单片机 80C51智能抢答器.docx

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单片机80C51智能抢答器

课程设计报告

系（院、校区）：

信息与电子工程系

专业：

电气自动化技术

学生姓名：

胡永波

学号：

1001040113

课程设计题目：

基于单片机的智能抢答器设计

起迄日期:

10月28日~12月26日

课程设计地点:

1421

指导教师:

孙小羊

一、课程设计任务和要求

1、课程设计任务

设计八路智能抢答器。

根据设计内容，要求学生结合已学过的知识，查阅资料，选择适合的单片机芯片，掌握其使用方法，使用KEIL与ＰＲＯＴＥＵＳ软件实现系统的仿真，调试。

画出硬件电路图和软件流程框图，编写相应的程序。

2、课程设计要求

１正确设计，计算定时，计数的各个单元电路

２按键控制电路实现。

按键锁定，在有效抢答状态下，按键无效非法。

３抢答限定时间和回答问题的时间可在１～９９设定；在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前无效；

４数码管能够正确地显示时间。

可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答；抢答时间和回答问题时间倒计时显示，满时后系统计时自动复位；

二、单片机抢答器硬件电路设计

1、整体方案设计

电子智能抢答计分器在抢答过程中，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。

为了完成这个任务设计时系统能显示抢答组号、各组计分并能计分显示以及比赛结束时能发出报警声三个要求；电子智能抢答计分器主要是由硬件部分和软件部分构成，硬件和软件分开设计；系统综框图如下：

系统框架图

抢答器的工作原理：

抢答器的工作原理是利用单片机的定时器T0、T1中断完成,其余状态循环调用显示子程序,用4个共阴极LED数码管来显示，用P0口作为数码管的八个段选，用P2口中的P2.0、P2.1、P2.2、作为4个数码管其中3个位选，P1口接4个按键，提供选手抢答，P3.0-P3.5四个接四个按键，提供开始、结束、答题时间调整、抢答时间调整，加1、减1调整之用。

抢答功能：

通过四路按键配合程序来实现抢答功能。

当主持人按下抢答键开始抢答后，此时任一路按下按钮均闭锁其它各路，由程序对键盘译码并显示最先按下抢答键的路数及其当前时间。

抢答限时：

主持人按下抢答键后，设置5秒为抢答时间（此时间可在1-99秒之间修改）。

若5秒内无人抢答，倒计时为0时发出报警，说明该抢答题目作废。

此时闭锁所有抢答按键，只有当主持人再次按下抢答键开始下一次抢答方可抢答。

答题限时：

当选手按下按钮时，启动倒计时（此倒计时时间可在1～99秒之间修改），倒计时为0时发出报警，说明答题时间到。

2、各模块电路设计

1、控制系统及所需元件

芯片的选择

抢答器电路的核心是89C51单片机，其内部带有4KB的FLASHROM，无需外扩程序存储器；抢答器没有大量的运算和暂存数据现有的128B篇内RAM已经能满足容量需求，故不需外扩片外RAM，系统配有8位8段数码显示管，管采用共阴数码管，作为时钟的显示输出。

控制系统主要由单片机应用电路、存储器、接口电路、显示接口电路组成；其中单片机采用的是AT89C51单片机使系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作。

所需元件：

该系统的核心器件是AT89C51，其外部接上复位电路、上拉电阻、数码管、按钮及扬声器。

元件为：

晶体振荡管X1，电容C1、C2、C3，电阻RP1，P3.0和P3.1有裁判控制分别是抢答停止和开始键；P1.0-P1.7是8组抢答的输入口；P2.0-P2.3口为数码管的段选口；位选口用的是P0.0-P0.6口输出，外部中断0、1和P3.3,P3/4为抢答记时调整口，实现的对个队进行计时，并且加减调整，外部中断0，1实现了答题时间调整。

P3.4、P3.5分别实现了时间的加一和减一；P3.6为蜂鸣器控制口。

智能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AT89C51，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。

该智力竞赛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。

AT89C51单片机由微处理器，存储器，I/O口以及特殊功能寄存器SFR等部分构成。

其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间，片内程序存储器的容量为4KB，片内数据存储器为128个字节。

89C51单片机有4个8位的并行I/O口：

P0口，P1口，P2口和P3口。

各个接口均由接口锁存器，输出驱动器和输入缓冲器组成。

P1口是唯一的但功能口，仅能用作通用的数据输入/输出口。

P3口是双功能口除了具有数据输入/输出功能外，每条接口还具有不同的第二功能，如P3.0是串行输入口线，P3.1口是串行输出口线。

在需要外部程序存储存储器和数据存储器扩展时，P0可作为分时复用的低8位地址/数据总线，P2口可作为高8位的地址总线。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

复位电路的设计

复位电路原理图

该复位电路采用上电自动复位和手动复位两种复位方式，图中网络标号所指9连接到单片机的复位引脚。

要实现复位只需在，51系列单片机的RESET引脚上加上5ms的高电平就可以了。

上电复位是利用电容的充电来实现的，即上电瞬间RESET端的电位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也逐渐增大，充电电流减小，RESET端的电位。

这样就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲的持续时间进行调节。

通常若采用12MHz的晶振时，复位元件参数为22μF的电解电容和10kΩ的电阻。

按钮复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET端维持两个机器周期的高电平实现复位的。

晶振电路的设计

MSC-51单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计中采用内部时钟方式。

单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。

时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。

一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，如图所示。

加电以后延时一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，图中Y1为晶振，震荡产生的时钟频率主要由Y1确定。

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起微调作用，典型值为30pF。

晶振电路的设计如图所示：

晶振电路原理图

数码显示管的选择

数码显示管用来作为时间的显示输出，一般用7段数码显示管。

本次设计中采用7段共阴数码显示管应用简单、可靠性高、成本低，作为显示输出。

连接时段选信号接在P0口的P0.0～P0.6七个I/O口上，P1口是准双向I/O接口在输出驱动部分具有驱动4个TTL负载的能力，即输出电流不大于400μA，所以在接电阻时选择接510Ω限流电阻。

而在位选方面采用单片机P2口的P2.0～P2.2三个I/O口作为位选信号的输出口。

按钮输入电路的设计

抢答器的输入按钮使用常开开关，

抢答按键

这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”

现象就可以了。

这里采用最常用的方法即延时法，其的原理为：

因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间（这里取10ms）后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。

蜂鸣器

蜂鸣器的发声主要用于对有抢答时的报警信号，以提示主持人。

蜂鸣器的发声由三极管放大电压、电流来驱动，其中三极管的基集接单片机的P0.7口，以提供导通基集电流，从而经放大后达到蜂鸣器的发声电压、电流。

其电路图所示：

蜂鸣器电路

3、整体硬件电路图

三、单片机抢答器软件设计

1、流程图

1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：

软件系统结构图

2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。

定时器T0用于使扬声器发声，当需要响铃时，把响铃标志位置一，每次中断都对P3.7取反，扬声器发声，改变定时器初值，可改变扬声器频率。

定时器程流程图如下：

响铃程序流程图

定时器T1用于倒计时，每次中断为50ms，当计数标志为20时即为一秒，显示数字减一。

其流程图如下：

倒计时中断流程图

外部中断0用于调整倒计时时间，流程图如下：

调整抢答时间流程图

主程序协调三个中断一起工作，实现抢答功能,其流程图如下：

主程序流程图

2、根据流程图编写程序

程序代码：

P3.0为开始抢答，P3.1为停止，P1.0-P1.7为八路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2的低三位口，蜂鸣器输出为P3.6口。

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINT0SUB

ORG000BH

AJMPT0INT

ORG001BH

AJMPT1INT

OKEQU20H;抢答开始标志位

RINGEQU22H;响铃标志位

ORG0040H

MAIN:

MOVR1,#0FH;初设抢答时间为15s

MOVR2,#0AH;初设答题时间为10s

MOVTMOD,#11H;设置未定时器/模式1

MOVTH0,#0F0H

MOVTL0,#0FFH;越高发声频率越高,越尖

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H;50ms为一次溢出中断

SETBEA

SETBET0

SETBET1

SETBEX0

SETBEX1;允许四个中断,T0/T1/INT0/INT1

CLROK

CLRRING

SETBTR1

SETBTR0;一开始就运行定时器,以开始显示FFF.如果想重新计数,重置TH1/TL1就可以了

查询程序:

START:

MOVR5,#0BH

MOVR4,#0BH

MOVR3,#0BH

ACALLDISPLAY;未开始抢答时候显示FFF

JBP3.0,NEXT

ACALLDELAY

JBP3.0,NEXT;去抖动,如果"开始键"按下就向下执行,否者跳到非法抢答查询

ACALLBARK;按键发声

MOVA,R1

MOVR6,A;送R1->R6,因为R1中保存了抢答时间

SETBOK;抢答标志位,用于COUNT只程序中判断是否查询抢答

MOVR3,#0AH;抢答只显示计时,灭号数

AJMPCOUNT;进入倒计时程序,"查询有效抢答的程序"在COUNT里面

NEXT:

JNBP1.0,FALSE1

JNBP1.1,FALSE2

JNBP1.2,FALSE3

JNBP1.3,FALSE4

JNBP1.4,FALSE5

JNBP1.5,FALSE6

JNBP1.6,FALSE7

JNBP1.7,FALSE8

AJMPSTART

非法抢答处理程序:

FALSE1:

ACALLBARK;按键发声

MOVR3,#01H

AJMPERROR

FALSE2:

ACALLBARK

MOVR3,#02H

AJMPERROR

FALSE3:

ACALLBARK

MOVR3,#03H

AJMPERROR

FALSE4:

ACALLBARK

MOVR3,#04H

AJMPERROR

FALSE5:

ACALLBARK

MOVR3,#05H

AJMPERROR

FALSE6:

ACALLBARK

MOVR3,#06H

AJMPERROR

FALSE7:

ACALLBARK

MOVR3,#07H

AJMPERROR

FALSE8:

ACALLBARK

MOVR3,#08H

AJMPERROR

倒计时程序（包括有效抢答程序）:

COUNT:

MOVR0,#00H;重置定时器中断次数

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H；重置定时器

RECOUNT:

MOVA,R6;R6保存了倒计时的时间

MOVB,#0AH

DIVAB;除十分出个位/十位

MOV30H,A;十位存于（30H）

MOV31H,B;个位存于（31H）

MOVR5,30H;取十位

MOVR4,31H;取个位

MOVA,R6

CLRC

SUBBA,#07H

JNCLARGER;大于5s跳到LARGER,小于等于5s会提醒

MOVA,R0

CJNEA,#0AH,FULL;1s中0.5s向下运行

CLRRING

AJMPCHECK

FULL:

CJNEA,#14H,CHECK;1s时,响并显示号数并清R0,重新计时

SETBRING

MOVA,R6

JZQUIT;计时完毕

MOVR0,#00H

DECR6;一秒标志减1

AJMPCHECK

LARGER:

MOVA,R0

CJNEA,#14H,CHECK;如果1s向下运行,否者跳到查"停/显示"

DECR6;计时一秒R6自动减1

MOVR0,#00H

CHECK:

JNBP3.1,QUIT;如按下停止键退出

ACALLDISPLAY

JNBP1.0,TRUE1

JNBP1.1,TRUE2

JNBP1.2,TRUE3

JNBP1.3,TRUE4

JNBP1.4,TRUE5

JNBP1.5,TRUE6

JNBP1.6,TRUE7

JNBP1.7,TRUE8

AJMPRECOUNT

QUIT:

CLROK;如果按下了"停止键"重新回到开始

CLRRING

ACALLBARK

AJMPSTART

正常抢答处理程序：

TRUE1:

ACALLBARK;按键发声

MOVA,R2

MOVR6,A;抢答时间R2送R6

MOVR3,#01H

CLROK;

AJMPLOOP2

TRUE2:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#02H

CLROK

AJMPLOOP2

TRUE3:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#03H

CLROK

AJMPLOOP2

TRUE4:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#04H

CLROK

AJMPLOOP2

TRUE5:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#05H

CLROK

AJMPLOOP2

TRUE6:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#06H

CLROK

AJMPLOOP2

TRUE7:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#07H

CLROK

AJMPLOOP2

TRUE8:

ACALLBARK;

MOVA,R2

MOVR6,A

MOVR3,#08H

CLROK

LOOP2:

AJMPDISPLAY;抢答后停止计时，等待返回

SETBRING

JNBP3.1QUIT

AJMPLOOP2

犯规抢答程序:

ERROR:

SETBRING;犯规响铃

MOVR5,#0BH

MOVR4,#0BH;显示FF和犯规号数

LOOP3:

ACALLDISPLAY

JNBP3.1QUIT1;等待“停止”键按下

AJMPLOOP3

QUIT1:

CLRRING

CLROK

AJMPSTART

显示程序:

DISPLAY:

MOVDPTR,#DAT1;查表显示程序,利用P0口做段选码口输出/P2低三位做位选码输出

MOVA,R5

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,#01H

MOVP0,A

ACALLDELAY

MOVDPTR,#DAT2

MOVA,R4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,#02H

MOVP0,A

ACALLDELAY

MOVA,R3

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,#04H

MOVP0,A

ACALLDELAY

RET

DAT1:

DB00H,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H

;"灭","1","2","3","4","5","6","7","8","9","灭","F"

DAT2:

DB3FH,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H

DELAY1:

MOV35H,#08H

LOOP0:

ACALLDISPLAY

DJNZ35H,LOOP0

RET

延时（显示和去抖动用到）:

DELAY:

MOV32H,#12H

LOOP:

MOV33H,#0AFH

LOOP1:

DJNZ33H,LOOP1

DJNZ32H,LOOP

RET

发声程序:

BARK:

SETBRING

ACALLDELAY1

ACALLDELAY1

CLRRING;按键发声

RET

INT0（抢答时间R1调整程序）:

INT0SUB:

MOVA,R1

MOVB,#0AH

DIVAB

MOVR5,A

MOVR4,B

MOVR3,#0AH

ACALLDISPLAY；先在两个时间LED上显示R1

JNBP3.2,INC0;P3.2为+1s键,如按下跳到INCO

JNBP3.3,DEC0;P3.3为-1s键,如按下跳到DECO

JNBP3.4,BACK0;P3.4为确定键,如按下跳到BACKO

AJMPINT0SUB

INC0:

MOVA,R1

CJNEA,#63H,ADD0;如果不是99,R2加1,如果加到99了,R1就置0，重新加起

MOVR1,#00H

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

ADD0:

INCR1

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

DEC0:

MOVA,R1

JZSETR1;如果R1为0,R1就置99，

DECR1

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

SETR1:

MOVR1,#63H

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

BACK0:

RETI

TO溢出中断（响铃程序）:

T0INT:

MOVTH0,#0ECH

MOVTL0,#0FFH

JNBRING,OUT

CPLP3.6;RING标志位为1时候P3.6口不短取反使喇叭发出一定频率的声音

OUT:

RETI

T1溢出中断（计时程序）:

T1INT:

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H

INCR0

RETI

END

四、系统调试

1、硬件调试过程

1显示装置的制作与调试

给硬件电路接上电源，这时数码管全灭，用一根导线的一端接地线，另一端依次触碰AT89C51的P0口，正常时每碰一个脚，对应的灯亮。

若不亮查看是否虚焊。

2按键电路的制作和调试

根据设计方案，对相应的I|O接口，将按键焊在电路板上，使用万用表进行调试。

首先，将万用表调到“测量通断档”红笔与黑笔放在按键两端，此时按键不必合如有报警声则检查故障，如果没有则进行下一步；将按键按下，如果发出报警，则正常，否则检查连接线路。

3报警电路的制作与调试

根据既定的设计方案将报警电路焊接在电路板上，给硬件接上电源，正常不会报警，再接地线，另一根接单片机P3.6口，如果报警则正常，反之请检查虚焊及软件编程问题。

4复位电路调试

复位电路虽然简单，但其作用非常重要。

一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。

初步检查可用示波器探头监视RST引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的（波）形输出。

5时钟电路调试

用示（波）器可以查看时钟信号的有无，是不是稳定，幅度是否达到设定的数值，频率是否正常。

如果时钟信号不正常，要检查产生时钟信号的电路。

2、软件调试过程

软件的调试必须在开发系统的支持下进行。

先分别调试通过各个模块程序，然后调试主程序，再将各部分连接进行调试。

调试的范围可以有小到大、逐步增加，必要的中间信号可以先作设定。

通常交叉使用单步运行、断点运行、连续运行等多种方式，每次执行完毕后，检察CPU执行现场、RAM的有关内容、I/O口的状态等。

发现一个问题，就解决一个，直至全部通过。

3、系统调试

将AT89C51芯片固定在电路板上。

通电系统正常可看到：

没按下“开始抢答键”显示“FFF”，如果有选手抢答（如2），则显示“2FF”，并且成闪烁状态；当按下“开始抢答键”显示器开始倒计时，如果倒计时5S内没人抢答，则系统每秒都会报警提醒选手，当时间耗尽就显示“FFF”。

如果有人抢答，则显示选手号和倒计时。

另外。

在任何时候按下“停止”按键中止一切进程，显示“FFF”。

上述均是正常工作情况，如果调试中不能做到上几点，应排错修改，完善智能抢答器功能。

五、项目总结

我觉得做单片机课程设计是有意义的，而且是必要的。

在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是课堂授课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？

如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？

很明显做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

这次课程设计大概持续了好长时间，我们设计的课题是八路抢答器，抢答器主要是由单片机、主持人按键和选手抢答按键以及显示部分组成；抢答器主要功能是：

实现主持人按下允许抢答按键后数码管显示FFF，并允许选手抢答；当有有选手抢答时，其他选手再抢答无效；在有选手抢答后，数码管显示抢答选手号，对应选手抢答指示LED灯闪烁五次，同时蜂鸣器响一声。

当主持人再次按下按键后数码管显示FFF，又开始下一题的抢答。

整个过程不够流畅，专业知识与实际问题结合的不够灵活，思维不够敏捷,确实费了不少心思，设计结果也不是太理想，但我们已经尽力了。

总结出以下要点：

在设计程序之前，设计者必学对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有