单片机抢答器论文.doc
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单片机抢答器论文
基于单片机AT89C51的数字抢答器设计
基于单片机AT89C51的数字抢答器设计
摘要：
抢答器作为一种电子产品已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
一个八路数字抢答器的设计需要考虑到可更改回答及抢答时间功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。
用开关做键盘输出，扬声器发声提示。
同时系统能够实现在抢答中只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可在1-99s设定，可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示，抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位，按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
基于单片机AT89C51的数字抢答器设计，首先完成总体方案的论证制定，绘制控制台的总体框图，然后分析系统的工作原理，在此基础上设计出各部分单元电路原理图，分析其工作原理，进一步完成对系统电路的设计。
在对系统工作原理充分研究的基础上，选择合适的元件型号和参数，再用protel绘图软件画出电路原理图。
关键词：
AT89C51；LED数码管；抢答器；计时器
盐城工学院本科生毕业设计说明书（2010）
Eight-wayfirstanswerdevicebasedonAT89C51
Abstract:
Responderasanelectronicproductshavebeenwidelyusedinintelligenceandknowledgecompetitionsoccasions.Aneight-waydigitalansweringdevicedesignedtotakeintoaccounttoanswerandanswerintimetochangethefunction,usingAT89C51microcontrollerandexternalinterfaceoftheanswersystem,usingsinglechiptimer/countertheprincipleoftimingandcounting,willorganicallycombinehardwareandsoftware,allowsthesystemtocorrectlytime,whilethedigitalcontroltocorrectlydisplaythetime.Switchingtodowiththekeyboardoutput,speakervoiceprompts.AtthesametimethesystemcanbeachievedonlyafterthebeginningoftheResponderResponderonlyeffectiveifstartedbeforetheResponderRespondertobeinvalid;answerinalimitedtimeandthetimetoanswerquestionscanbesetin1-99s,whichplayerscandisplayiseffectiveandineffectiveResponderResponder,thecorrectbuttonpromptafterthemusic,answerintimeandanswerthequestionsoftimecountdowndisplay,thesystemtimeaftertheexpirationofthemasterforceautomaticresetandreset,thekeysarelockedinaneffectivestate,thebuttonisnotillegal.
AT89C51microcontrollerbaseddigitalansweringdevicedesign,thefirstcompletedemonstrationoftheoverallprogramdevelopment,renderingtheoverallblockdiagramoftheconsole,andthenanalyzetheworkingprinciple,basedonthedesignofthisunitofeachpartofthecircuitschematic,anditsworkingprinciple,furthercompletethesystemcircuitdesign.Thesystemworksinfullonthebasis,selecttheappropriatecomponentmodelsandparameters,andthendrawprotelschematicdrawingsoftware.
Keywords:
AT89C51;LEDdigitaltubes;thefirstanswerdevice;Time
25
目录
1.概述 1
1.1课题的相关背景 1
1.2选题的目的和意义 1
1.3课题研究的内容 1
1.4课题的优点及组成 1
2.方案论证 2
3.抢答器的系统概述 3
3.1国内外的研究现状 3
3.2抢答器的简介 3
3.3系统需求分析 4
3.4抢答器运行的流程图 4
3.5抢答器的工作过程 6
3.6AT89C51的功能及简介 6
3.7AT89C51特殊功能寄存器 9
4.硬件设计模块 10
4.1硬件电路的设计 10
4.2稳压电源电路设计 11
4.3时钟频率电路的设计 12
4.4复位电路的设计 12
4.5显示电路的设计 13
4.6键盘扫描电路的设计 14
4.7发声电路的设计 16
4.8系统复位 16
5.软件设计模块 19
5.1主程序系统结构图 19
5.2软件任务分析 19
5.3程序流程图 20
5.4Proteus软件仿真系列组图 21
6.结束语 23
参考文献 24
致谢 25
基于单片机AT89C51的数字抢答器设计
1.概述
1.1课题的相关背景
随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出了很强的生命力。
进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。
因其功耗低，超高型，低成本，功能完整，在国内越来越受到用户的重视和广泛使用。
1.2选题的目的和意义
通过这次设计，掌握51单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高独立思考能力和排除故障的能力。
同时通过本课题设计与调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
无论是军队还是电视节目中,都可能会举办各种各样的智力竞赛,都会用到抢答器。
如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。
为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
1.3课题研究的内容
系统采用模块化设计智能抢答器，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30s，回答问题时间为30s。
通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，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。
1.4课题的优点及组成
在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。
如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。
利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。
课题中主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。
本系统采用AT89C51单片机作为核心。
控制系统的四个模块分别为：
存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块。
该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；利用一个4位七段共阴数码管来完成显示功能。
工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制4位七段共阴数码管和喇叭工作。
在数码管上显示哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。
2.方案论证
方案一:
八路抢答器可以利用硬件电子元器件实现，系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。
该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，但是电路结构复杂，调试困难，涉及到外围元件多，并且制作过程工序比较烦琐，不便于安装，实验给实际操作带来很大的麻烦。
方案二:
该系统采用MCS-51系列单片机AT89C51作为控制核心，其片内带有4KflashROM，128的RAM，以及15根I/O口线能满足设计要求。
该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。
利用单片机程序判断选手按键是否有效，但是选手违规抢答，利用简答程序显示，启动蜂鸣器报警，告诉主持人有人违规操作，抢答无效。
给出相应的延时，选手按正常的操作抢答，软件倒计时，利用AT89C51移位寄存7段数码管，实现倒计时显示时间，到5秒相应时间提醒选手时间快到了，要及时作答，并启动蜂鸣器。
由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。
整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。
方案比较分析：
从第一个方案我们可以看出，这个抢答器是由抢答电路，定时电路，报警电路，时序控制电路四个电路组成。
扩展电路是由秒钟脉冲信号产生电路，译码电路，显示电路等，它的功能很齐全，设计的电路也很稳定。
但是它的造价却很高，仅仅是集成电路他就用了八个，这个跟我们当初的设计理念是相冲突的。
我们要的是功能齐全，但是造价比较低的设计。
所以我们放弃这个方案。
而方案二采用单片机，可靠性好，结构简单，具有显示出台号，倒计时功能等。
该模式充分体现了原有系统性能的改进，功能的扩展及其他同类系统的不同之处，它包括硬件逻辑图与软件流程图，比较经济实用，所以我们选用单片机的方案。
3.抢答器的系统概述
3.1国内外的研究现状
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。
为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。
在国内外已经开始了普遍的应用。
3.2抢答器的简介
数字抢答器系统设计是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、计时显示、提示功能、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等。
参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。
系统的主要功能模块方框图如图3-1所示。
AT89C51单片机
4位七段数码管显示
声音电路=
8路抢答
按键输入
复位电路
开始、结束
按键输入
加一、减一
按键输入
时钟
图3-1系统主要功能模块
数字抢答器采用模块化设计，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。
主持人有开始和结束键。
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30s，回答问题时间为30s。
通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，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。
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。
数字抢答器设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。
其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。
主持人依次按下复位键，开始键后开始抢答。
可以抢按：
超时数码管显示“FFF”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“FFF”。
若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。
若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。
3.3系统需求分析
a.在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。
b.抢答限定时间和回答问题的时间可以在1～99s设定。
c.可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有蜂鸣器提示。
d.抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。
e.抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到60s。
f.按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
3.4抢答器运行的流程图
抢答器的基本工作原理：
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。
抢答器的工作流程分为：
系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图3-2所示，下面分别予以介绍。
加载程序
运行
行
开始
开始数码管显
示FFF开始抢
按时间倒计时
开始前有选手抢按
显示违例选手号码并伴有语音报警
倒计时结
束，超时
有选手
抢按
显示FFF
显示选手号码，倒计
时时间,语音报警，答
题,答题时间倒计时
正常流程
违规流程
若超过答题
时间，则数
码管显示FFF
答题完毕
根据选手表现，规
则由主持人减分
图3-2抢答器工作流程
3.5抢答器的工作过程
a.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。
b.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30s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。
c.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。
d.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。
总而言之，本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。
3.6AT89C51的功能及简介
AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。
它最大特点是片内含有Flash存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。
AT89C51单片机内部主要有以下部件：
8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。
AT89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM，128B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。
单片微机内部最核心的部分是CPU。
CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。
控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。
它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。
运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。
外部定
时元件
复位
中断
电源
系统时钟
ROM
CPU
定时/计数器
串行I/O口
并行I/O口
RAM
图3-3AT89C51单片机的内部结构图
为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。
其内部结构如图3所示。
AT89C51的主要性能包括：
AT89C51与MCS—51控制器系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（FlashMemory），存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电压范围宽：
Vcc可由2.7V到6V；全静态工作可由0Hz到16MHz；程序存储器具有3级锁存保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
管脚说明：
图3-4AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
接口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.20（外部中断0）
P3.31（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6（外部数据存储器写选通）
P3.7（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。
/VPP：
当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.7AT89C51特殊功能寄存器
特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称SFR（SpecialFunctionRegister）。
特殊功能寄存器共含有22个不同寄存器。
它们的地址分配在80H～FFH中，即在RAM地址中。
这些寄存器的名称和地址见表3-1。
表3-1AT89C51特殊功能寄存器列表
符号
地址
注释
*ACC
E0H
累加器
*B
F0H
乘法寄存器
*PSW
D0H
程序状态字
SP
81H
堆栈指针
DPL
82H
数据存储器指针低8位
DPH
83H
数据存储器指针高8位
*IE
A8H
中断允许控制器
*IP
D8H
中断优先控制器
*P0
80H
端口0
*P1
90H
端口1
*P2
A0H
端口2
*P3
B0H
端口3
PCON
87H
电源控制及波特率选择
*SCON
98H
串行口控制器
SBUF
99H
串行数据缓冲器
*TCON
88H
定时器控制
TMOD
89H
定时器方式选择
TL0
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