八路抢答器设计.docx

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八路抢答器设计

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。

其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。

本毕业设计（论文）成果是本人在XXXX期间在指导教师指导下取得的，成果归XXXX所有。

特此声明。

作者签名（手写）：

签名日期：

年月日

版权使用授权书

本毕业设计（论文）作者及指导教师完全了解XXXX有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅。

作者签名（手写）：

指导教师签名（手写）：

日期：

年月日日期：

年月日

论文题目：

基于单片机的八路抢答器设计

专业：

电子信息工程

学生姓名：

XXX

指导教师：

XXX讲师

摘要

如今是一个科技发展迅速的社会，电子技术行业也在不断地更新与加强，在这竞争激烈的环境里，各式各样的竞赛随之越来越多，因此对于抢答器功能和性能的要求也越来越高。

本次设计系统是以单片机AT89C51为主导核心，为了达到显示效果和设计要求，结合数码管显示器、自动复位电路以及自动锁存器等功能设备完成此次设计，该系统工作原理主要是根据抢答者向单片机C51发送的信号不同，再由C51的控制处理模块发送与之相对应的信号，根据不同的信号最终在数码管中显示出相应的路数，不管两组或两组以上的抢答时间相差多少，都可以锁定最先按下按键的那组路数，其利用了锁存器的原理，并且很好的运用了C51单片机系统结构简单，可靠性好、控制功能抢答、使用性能强等优势。

本文的设计目的是突显抢答的效果，为了满足有时间限制回答的要求，在制作过程中就要求规定一定的时间。

本次抢答结构则由AT89C51款芯片和外部连接电路构成，再根据CPU芯片的定时器/计数器的作用、思路，把硬件和软件充分地联系起来，从而让设计能够做到准确无误地展开计数，不仅如此，时间也能正确无误地在数码管上显示出来。

用开关做键盘输出，扬声器发出提示。

关键词:

AT89C51单片机；抢答器；定时器/计数器；数码显示管；扬声器

ThesisTitle:

microcontroller-baseddesignOctalResponder

Professional:

ElectronicInformationEngineering

StudentName:

XXX

Instructor:

XXX

ABSTRACT

Nowisasociety,therapiddevelopmentofscienceandtechnologyelectronicsindustryisinconstantupdatesandstrengthen,inthiscompetitiveenvironment,allkindsofcompetitionwiththemoreandmore,sototherequirementofthebuzzerfunctionandperformanceisbecomingmoreandmorehigh.ThisdesignsystembasedonsinglechipmicrocomputerAT89C51astheleadingcore,inordertoachievedisplayeffectanddesignrequirements,combinedwithdigitaltubedisplay,automaticresetcircuitandautomaticlatchfunctionsuchasequipmenttocompletethedesign,theworkingprincipleofthesystemismainlybasedontothesignalsentbyamicrocontrollerC51differentviestoanswerfirst,andthenbyC51controlwiththecorrespondingsignalprocessingmodule,accordingtothedifferentsignalinthedigitaltubedisplaythecorrespondingeventually,regardlessoftheabovetwogroupsortwogroupviestoanswerfirsttimedifferencehowmany,canlockthefirstpressthebuttonofthegroup,theuseoftheprincipleofthelatch,andagooduseofC51systemstructureissimple,goodreliability,controlviestoanswerfirst,usetheadvantagesuchasbeingstrongofperformance.

Thisarticleisdesignedtohighlighttheeffectofviestoanswerfirst,inordertomeettherequirementoftimelimitationtoanswer,intheproductionprocessrequiresacertainamountoftime.ThisconteststructureismadeupofAT89C51chipandexternalconnectioncircuit,accordingtotheroleoftheCPUchiptimer/counterandtrainofthought,toconnectfullyofhardwareandsoftware,sothatthedesigncanbeaccuratetostartcounting,notonlythat,buttimecanalsobecorrectonthedigitaltubedisplay.Madethekeyboardoutputswitch,speakerstoprompt.

KEYWORDS:

AT89C51;Thebuzzer.Thetimer/counter.Digitaldisplaytube;Thespeaker

1前言

单片机自1970年出现开始，如今在工业控制方面、家用电器、汽车电子、机电一体化设备、智能仪器仪表等各个方向已经有了广泛地应用。

它的问世是计算机真正构成了通用计算机体系和嵌入式计算机体系两个分支的标志[1]。

如今，单片机芯片由于其体积小、成本低、作用强大、应用方便、可靠性高和开发周期短等优点，大量运用到工业检测、智能仪器仪表、消费类电子产品、武装设备、通信、各种终端及计算机外部设备、汽车电子设备、分布式多机系统等领域，生活中到处可以看到单片机的踪影，比如：

我们用的手机、洗衣机、电视机，电风扇等。

在一些设备中引入单片机后，使其功能及性能都有提升，实现智能化、最优化控制，从而使我们的生活更加方便、舒适、丰富多彩，各方面水平大大提高。

接下来我们就来谈谈单片机的发展史。

1974年—1976年是单片机初级阶段，F8是仙童公司在1974年12月生产8位的单片机，其只包含8位中央处理器（CPU）、64kB随机存储器（RAM）和2个并行口，由于当时工艺限制，单片机采用双片的形式并且功能相对简单。

[2]

1976年—1978年是低性能单片机阶段，该时段是以探究计算机的单芯片集成为目的。

1976年intel公司研制出MCS-48单片机，这也是单片机的问世，其极大地促进了单片机的变革和发展；此时的单片机虽然没有串行口，但其具有8位CPU、8位时序同步计数器、并行I/O端口。

而1978—1983年是高性能单片机阶段，这一阶段的任务是完善单片机的体系结构。

其单片机存储容量以及寻址范围都有所加大，并且定时器、并行I/O口和中断源个数都存在不同层面的提升，在指令系统方面还引进了位比较，位操作和乘除法指令。

寻址范围到了64K，有的还带有A/D转换器。

比如：

Zilog公司推出的Z8单片机，Intel公司的MCS—51系列以及Mortoeola公司的6801单片机等。

此类单片机的应用已经非常广泛，也是目前国内外产品的主打。

1983—1990年是8位高性能单片机和16位单片机并行发展的时代。

MCS—96系列单片机是由Intel公司推出来的一种16位单片机的代表产品，其功能强大，集成度非常高，并且运算速度快。

该时期的单片机充分突显出单片机其操控性能的特点，主要表现在其能够有效地引进一部分脉宽调试器、模数转换器、程序运用监视器。

比如A/D转换、D/A转换，串行/并行接口、总线控制部件、程序监视定时器等结合单片机，加强了外围电路功能，强化智能控制的特征。

现在的单片机阶段可以说是说是微控制器的全面发展阶段。

也就是32位单片机的阶段，可谓是CPU的顶级产品，其除了具有更高的集成度外，还具备很高的运算速度，性能也比8位、16位单片机更加高。

20世纪90年代，Intel、Mortorola、ATMEL、德州仪器（TI）、日立、三菱、Philips等公司开发了一大批性能优越的单片机，有利地推进了单片机的发展及应用。

2系统方案任务与设计

2.1系统设计任务

此次任务主要核心控制元件是AT89C51单片机，结合硬件调试和软件调试来完成此次实验的功能要求，当然调试之前必不可少的是在keil编程软件中进行系统的软件编程，并且进行编译和调试，将最后生成的.hex文件烧入AT89C51单片机芯片中，能达到抢答器倒计时、信号锁存等功能。

具体任务：

（1）本次抢答器可允许8名参赛者在同一时间段参与比赛抢答，用8个按键来完成。

（2）该抢答器能实现清零和非法抢答的功效，由指定按键控制，用来避免选手在还未开始的情况下抢答，违反规则。

（3）当“开始按键”被按下时候，定时器就开始工作，进行倒计时，倘若在30S内还是没有人进行按键抢答就表示所有参赛者放弃本题，抢答失败，并不再允许对本题进行抢答。

（4）倒计时还有5S时，如果依旧没有选手抢答，即系统每1S报警一次，用来提醒选手。

（5）本次抢答器还具备了锁存和显示的功效。

也就是说参赛选手按下按键时，系统会锁定对应的参赛者号码，并且锁定起来，从而能够显示出对应参赛者的号码和倒计时间在LED上。

其锁存功能是具有优先性的，也就是说，只选择第一个抢答选手，其他按键者是不响应的，突显了系统的公平性。

（6）在比赛倒计时过程中，倘若想结束本题的抢答，可以按下“停止”按键，从而使系统处于饱和状态。

2.2系统设计方案

工作的基本思路：

当系统接上电源时，按下复位键，此时抢答器处于不工作状态，并且路数显示器也不工作，此时定时器显示预先设定好的时间。

当主持人按下开始键时，抢答器运行也就是说可以进行抢答，定时器进行计数，开始倒计时，当参赛者在规定时间按下对应的按钮的情况下，抢答器进行一系列操作，如：

编码锁存、数码管显示数据，定时器停止工作等；倘若参赛者未能在在设置好的时间按下抢答按钮，抢答器会自动响铃，用来表示本题抢答时间已过。

2.3系统总体框图

图2-1系统总体框图

3系统硬件电路设计

3.1关于AT89C51单片机

C51系列单片机器件运用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，该单片机继承MCS－51的原有性能，与MCS—51系列单片机在原有功能、引脚等方面完全兼容。

由于其8位单片机强大的功能能满足使用者的需求，为很多嵌入式控制系统展示了一种灵活性高并且价钱便宜的方案，灵活应用于各个控制领域。

如图3-1的结构图展现了AT89C51单片机的内部硬件组成构造。

就像其图所展示的：

在一块大小有限的集成电路芯片上，集成了一些控制应用方面所需要的基本部件，其中8位微型处理器（CPU）、可编程并行口、可编程16位定时器／计数器、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）等。

下面主要介绍AT89C51的引脚功能。

图3-1AT89C51单片机的片内硬件组成结构

单片机管脚说明：

图3-2AT89C51单片机引脚图

VCC（第40脚）：

接+5v电源供电电压。

GND（第20脚）：

接地。

XTAL1（第19脚）：

片内震荡器和时钟发生输入端。

XTAL2（第18脚）：

片内反相振荡器的输出端。

P0口（第32~39脚）：

P0口是一个漏级双向开路I/O口，内部没有上拉电阻，每脚可以控制8个TTL逻辑门电路。

在它作为一般输出数据端口的情况下，其被当成开路电路对待，如果该端口为高电平且需要输出正常时，则需要在外部接入一个上拉电阻，并且为了达到以免输入时数据读取出错的情况下，也许采用这种措施。

而当P0口作为通用接口输入数据的时候，在数据输入前，应该将该端口置，让其处于悬空状态，以便后期工作[3]。

P1口（第1~8脚）：

P1引脚是一个专门为用户供应使用的I/O口，用户可以利用它作为I/O口线使用，它是连接上拉电阻的准双向口。

此外，P1口部分引脚还具有第二功能，见下表所示：

表3-1P1口部分引脚的第二功能

引脚

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MIS0（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口（第21~28脚）：

P2口片内既包含上拉电阻又具备开关的基本性能，就输出功能方面而言，该引脚还具备P0口和P1口的基本功效。

P2端口不仅可以被用户当作I/O口使用，还可以作为总线使用。

当系统不存在外部程序存储器或者外部存储器容量比256B还小的情况下，则是被当作I/O口使用，而此时不存在控制信号。

P2口的地址信息无需锁存，其并不是像P1端口那样分时使用[4]。

P3口（第10~17脚）：

P3口管脚可以说其是多功能引脚，通常把其端口作为I/O口，但是它存在第二功能。

其具备第二功能的条件有：

（1）串行I/O处于运行状态；

（2）外部中断被打开；

（3）定时器/计数器处于外部计数状态；

（4）执行读写外部RAM指令；

P3口作为特殊功能端口，见下表：

表3-2P3口的特殊功能

引脚

功能

说明

P3.0

RXD

串行数据输入口

P3.1

TXD

串行数据输出口

P3.2

/INT0

外部中断0输入

P3.3

/INT1

外部中断1输入

P3.4

T0

定时器0外部计数输入

P3.5

T1

定时器1外部计数输入

P3.6

/WR

外部数据存储器写选通输出

P3.7

/RD

外部数据存储器读选通输出

RST（第9脚）：

复位信号输入引脚，需要输入电平为1的信号该引脚在系统中才起作用。

如果要让单片机顺利地完成复位，则需要在该端口上加2个机器周期的高电平信号。

该引脚的电平不能高于0.5v，否则单片机不能正常工作。

/PSEN（第29脚）：

片外存储器选读选通信号引脚。

工作特点如下：

（1）低电平有效；

（2）内部ROM读取时，该引脚不工作；

（3）外部ROM读取时，每周期会有动作两次；

（4）外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

/EA/VPP（第31脚）：

/EA作为该引脚的第一个功能，也就是指片外程序存储器允许控制端。

当/EA端口输入0时，无论片内程序存储器存不存在，都只是读取片外的内容，但是其读取地址有限定范围（0000H-FFFFH）；而在/EA端保持高电平的情况下，如果PC的值在限定范围（0000H-0FFFH）内，C51系列芯片获取片内存储器的内容，倘若PC的值比限定范围还大，则自己就能获取片外存储器空间的程序[3]。

ALE//PROG（第30脚）：

当中央处理器（CPU）访问片外程序存储器或者外部数据存储器时，ALE为其提供一个地址锁存信号，也就是把低八位地址锁存于外部地址锁存器中。

在一般情况下，该引脚一直输出不变频率周期的正脉冲信号，该频率的值是时钟振荡器频率fosc的六分之一。

所以该信号可以用来对外部进行定时操作也可以说用来发送脉冲信号。

不过值得留意的是：

每次单片机去查询片外数据存储器时，将要避开掉一个ALE脉冲。

但是如果需要禁止ALE输出，就可以将SFR8EH地址置零。

不过在执行访问MOVC指令时，ALE依旧是有效的。

然而，/PROG为第30引脚的第二功能，也就是说当对内部Flash编程时，其引脚扮演输入编程脉冲的角色[3]。

3.2关于74LS373锁存器的介绍

74HC573同M54HC563、M54HC573、74LS373一样，它们的八个锁存器都是D型锁存器。

经常被使用于地址锁存以及输出口的扩展中。

以下就74HC573的功能及性质简要说明：

74HC573是一种高速的互补金属氧化物半导体器件，74LS373则是一种低功耗的TTL8D锁存器，其功能和74HC573一样，两种一般可以相互替代。

74HC573锁存器内拥有8个相同的D型（三态非反转）锁存器，其由两个控制端控制，分别是1脚的OE和11脚的LE。

当1脚连接的是地端时，如果11脚输入的是高电平信号，此时74HC573就可以收到来自物理运算处理器发出的地址信号；而倘若11脚接收到的信号不是“1”而是“0”，该芯片就会将收到的地址信号锁存起来。

3.3系统硬件设计

3.3.1抢答器显示模块的选择

显示模块主要的功能是显示选手的号码、抢答器时间等。

本次毕业设计应用的是4位七段LED数码管，如图3-3所示。

本次使用的数码管是通过多个发光二极管封装在一起构成的可显示数字字形器件。

图3-34位七段LED数码管

不过，LED数码管需要正确显示，单片机就要通过输出端口控制数码管显示不同字段的亮暗完成字符显示，并且加入一些控制电路，来完成我们所要数字的显示，所以依据LED灯不同的操作方式，可以将其分为静态驱动方式和动态驱动方式。

静态驱动显示稳定、显示亮度高，编程相对也简洁，可是此方法占用I/O端口资源较多；而动态驱动显示虽然没有静态驱动方式稳定，并且程序编程还是比较复杂，但是就静态式驱动而言，该方式占用的端口资源是比较小点的。

此次的毕业设计根据实际情况考虑采用的是动态式驱动显示方式。

本次设计的4位七段数码管显示电路如下图所示。

图3-44位七段数码管显示电路

图3-4图中数码管是一个四位七段共阳极的数码管，其中A、B、C、D、E、F、G、DP段分别接在单片机的P0口上，并且由单片机P0口数据来决定段码数，而位选码COM1、COM2、COM3、COM4分别连接单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口，以便于单片机来决定此时该显示的是哪一位。

如上图，其中还有一个排阻，其连接在P0口，是P0口的上拉电阻，作用是当P0口没有数据输出时，使其保持在高电平状态。

3.3.2控制器选择

控制器主要的作用是控制显示、报警、抢答、计时等模块。

本次设计采用的控制器CPU方案是ATMEL公司的AT89C51。

C51系列功能强大，运算速度快，用软件进行控制方便简单，通过软件进行编程可掌握逻辑电路同时还能够展开各种算法，C51系列单片机占据各种优势，凭借体积小，成本低使用起来功耗低，还方便的各种功能优势，使它广泛应用于不同领域。

图3-5AT89C51元件图

3.3.3键盘选择

键盘是本次系统必备的输入装备，是实现人与单片机对话的主要纽带，它可以向C51单片机发送数据或命令。

单片机最常用的是按键键盘，其中非编码键盘是用户广泛选择使用的，非编码按键种类也是各式各样，而相对比叫应用广泛是独立式键盘和矩阵式键盘。

本次系统的设计采用的是独立式键盘，如图3-6所示。

按键连接方式的独特之处是一键一线，也就是说该按键之间的关系是没有任何关联的，每一个按键各接一条数据线，这样的特点正是本次设计所需要的，八路抢答器毫无疑问至少需要8个按键，又需要满足互不干扰，公平、公正的效果，则要求键盘接口需要8根I/O口线，并且各按键工作互不影响，以便编程过程中对相应按键作出不同的处理、控制[4]。

图3-6抢答按键

3.3.4时钟频率电路的设计

单片机为时序电路，一定要在时钟驱动的情况下才能正常工作。

单片机内部存在一个时钟震荡电路，只要在外部连接一个晶振电路就能够产生对应的时钟信号并且传送到AT89C51单片机内部的各个模块单元，从而控制CPU的工作、操控其工作速率，时钟频率电路如图3-7所示。

图3-7时钟频率电路

3.3.5复位电路的设计

AT89C51单片机的复位是通过外部复位电路累完成的。

RST引脚为复位端，其借助一个叫施密特触发器来抵制噪声。

复位电路中复位方式一般会选择按键和上电两种。

然而上电复位电路操控起来是相当简便快捷的，它是根据电容器充电实现的，系统通电的那一刹那，RET端的电位的值相当于VCC值，但因为电容的充电，而充电电流慢慢降低，RET的电位随之降低，此时复位过程需要的最少的时间就是振荡器形成时间与两个机器周期相加之和。

也就是说只要将RET端保持4个机器周期的高电平就能够达到复位的功能，复位之后单片机的各处状态都恢复到原来的状态，复位电路如图3-8所示[4]。

图3-8复位电路

3.3.6蜂鸣器电路设计

蜂鸣器就是一种采用电流电压供电将警示电信号转换成人耳可以感知的电声装换装置，如今在各种电子作发生器件的产品中广泛应用。

蜂鸣器通常按其结构性质可分为电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器。

本次选定的报警电路则是采用单频蜂鸣电路，它的工作原理是：

当发生需要报警的条件是，P2.7由原先的高电平被拉低，此刻三极管也就导通，有电流流向蜂鸣器，随之喇叭发出响声，从而形成达到报警效果；如果报警信号不存在，P2.7端口默认为1的状态，三极管不会导通，处于截止状态，蜂鸣器也不工作，也就是没有响声。

倘若倒计时5秒时无人抢答，软件编程控制，将P2.7拉低，蜂鸣器则会发出报警声，以便提醒选手时间。

如果30秒过去还是没有人抢答无疑表示本次抢答结束，蜂鸣器发出警报并且禁止抢答，蜂鸣器电路如图3-9所示。

图3-9蜂鸣器电路

4软件设计

4.1系统软件分析

任何一个应用系统都包含着自己的硬件系统和软件系统，其中任意一部分少了都不可称之为一个完整的应用系统，在本次设计中，它们是相辅相成的，硬件系统为软件系统提供了一个可以控制的平台环境；而硬件系统通过软件系统扩展自身功能，它们的结合使系统的功能变得更加强大和多样化。

软件系统和硬件对于一个完整的应用系统来说，都是非常重要的部分。

4.2语言选择

目前单片机编程语言主要是由C语言和汇编语言两种语言构成。

C语言也可以叫做高级语言，相对而言，在进行程序