统结构图14
4.3程序流程图15
第5章系统综合调试17
5.1系统实现的功能17
5.2系统运行效果17
第6章总结22
致谢22
参考文献22
基于单片机的八路抢答器设计
专业：
电子信息工程学号：
201212701017学生：
王鹏指导老师：
丘森辉
【内容摘要】近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测日新月异更新。
本文介绍一种用AT89C51作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的单片机技术和C语言编程设计的8路数字抢答器。
文章对抢答器的背景与现状、硬件设计、软件设计都做了详细的介绍，使我们不仅元器件的原理及设计有了深入的了解，也对单片机的设计研发过程有了更加深刻的体会。
本设计主要采用单片机控制，采用手动抢答的方式，有人抢答后，系统自动封锁其他人的抢答按钮，使其不能再抢答，从而实现抢答功能。
该系统还增加了抢答倒计时和答题对错判断功能，另外抢答倒计时的时间可以调整。
若有人在主持人按下开始按钮之前按下抢答按钮，系统不会显示选手的号码，只有在开始按钮被按下之后，选手才可以有效的抢答，使抢答达到公平、公开的效果。
【关键词】单片机；抢答器；STC89C51；LCD1602液晶
第1章引言
1.1课题研究背景
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他功能。
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。
1.2抢答器的介绍
在2007年以前，抢答器作为一种竞赛设备，一直没有得到多大的提高，在使用过程中只起到抢答作用，而且在设计上基本是采用模拟电路的方式，抢答的精确度不够高，而且要受到线路和距离的限制。
随着电脑的普及率在大幅提高，在新的信息化时代中，各类竞赛活动也发生了一些大的变化，不再是现场主持人念题，选手回答，这种固定的、单调且死板的方式。
现场要求有更多互动和更多娱乐的效果。
活动的策划者们在不断的思考和在活动环节上进行设计。
电脑抢答器的出现解决了策划者们面对的难题，电脑抢答器是以电脑做为操作平台，控制器方面采用了数字电路和单片机的方式和电脑进行通信，这样设计使知识竞赛长期以来固定的模式被打破。
活动中出现了更多的设计和新玩法，使知识竞赛走向了新的方向。
以电脑做为平台的抢答器系统，可以通过竞赛软件控制抢答器，答题器，记分屏，灯光效果等等。
通过知识竞赛软件可以做到各个环节中的题目显示，选手可以通过手中的抢答器抢答，抢答结果会显示在大屏幕上和分数会显示在LED记分屏中。
选手还能通过答题器对题目进行按键回答，在显示设备上显示出每位选手答题的情况，这样的方式很大程度的提高了比赛的档次和娱乐性。
除了电脑抢答器外还有数字电路式、单片机式的抢答器。
对数字电路式的抢答器来说电路复杂，且成本偏高，故障率高，显示方式简单，电脑抢答器不够便携。
随着单片机的应用不断深入，以单片机为核心的抢答器不断出现。
利用单片机的优点，使抢答器具有结构简单、功能强大、性能可靠等特点。
1.3研究目标与内容
本系统采用模块化设计抢答器，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10s，回答问题时间为10s。
通过加键和减键修改上述时间，改完后确认键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示选手号和抢答时间倒计时，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。
第2章系统总体方案设计
2.1系统主要功能
本系统是以单片机为主控芯片的八路抢答器，它包括了8路抢答按钮、计时显示、倒计时提示、开始与复位控制按钮、加时减时控制按钮。
在抢答比赛中八路抢答按钮分别对应一组选手。
计时显示以及其他的各种显示功能都由LCD1602液晶实现。
倒计时即将结束时蜂鸣器会响铃提示。
开始、复位、加时、减时按钮都由主持人控制。
在主持人按下开始键后才能开始抢答，在抢答时选手的抢答犯规、抢答成功都会视为犯规蜂鸣器持续响并显示在液晶屏幕上。
一轮抢答结束之后由主持人按下复位键复位。
有10秒抢答时间，10秒内无人抢答则本轮抢答结束，由主持人复位。
在倒计时最后5秒时，每一秒蜂鸣器都会响铃提示。
总结其系统的需求分析如下：
1、在抢答时只有主持人按下开始后才能抢答。
在此之前前抢答视为犯规。
2、可以显示抢答成功的选手和抢答犯规的选手。
3、显示倒计时，倒计时将要结束时有响铃提示。
4、抢答成功后锁定按键，使其他选手的按键无效。
6、主持人复位后进入下一轮抢答。
2.2系统工作流程
一次具体的抢答过程如下：
主持人按下开始键，进入抢答时间。
在此之前有选手抢答判定为犯规，屏幕显示犯规选手编号，主持人按下复位键进入下一轮抢答。
进入抢答阶段，有选手率先抢答时倒计时停止，屏幕显示抢答成功的选手编号，并锁定键盘，使其他选手的抢答无效。
此时抢答成功的选手进行答题，之后由主持人按复位键进行下一轮抢答。
如一直无人抢答，在最后5秒倒计时的每一秒会响铃提示，直到倒计时结束还无人抢答，则屏幕显示无人抢答，主持人复位进入下一轮抢答。
第3章系统硬件设计
3.1总体设计
本设计包含了硬件设计和软件设计两部分，两者紧密结合，不可分离。
硬件设计是这个系统运行的基础，没有硬件一切都无从谈起。
软件设计是系统正常运转的核心，在硬件的基础上软件控制着系统的运作，实现系统的功能。
随着技术的发展，硬件电路的集成度越来越高，各种功能强大的芯片降低了硬件设计的复杂程度。
本次设计的总体硬件电路原理图如图3-1所示。
图3-1硬件电路原理图
图3-1中主控制器为STC89C52RC单片机，显示模块为一块集成的LCD1602液晶。
由于采用并行传输数据，液晶模块的DB0-DB7接单片机P0口。
RS脚接P2.0、R/W脚接P2.1、E脚接P2.2。
所有的按键全部在接在P3口。
LS1为蜂鸣器，作为系统中的响铃提示功能。
3.2时钟频率电路的设计
单片机与其他微机一样，它的各种操作都是按着节拍有序的工作的。
89C51内部有一个高增益反响放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两断跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳点的自己振荡器。
时钟电路如图3-2所示。
图3-2外部震荡源电路
C1和C2通常取30pF左右，可以稳定频率并对震荡频率有微调作用[]。
震荡脉冲频率范围为fosc=0~24MHz，我们所用的震荡频率为12MHz。
3.3键盘扫描电路的设计
键盘是单片机应用中必不可少的硬件之一，由于其设计方法多种多样，所以在应用系统设计时，应根据整个系统的硬件结构、软件设计等信息综合考虑，设计出稳定可靠、结构紧凑、成本低廉、简单易用、性能优良的人机键盘界面[]。
键盘是进行人机交互的主要设备。
在单片机应用中主要是独立键盘和矩阵键盘。
其中独立键盘结构简单，程序设计也较为简单，一般用于对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘在硬件结构上较为复杂，程序算法上也比独立键盘复杂得多，但是矩阵键盘更加能够节省端口资源，适合在按键较多的电路中使用。
在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有8个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。
按键电路如图3-3所示。
图3-3按键电路
在图3-3中8个抢答按键分别接入单片机的P1.0~P1.7端口，单片机通过读取P1.0~P1.7的值来判断当前输入的是8个抢答按键中的哪一个。
抢答时间调整和回答时间调整接到单片机的P3.3和P3.4界面，加一及减一按键接到单片机的P3.5和P3.6界面。
开始及结束按键接到单片机的10、11脚，这里用到了单片机10、11脚复合功能中的IO端口功能，单片机通过读取10、11脚的P3.0、P3.1的IO端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。
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。
如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。
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，
复位电路如图3-4所示。
图3-4复位电路
复位电路主要由电解电容C3、电阻R1、按键S1组成。
由于单片机是高电平复位，所以当复位键按下时候，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，由于电容的缓慢放电，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。
3.5发声电路的设计
蜂鸣器是众多电子产品中常用的发声器件，本设计中也使用蜂鸣器作为发声装置，本设计中的发声电路如图3-5所示。
图3-5发声电路
我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。
本文设计如图3-5所示。
图中单片机的16脚输出具有复合功能，此处用到了单片机16脚的IO端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。
3.6综合PCB板的设计
印制电路板（PCB）是各种电子产品中电路元器件的载体，PCB提供了电路元件和器件之间的电气连接，PCB设计的好坏对产品性能有很大影响[]。
因此，在进行PCB设计时。
必须遵守PCB设计的一般性原则，并应符合抗干扰设计的要求。
为了设计出优质低廉的PCB，应遵循一些原则。
3.6.1布局的原则
1、要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时，印制线就条长，同时阻抗增加，抗噪声能力也会下降，成本也增加；过小，则散热不好，而且邻近线条易受干扰。
2、确定特殊元件的位置。
在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：
a）缩短高频元器件间的连线，以减少它们的分布参数和相互的电磁干扰。
容易受干扰的元器件不能太近，输入和输出元件要尽量远离。
b）某些元器件或导线之间可能有比较高的电位差，应该增加它们之间的距离，以避免放电引发意外短路。
c）较重的元器件应该用支架固定，再焊接。
那些笨重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，应装在机箱底板上，热敏元件应远离发热元件。
d）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
3、根据电路的功能模块，对全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
a）按照电路的流程安排电路中各个功能单元的位置，使布局放便信号流通，并使信号尽量保持一致的方向。
b）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。
尽量减少各元器件之间的引线和缩短连接。
c）一般应当使元器件平行排列。
这样，既美观有容易装焊，易于批量生产。
3.6.2布线
1、I/O口的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线,以避免发生反馈藕合。
2、导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流大小决定。
在条件允许的情况下尽量使用宽线。
尤其是电源线和地线。
导线间的最小距离主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。
工艺允许的条件下，使间距尽量小。
3、印制导线拐弯处一般采用圆弧形，直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。
还应尽量不使用大面积铜箔。
长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。
必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。
这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
3.6.3焊盘
焊盘尺寸、焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及镀锡层厚度、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑，一般以金属引脚直径加上0.2mm作为焊盘的内孔直径。
而焊盘外径应该为焊盘孔径加1.2mm，最小应该为焊盘孔径加1.0mm。
当焊盘直径为1.5mm时，为了增加焊盘的抗剥离强度，可采用方形焊盘。
设计焊盘时的注意下列事项：
1、焊盘孔边缘到电路板边缘要大于1mm，这样可以防止加工时导致焊盘缺损。
2、焊盘补泪滴，当与焊盘连接的铜膜线较细时，要将焊盘与铜膜线之间的连接设计成泪滴状，这样可以使焊盘不易被剥离，而铜膜线与焊盘之间的连线不易断开。
3、相邻的焊盘尽量不要有锐角。
最终本设计生成的PCB图如图所示。
PCB设计图
第4章系统软件设计
4.1软件任务分析
一个单片机系统是有软硬件结合而成的，硬件电路的设计解决了系统的物理层面实现，而要赋予这些硬件“灵魂”，就需要软件来实现。
软件设计主要是针对主控芯片来讲的，由软件设计来告诉主控芯片如何去控制外围电路完成某些特定的功能。
在本设计中，根据我们需要实现的功能来看，软件设计主要可以分为一下机个部分：
●显示模块：
在整个抢答过程中显示信息的功能贯穿始终，是最主要的模块。
控制显示屏显示正确的信息是显示模块软件的主要职责。
●输入模块：
本设计的输入模块是由独立键盘构成的，正确检测出从键盘上输入的信息非常重要。
输入模块软件就是要完成这一任务。
●计时模块：
在抢答器的工作过程中多出设计的倒计时功能，计时模块软件主要完成准确计时的功能。
并在需要的时候提供当前的时间供其他模块调用。
●初始化模块：
整个系统要稳定的运行，就需要自始至终都在我们的控制之下。
系统最初启动是所处的状态无法确定，就需要初始化程序对硬件系统进行设定，使之符合系统运行的要求。
本设计中初始化主要包括对单片机的初始化和对LCD1602液晶的初始化。
●主函数模块：
程序都是从主函数开始运行的，主函数要控制这个程序运行的流程，将各个模块有机的结合起来，使系统稳定的工作。
4.2主程序系统结构图
硬件电路确定后，软件的编程要与硬件相匹配，软硬件才能结合完成所要实现的功能。
由功能分析得到以下的软件结构图：
图4-2系统结构框图
4.3程序流程图
整个程序主要由定时器T0、定时器T1、外部中断0和主程序构成。
其流程图如下：
图4-3主程序流程图
第5章系统综合调试
5.1系统实现的功能
通过了一系列的硬件设计和软件设计，并将软硬件进行整合。
最后我们需要对我们的设计进行测试，看它是否能完成我们最初设定的各种功能。
1、在抢答是只有，主持人按下开始后才能抢答。
在此之前抢答视为犯规。
2、可以显示抢答成功的选手和抢答犯规的选手。
抢答成功的选手显示他回答剩余时间。
3、显示倒计时，倒计时将要结束时有响铃提示。
4、抢答成功后锁定按键，使其他选手的按键无效。
5、主持人复位后进入下一轮抢答。
5.2系统运行效果
1、开机初始状态。
如图5-1所示。
图5-1开机初始状态
2、抢答犯规显示。
如图5-2所示。
图5-2抢答犯规显示
有选手在主持人按下抢答键前按下键就会提示抢答犯规，并在屏幕上显示犯规信息，并且会响铃告警。
这一步功能符合设计要求。
3、正式抢答阶段倒计时显示。
如图5-3所示。
图5-3倒计时显示
正式抢答阶段的倒计时显示如图5-3所示，并且在最后5秒会响铃提示，符合设计要求。
4、抢答成功显示。
效果如图5-4所示。
图5-4抢答成功显示
抢答成功后会显示抢答成功选手的编号和回答剩余时间，图中显示1号选手抢答成功，回答时间剩余4秒，符合设计要求。
5、调整时间显示。
效果如图5-5所示。
图5-5调整时间显示
6、回答时间结束显示，如图5-6所示。
图5-6回答时间结束
7、无人抢答显示。
如图5-7所示。
图5-7无人抢答显示
当直到抢答倒计时结束后还没有人抢答，发出连续不间断的提示音。
第6章总结
最终，成功的完成了本次设计，满足了抢答器的设计需求，经过实际测试效果比较理想，系统能够正常运行，并且功能都达到了设计要求。
本次设计用STC89C52RC芯片，实现了单片机系统及外围电路构成的抢答器系统，利用单片机内部定时计数器将软硬件有机的结合到一起。
在整个过程中，理论结合实际，培养自己的学习和动手能力。
通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。
并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。
在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过这次设计，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。
把握重点、攻克难关，学到用到、活学活用。
在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处。
但在以后的工作中，我们会严格要求自己，追求完美。
致谢
设计就此告一段落，通过本次毕业设计，我无论是在理论知识的学习上，还是科研技术的提高上，都有了很大的进步，这为我今后进入社会参加工作打下了良好的基础。
通过此次设计，我学到了很多东西。
首先，我学会了如何设计一个抢答器系统。
其次，提高了自己与他人交流的能力和自学能力。
最后，通过此次设计论文的反复修改，让我学会了如何比较完整地编写一篇设计论文。
总之，这次的设计教会了我很多，我相信，这些知识的学习不仅是我大学生活的一笔珍贵的财富，更是以后工作生活的一笔珍贵的财富。
感谢所有给予我支持和帮助的老师、同学和朋友们，我的一切收获与成就都离不开你们，你们是我最好的指引者。
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