八路扫描式抢答器设计课程设计论文.docx
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八路扫描式抢答器设计课程设计论文
电子信息工程实验教学中心
《电子技术课程设计》设计报告
设计题目
八路扫描式抢答器
年级
专业
学号
姓名
成绩
2011
电子信息工程
2011
电子信息工程
2011
电子信息工程
2011
电子信息工程
评语：
完成日期：
2014年6月
目录
第1章原理分析3
第2章方案选择3
2.1控制器的选择3
2.2显示模块的选择4
2.3键盘的选择5
2.4芯片的最终选择方案5
第3章电路原理图绘制及仿真（Mutilsim）6
3.1显示电路6
3.2抢答器电路7
3.3复位电路的设计8
3.4时序控制电路设计9
3.5报警电路设计9
3.6定时电路设计9
第4章PCB图（protel）绘制10
4.1PCB设计步骤10
4.2PCB设计原则10
4.3PCB图10
4.3.1电路原理图10
4.3.2网络表11
4.3.3PCB图13
第5章综合调试13
5.1软件设计13
5.1.1系统主程序设计13
5.1.2键盘扫描程序设计14
_Toc3915677375.1.3显示程序设计15
5.2软件调试17
5.2.1KeiluVision2仿真17
5.2.2Proteus仿真18
5.3硬件调试19
5.4调试步骤19
第6章总结20
参考文献：
21
附录：
抢答部分程序21
八路扫描式抢答器
第1章原理分析
（由四人协作完成）
本设计介绍的八路扫描式抢答器由8个抢答按钮和6个主持人按钮以及单片机、数码管、蜂鸣器组成，可用于8组或8组以下的智力竞赛中。
比赛前，将参赛组从1至8编号，每组对应一个抢答按钮。
主持人按一下启动键后，抢答开始，数码管开始抢答倒计时，数码管开始回答倒计时。
此后，哪一组最先按下抢答键，数码管立即显示该组的组号并锁定，同时蜂鸣器发出声响。
以后，按下任何一路抢答键均不起反映。
只有主持人再次按动启动键后，才能进行下一次抢答。
主持人未按下启动键之前，选手按下抢答键属于违规抢答，同时数码管显示该选手编号以及蜂鸣器发出报警。
该电路由电源电路、显示电路、报警电路、设置电路与抢答电路五部分组成。
抢答器用单片机来设计制作完成，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，采用单片机AT80C51，它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。
片内带有4KB的Flash存储器，并允许在系统内改写或用编程器编程。
这样就会使抢答器的准确度很高，其误差主要由晶振自身的误差所造成。
与晶振，数码管，蜂鸣器等通过外围接口实现的八路抢答器，利用了单片机的延时电路，按键复位电路，时钟电路，定时器等，不仅具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的功能，同时还利用汇编语言编程，使其实现复位，定时和报警的功能。
第2章方案选择
（由四人协作完成）
硬件设计中芯片选择的原则是经济，寿命长，设计简单。
以下详细论证：
2.1控制器的选择
控制器主要用于对显示，抢答，音乐，计分等模块进行控制。
采用AT89C51作为系统的控制器的CPU的方案。
单片机算术功能强，软件编程灵活，自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成本低等优势，使其在各个领域应用广泛。
AT80C51单片机外形及引脚排列如2-1图所示
图2-1
AT80C51主要特性：
·与MCS-51兼容/·4K字节可编程FLASH存储器/寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年/·全静态工作：
0Hz-24MHz/·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM/·32可编程I/O线/·两个16位定时器/计数器
·5个中断源/·可编程串行通道/·低功耗的闲置和掉电模式/·片内振荡器和时钟电路
2.2显示模块的选择
显示模块主要是显示时间和编号。
考虑有以下两种显示方案。
方案一：
使用液晶屏显示时间。
液晶显示屏具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及摄影稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高。
但是液晶屏是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。
方案二：
使用传统的数码管显示。
数码管具有低能耗，低损耗，低压，寿命长，对外界环境要求低，易于维护的优点。
同时其精度高，精确可靠，操作简单。
数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
根据以上的论述，我采用方案二。
2.3键盘的选择
键盘是单片机不可缺少的输入设备，实现人机对话的纽带。
键盘结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法产生键码。
在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
方案一：
独立式键盘
独立式键盘接口中使用几根I/O线，就有几个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各种键的工作相互不干扰。
因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活编码。
方案二：
行列式键盘
行列式键盘是用n条I/O线作为行线，m条I/O线作为列线组成的键盘，按键在行线和列线的每个交叉点上。
这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统的中I/O的利用率。
为了提高CPU的效率而又能及时响应键盘的输入，采用中断方式。
根据以上论述，采用方案一。
2.4芯片的最终选择方案
根据上几节的讨论，通过综合考虑，我们的芯片选择如下
器件名称
规格型号
数量
微处理器
AT89C51
1
电阻
4.7K欧姆
1
10K欧姆
1
瓷片电容
22pF
2
电解电容
10uF
1
晶振
12MHZ
1
按钮
CD4013
15
IC座
40脚
1
DC座
1
自锁开关
1
三极管
S8550
1
蜂鸣器
1
共阴数码管
7SEF-MPX-CC
4
万用板
9cm*15cm
1
第3章电路原理图绘制及仿真（Mutilsim）
（由四人协作完成）
3.1显示电路
数码管的结构数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,可以共阴极,也可以共阳极，通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理。
数码管按各发光二极管电极的连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。
数码管符号和引脚如图3-11（a）,共阳数码管内部连接如图3-11（b），共阴数码管内部连接如图3-11（c）。
图3-11数码管
此设计显示电路采用简单实用的4位共阴LED数码管，段码输出端口为单片机的P0口，位码输出端口分别为单片机的P2.1、P2.3、P2.5、P2.7口。
为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，此八路抢答器的单片机控制系统采用动态扫描显示，并且软件消影。
显示电路如下3-12图。
图3-12数码管显示电路图
3.2抢答器电路
图3-21抢答器框图
如图3-21所示为电路框图。
其工作原理为：
接通电源后，主持人未按下开始抢答，抢答器处于禁止状态，数码管显示“----”；主持人宣布“开始”同时按下开始抢答按键，抢答倒计时开始计时，扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后，回答倒计时开始计时、禁止二次抢答、数码管显示抢答选手编号以及回答剩余时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图3-22抢答器电路
3.3复位电路的设计
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，如图3-31所示，复位通常有三种基本形式：
上电复位和手动复位。
8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，按键复位则可分为按键脉冲复位和按键电平复位两种。
如图3-32所示为复位电路仿真图。
（a）上电复位（b）按键脉冲复位（c）按键电平复位
图3-31单片机复位电路
图3-32复位电路
3.4时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能：
a.主持人按下开始抢答按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
b.当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路停止工作定时电路进行回答倒计时。
图3-4时序控制电路
3.5报警电路设计
报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。
一般喇叭是一种电感性。
图3-5报警电路图。
当三极管s8550基极得低电平的时候，三极管导通，蜂鸣器得电，发出声音。
图3-5报警电路
3.6定时电路设计
为了达到抢答的合理性、完整性、可控性，需根据题目的难易程度的不同设定相应的抢答时间以及回答时间。
所以本设计设置了抢答定时电路。
该电路采用单片机内部定时器。
主持人可以通过按键设定时间（可以设定在00S-99S），每按一下“K12”按键就会在原来的数字的基础上加上一，如果是按的“K13”按键就会在原来的数值上减去一。
如图3-6所示
图3-6定时电路
第4章PCB图（protel）绘制
（由马亚芳和薛正梁完成）
4.1PCB设计步骤
（1）作出电路原理图
在protel中新建设计（New Design），新建文件Schematic Document，进入后加载元件库library，然后进行电路设计
（2）生成网络表（Netlist）
在Design中选择Create Netlist
（3）在文件夹中新建PCB Document，进入后加载网络表
（4）加载后，观察错误，并返回原理图更正
（5）创建成功后，对各封装进行合理布局，可以进行自动布局Auto Place
4.2PCB设计原则
PCB板一定要合理布局，在进行实物操作时清晰合理
4.3PCB图
4.3.1电路原理图
4.3.2网络表
[3V] [BL] [C1 103]
[C2 682] [C3 10uf]
[C4 223][C5 223]
[C6 4.7uf][C7 223][C8 100uf]
[C9 100uf][C10 100uf][C11 223]
[C13][C14][CA][CB][CC][CD]
[CK][K][L1][L2][L3]
[L4 LED][R1 200k]
[R2 1.8k][R3 120k]
[R4 30k][R5 100k][R6 100]
[R7 120][R8 100][R9 120]
[R10 100][R10 510][RP 10k]
[T1][T2][T3][T4][T?
TRANS4]
[V1 NPN1][V2 9018][V3 9018]
[V4 9014][V5 9013H][V6 9013H]
（Net3V_2 3V-2 K-2）（NetC3_1
C3-1 L2-1 L3-1 R3-1）
（NetC5_1 C5-1 RP-1 V3-3）
（NetC6_1 C6-1 R5-1 V4-1）
（NetC9_1 C9-1 CK-1 CK-4_）
（NetC10_2
C1-2 C3-2 C4-2 C5-2 C8-2 C10-2 C11-2 CA-2
CC-2 K-1L4-K R2-2 R10-1 RP-2 T1-3 V2-3 V4-3 V6-3）
（NetC13_1 C13-1 T3-1）
（NetC14_2 C14-2 T4-2）
（NetCA_1 CA-1 CC-1 T1-1）
（NetCK_2 BL-2 CK-2 CK-3）
（NetL1_1 CB-2 CD-2 L1-1）
（NetL1_2 CB-1 CD-1 L1-2）
（NetL2_2 L2-2 V2-1 ）
（NetL3_2 L3-2 V3-1 ）
（NetR1_1 C7-1 C8-1 C11-1 R1-1 R4-1 R5-2 R6-1 T?
-1）
（NetR2_1 C2-1 R2-1 V1-3）
（NetR3_2 R3-2 R4-2 V3-2）
（NetR6_2 3V-1 BL-1 C10-1CK-5 R6-2 R7-2 R11-2 V5-2）
（NetR7_1 R7-1 R8-2）
（NetR8_1 R8-1 R9-2）
（NetR9_1 R9-1 R10-2）
（NetR11_1 L4-A R11-1）
（NetRP_3 C6-2 RP-3）
（NetT1_2 C1-1 R1-2 T1-2 T1-4 V1-1）
（NetT2_2 C13-2 T2-2 T3-2）
（NetT?
_2 T?
-2 V5-1）
（NetT?
_3 C9-2 T?
-3 V5-3 V6-2）
（NetT?
_5 T?
-5 V6-1）
（NetV1_2 T2-1 V1-2）
（NetV2_2 C14-1 T4-1 V2-2）
（NetV4 _2C7-2 T?
-4 V4-2）
4.3.3PCB图
第5章综合调试
（软件部分由马亚芳和赵宏宇完成硬件焊接由汪圆满薛正梁完成）
5.1软件设计
5.1.1系统主程序设计
为了能够达到抢答的公平、公正、合理，应该在主持人发布抢答命令之前必须先设定抢答的时间，所以应该得根据题目的难易程度事先设定时间，因而在编开始抢答前的程序得先编写设定时间的程序，在硬件电路中可以看到有两个按键（K12和K13）所以按下硬件的这两个按键相应的在软件进行对数据的加减。
当时间设好了之后，主持人发布抢答命令按下K9按键同时蜂鸣器发出声响，程序开始打开定时中断开始倒计时，然后调用键盘扫描子程序，编写键盘扫描程序。
当在扫描到有人按下了键，马上进入回答倒计时、调用显示程序、封锁键盘。
根据抢答器设计要求，其软件部分流程图如下图
主程序流程图
5.1.2键盘扫描程序设计
抢答选手的抢答程序设计是本设计的关键。
键盘扫描流程图如下
键盘扫描流程图
5.1.3显示程序设计
本次设计的显示部分在按下开始键时，后两个数码管显示倒计时间，以1s变换一次，并且调用延时设计，此时定时器采用中断方式，可以充分利用CPU。
在有选手按下抢答键时，第一个数码管显示选手号，最后两个数码管显示倒计时，定时器同样采用中断方式。
除此之外，本设计数码管具有闪烁功能，当有违规抢答时，第一个数码管会显示选手号，后两个数码管会闪烁显示FF，一个周期为每秒1次。
以表示抢答无效，此时定时器采用定时中断的工作方式。
连接时段选信号接在P0口德P0.0~P0.6七个I/O口上，数码管段选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P2.0口。
P3.1为开始抢答，P3.2为抢答时间设置按键，P3.3为回答时间设置按键，P3.4为时间加，P3.5为时间减，P3.6为停止。
八路扫描式抢答器部分参考程序（非法抢答部分）抢答部分程序见附录
/****************************非法抢答****************************/
voidfalse（）
{
if（P1!
=0xff）//如果p1口不等于ff，则执行一下程序，否则跳过
{
if（P1==0xf7）//1号选手违规按下
{m=1;}//赋值1，送显示
if（P1==0xfb）//2号选手违规按下
{m=2;}//赋值2，送显示
if（P1==0xfd）//3号选手违规按下
{m=3;}//赋值3,送显示
if（P1==0xfe）//4号选手违规按下
{m=4;}//赋值4，送显示
if（P1==0xef）//5号选手违规按下
{m=5;}//赋值5，送显示
if（P1==0xdf）//6号选手违规按下
{m=6;}//赋值6，送显示
if（P1==0xbf）//7号选手违规按下
{m=7;}//赋值7，送显示
if（P1==0x7f）//8号选手违规按下
{m=8;}//赋值8，送显示
n=0;//计数器中断次数清零
while（end==1）//停止按键未按下，循环以下
{if（n<6）//若计数器中断次数小于6，则执行以下
{a=10;b=10;c=10;//a，b，c均赋值10，不显示
display（）;//延时
speak=1;}//蜂鸣器关闭
if（n>=6）//若计数器中断次数大于等于6，则执行以下程序
{a=m;b=11;c=11;//a赋值违规选手号数，b，c赋值11，显示数码管中间一横
display（）;//延时
speak=0;
}//开启蜂鸣器
if（n==20）//若计数器中断次数等于20，则执行以下程序
{n=0;}//清零
}
speak=1;m=0;//关闭蜂鸣器；违规抢答位清零
a=10;b=10;c=10;//a，b，c均赋值10
}
}
/*****************************************************************/
5.2软件调试
软件的设计与调试实行分模块实现方法。
本设计软件调试中的分模块包括显示功能模块、调正时间功能模块，抢答功能模块以报警功能模块。
各个独立模块功能调试成功后，将这些模块程序通过主程序合并在一起，最后再对合并后的总程序进行调试。
各软件模块首先要通过PC和仿真器进行软件调试，当仿真效果符合要求后，再下载进单片机看是否能正常工作。
编程语言的软件设计采用MCS-51汇编语言编写，所使用的调试软件包括proteus和，KeiluVision2。
5.2.1KeiluVision2仿真
本设计用到了，KeiluVision2软件，首先打开软件，将程序输入，然后进行调试，将程序中的语法错误和逻辑错误纠正，调试完毕后，创建HEX文件，HEX文件用于烧写芯片，将制定程序写入已设计好的电路板中，使其能根据我们的要求实现相应的功能，最后将HEX文件烧写入AT89C51，运行电路，让其实现八路抢答器的功能。
如下图5-2-1所示
图5-2-1Keil仿真图
5.2.2Proteus仿真
本设计用到Proteus仿真软件。
首先将电路图根据设计要求在软件中准确的画出，进行ISIS原理图设计，在本设计中我们用到的是交互式仿真，用于检验所设计的电路能否正常运行。
如下图5-2-2所示
Proteus仿真界面图
复位显示FFF
启动开始键，倒计时30s
3号选手非法抢答
5号选手正常抢答
5.3硬件调试
线路检查：
根据硬件逻辑设计图，仔细检查电路是否正确，并且核对元器件型号，规格和安装是否符合要求，必要时可用万用表检线路通断情况。
同万用表检查各管教之间是否有短路，虚焊，漏焊现象。
检查无误后，测试各个芯片是否有损坏。
通电检查：
首先按下复位键，用万用表测试复位键的第四引脚是否有高电平输出，然后测试其第一管脚是否有低电平输出，如果是的话，说明电路连接正确，然后按下开始键，再按下抢答键1，之后按下抢答键2、3、4、5、6、7、8，分别观察数码管有无变化。
最后对蜂鸣器进行验证，看看是否正常发声。
通力分别按下其他7个抢答键进行检查。
5.4调试步骤
1.打开电源开关，数码管显示“FFF”。
2.设定"抢答"倒计时时间。
3.设定"答题"倒计时时间。
4.测试各组抢答按键。
试按一下各组的抢答按钮，应立即显示该组的组别数字，同时机内喇叭发出"叮咚"的提示音。
5.启动抢答倒计时，开始抢答。
"FFF"状态下，当主持人宣布抢答开始时，马上按一下"抢答"键，屏幕显示所设定的抢答倒计时时间并开始倒计时，提示倒计时时间马上临近结束。
倒计时到0以后，仪器发出"叮咚"的结束提示音，同时显示屏返回"FFF"待命状态。
在"抢答"倒计时中，如果有参赛组抢答，仪器屏幕立即显示该组的组别号，同时发出"叮咚"的抢答成功提示音。
需要返回"FFF"待命状态，按"取消"键即可。
6.启动答题倒计时
"FFF"状态下，或有参赛组抢答成功后,需要开始答题的计时时,按"答题计时"键，屏幕显示所设定的答题倒计时时间并开始倒计时，提示倒计时时间马上临近结束。
倒计时到0以后，仪器发出"丁冬"的结束提示音，同时显示屏返回"FFF"待命状态。
7.提前取消倒计时
无论是"抢答"还是"答题"的倒计时时间，需要提前退出，只要按一下"
取消"键，即可返回到"FFF"待命状态。
8.时间调整
如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”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“减1s”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0~99s，0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。
9.违规抢答
当主持人读题过程中，而未宣布抢答开始时按下抢答按钮。
主显示屏将显示该违规组号，及发出提示音。
及该组的红灯亮起。
第6章总结
（实验报告最后由马亚芳整理完成）
令人欣喜的是通过调试，结果完全符合抢答器设计要求。
此次设计主要以硬件系统为基础，硬件系统关系到电子产片的好坏，以提高系统性能。
单片机是很容易受干扰的控制器，当采用外部晶振时，应该尽量靠近单片机，以减少对其的干扰，防止出现程序混乱的现象。
硬件系统的好坏很大一部分在于经验，比如焊接的技巧，操作的规范。
所以我们要有好的动手实践能力。
而软件设计时，我们需要深深领会各个指令的含义才能加以利用。
终中断的合理利用可以有效减少对CPU的占用。
定时的应用更为实际。
软件的设计大部分采用模块化的设计以方便调试，并使可读性大大增强。
本设计的创作过程是紧张而有序的。
从基本方案的制定，到硬件电路的选择，再到实际电路的制作，最后进行软硬件的调试……在此期间虽然遇到很多困难，但各组员耐着性子认真思考并积极讨论，问题一个一个地解决。
过程是很艰难的，但经过每个人的分工合作、团结一致、相互协作，小组成员一次又一次品尝到解决问题时喜悦的滋味,经过奋斗，最终完成了题目的要求，并在此基础上作了更加优越的发挥部分。
在此次设计中，各自发现了自身知识储备的不足，经过这几天的奋斗，也可以说是这几天的学习与交流，小组成员学到了很多东西，最重要的是学会了一种精神———团结合作的团队精神。
在以后的时间里，大家会用这种精神去学习、去工作。
感谢谢熹老师给我们的提供这次学习和展示的机会，感谢谢熹老师的耐心指导。
参考文献：
[1]张伟，《单片机原理及应用》，机械工业出版社，2005
[2]曹国清，《数学电路与逻辑设计》中国矿业大学出版社，2004
[3]谢筑森、张辉等《单片机开发与典型应用设计》，中国科学技术大学出版社，1997
[4]薛栋梁，《单片机原理及应用》，中国水利水电出版社，2001
附录：
抢答部分程序
#include"reg51.h"//52系列单片机定义文件
#include"intrins.h"//调用_nop_（）;
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