1、多路数字抢答器设计毕业设计（论文）专 业 计算机通信 班 次 姓 名 指导老师 多路数字抢答器设计摘要：抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。针对目前各种竞赛活动中所使用的抢答器的特点与不足，结合单片机应用系统的优点，提出了以单片机为控制核心的抢答器控制系统，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时/中断等电路，设计的抢答器具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的特点，还有复位电路，使其再开始新的一轮的答题和比赛。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
2、间可在0-99s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。关键词 AT89C51；LED数码管；抢答器；计时第1章 绪论1.1 抢答器的研究意义 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
3、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 抢答器的相关背景在各类竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一名选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答过程中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使有两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成， 能通过发光管的指示辨认出选手号码。现在大多数抢答器均使
4、用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示功能。像这类抢答器，制作过程简单，准确性与可靠性高，而且安装维护简单。对于抢答器的应用，如早期的数字电路，随着科技的逐步发展，进而到了单片机的控制来实现其功能，而且功能齐全，电路简单，成本低，性能高，真正朝着有利的方向发展。1.3 抢答器的发展现状 随着电子技术的发展，现在的抢答器功能越来越强，可靠性和准确性也越来越高。能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用前期的模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式，但这种方式制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大。 对于目前
5、抢答器的功能描述，如涵盖抢答器、抢答限时、选手答题计时及犯规组号抢答器具有抢答自锁，灯光指示、暂停复位、电子音乐报声、自动定时等功能，还有工作模式的切换和时间设定，对于这些，随着科学技术的发展，肯定还要得到进一步的改进。一般都要趋向于智能化。1.4 研究目标与内容本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60s。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
6、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。通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，其次，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。1.5 抢答器目前存在的主要问题 目前多数抢答器存在3个不足之处:第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接
7、线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其他功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功。第2章 单片机的功能简介2.1 89系列单片机的概况 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。(1) 89系列单片机的特点：89系列单片机是以
8、8031为内核的产品，它与51系列单片机是兼容的。89系列单片机具有以下特点：a) 内部含有Flash存储器，使用户在开发过程中十分容易修改程序缩短系统的开发周期。可以重复多次编程，可根据需要对内部程序进行更新或升级。b) 89系列单片机的引脚和AT80C51引脚座兼容，用89系列单片机可以代替同档次的AT80C51单片机，不需要对外围电路进行改动。c) 89系列单片机采用静态时钟方式，可以节省电能，降低便携式设备的功耗。(2) 89系列单片机的结构简介：89系列单片机的内部结构与AT80C51相近，主要有以下部件：1 8031CPU 2 振荡电路 3 总线控制部件4 中断控制部件 5 片内F
9、lash存储器 6 片内RAM7 并行I/O界面 8 定时器 9 串行I/O界面89系列的各种型号单片机，内部差别很大。例如，AT89C1051片内Flash存储器只有1KB，而AT89C52、AT89LV52和AT89S8252的片内Flash存储器有8KB。AT89S8252的结构最复杂，它的内部含有标准的串行口，还有一个串行的外围界面SPI，Watchdog定时器，双数据指针等部件，以及电源下降的中断恢复功能。89系列的单片机一共有五种型号，分别为AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52和AT89S8252，其中AT89LV51和AT89LV52分别是AT89C
10、51和AT89C52的低压产品，最低电压可以低2.7V，AT89C1051和AT89C2051则是抵挡的低压产品，只有20根引脚。89系列单片机的型号编码中字母的意义是：AT表示该器件是ATMEL公司的产品，C表示该器件是CMOS产品，LV表示该器件是低电压产品，S表示该器件含可以下载的Flash存储器。AT89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6
11、-8个中断源，通用的串行界面，低电压空闲及电源下降方式。AT89C51是基本型，具有4KB的Flash存储器，128字节的片内RAM,32条可编程I/O口，两个个16位定时/计数器，6个中断源，3位存储器加密，一个可编程串行界面。AT89C52在AT89C52的基础上，增加了一个定时/计数器，2个中断源，128字节的片内RAM,4KB的Flash存储器。2.2 AT89C51单片机及其内部结构图AT89C51是一种低功耗、高性能的含有4KB闪速可编程电擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位CMOS微控
12、制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51指令系统和引脚完成兼容。芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。（1）AT89C51的主要性能包括：AT89C51与MCS51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（Flash Memory），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
13、串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。（2）FPEROM的编程：AT89C51的I/O口P0、P1、P2和P3除具有与80C51相同的一些性能和用途外，在FPEROM编程时，P0口接收代码字节，并在程序检验时输出代码字节，但在程序校验时需要外部上拉负载电阻，在FPEROM编程和程序校验期间，P1口接收低位地址字节，P2口接收高位地址字节和一些控制信号，P3口也接收一些FPEROM编程和校验用的信号，此时ALE/PROG引脚是编程脉冲输入（PROG）端，在FPEROM编程期间，如果选择12V编程电压、那么EA/Vpp引脚也允许接受12V编程电压（Vpp）。AT89C51单片机内部由
14、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、
15、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。RAM图2-1 AT89C51单片机的内部结构图2.3 AT89C51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（Special Function Register）。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80HFFH中，即在RAM地址中。这些寄存器的名称和地址见表2-2。表2-1 AT89C51特殊功能寄存器列表符号地址注释*ACCE0H累加器*BF0H乘法寄存器*PSWD0H程序状态字SP81H堆栈指针DPL82H数据存储器指针低8位DPH83H数据存储器指针高8位*I
16、EA8H中断允许控制器*IPD8H中断优先控制器*P080H端口0*P190H端口1*P2A0H端口2*P3B0H端口3PCON87H电源控制及串列传输速率选择*SCON98H串行口控制器SBUF99H串行数据缓冲器*TCON88H定时器控制TMOD89H定时器方式选择TL08AH定时器0低8位TL18BH定时器1低8位TH08CH定时器0低8位TH18DH定时器1高8位注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器2.4 各类型单片机的比较分析如表2-3所示，以下各种类型的单片机内除CPU外，还包括ROM、RAM、4*8 I/O口和2个16位定时/计数器，它们都是功能很强的单片微型计算机。
17、但由于80C51片内为掩膜ROM，故内部程序不能改写，不用于实验开发。87C51具有片内EPROM，是真正的单片微机，但由于价格较贵，且程序改写时要用紫外线擦除，时间较长，所以用得较少。80C31在市场上的价格很低，但片内没有ROM，必须在片外扩展一片EPROM，非常不便。AT89C51片内具有可电擦除的FPEROM，可以快速、多次地编程，且价格不高，所以用得非常广泛，目前开发用的MCS51产品绝大多数用89C51。表2-2单片机主要性能的比较型号ROM形式片内ROM片内RAM寻址范围定时计数I/O口串行I/O口外部中断80C31接ROM4K1282*64 K2*164UART280C51RO
18、M4K1282*64 K2*164UART287C51EPROM4K1282*64 K2*164UART289C51FPEROM4K1282*64 K2*164UART2第3章 抢答器的系统概述3.1 系统的主要功能 本系统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、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。 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
19、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1所示。时钟图3-1 系统主要功能模块本系统采用模块化设计的八路抢答器，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60s。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
20、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。本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。其中一个显示抢答号码,一个空位，两个显示时间。主持人依次按下复位键（RESET），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
21、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。3.2 抢答器的需求分析1、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。2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在099s设定。3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有提示音。4、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。5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。3.3 抢答器的工作流程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
22、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2所示，下面分别予以介绍。根据选手表现，规则由主持人减分图3-2 抢答器工作流程3.4 抢答器的工作过程1、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099s， 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。2、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
23、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60s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。3、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。4、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，本次设计用AT89C51单片机及外围界面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
24、个实用的工程设计。第4章 系统硬件设计4.1 硬件电路的设计本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：(1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并
25、不一定比若干普通芯片价格的总和高。(2) 留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。(3) 程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。(4) RAM空间，AT89C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。如选用8155作I/O界面，就可以增强256字节RAM.如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264，62256等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的
26、数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。(5) I/O端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。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口低3位，
27、蜂鸣器输出为P3.6口。P3.2为抢答时间调整，P3.3为回答时间调整。加一按键和减一按键分别接到P3.4和P3.5，P3.7是时间调整完了确认键。图4-1 系统原理图4.2 时钟频率电路的设计单片机必须在时钟的驱动下才能工作.在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元,决定单片机的工作速度。图4-2为外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容 C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器
28、的频率进行微调。C1,C2的典型值为30PF。单片机在工作时,由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数,常用fosc表示。如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12s。4.3 键盘扫描电路的设计键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象
29、。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而我们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(这里我们取10ms)后再判断此电平是否保持原状态
30、,如果是则为有效按键，否则无效。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。如图4所示：图4-3 抢答按键及调整按键在图4中8个抢答按键分别接入单片机的P1.0P1.7端口，单片机通过读取P1.0P1.7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。图4-4 开始、停止按键在图5中，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
31、，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。4.4 电源电路设计图4-5 电源电路电源电路是由整流桥，7805稳压块和前后滤波电容组成，整流器接收变压器送来的低压交流信号，经整流后变成直流电，在经过100F的电解电容滤波后，送到7805稳压块后，输出稳定的正5V电压，再次滤波后送到单片机内4.5 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
