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1、前言随着电子技术的飞速发展，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未有的速度被单片机智能化控制所取代。单片机具有体积小、 功能强、 成本低、 应用面广等优点，可以说智能化控制与自动控制的核心就是单片机。基于单片机的控制系统已广泛应用于各行业。此次设计提出了以AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简易的八路抢答器，AT89C51单片机为主控核心，与晶振、数码管、蜂鸣器等构成八路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时器/ 计数器等设计的八路抢答器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
2、实现复位、 定时和报警的功能。本次设计的系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。关键词：八路报警 AT89C51 抢答器定时目 录第 1 章设计方案分析 . 11.1 方案论证 . 错误！未定义书签。1.2 八路抢答器的功能简介 . 1第 2 章系统硬件设计 . 22.1 芯片的选择 . . 32.1.1 控制器的选择 . 32.1.2 显示模块的选择. 32.1.3 键盘的选择 . 42.2.4 芯片最终选择方案 . 42.2 硬件的构成及功能. 52.2.1 抢答器的硬件图. 52.2.2 时钟频率控制电路 . 52.2.3 复位电路的设计. 62.2.4 报警电路的设计. 72.2
3、.5 显示电路的设计. 72.2.6 键盘扫描电路的设计 . 8第 3 章 系统软件设计 . 103.1 系统主程序设计 . 103.2 键盘扫描程序设计. 113.3 显示程序设计 . 12第 4 章 系统调试与软件仿真. 134.1 硬件调试 . 134.2 Keil uVision2软件调试 . 134.3 Proteus仿真 . 14第 5 章总结 . 16参 考 文 献 . 17附录一主程序清单 . 18附录二单片机八路智能抢答器原理图. 261 第 1 章设计方案分析1.1 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
4、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
5、，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
6、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。1.2 八路抢答器的功能简介此次设计的抢答器具有同步显示的功能，并且有蜂鸣器的辅助， 使得整个设计更加完整。在每次竞赛开始前，主持人读完比赛规则，可以对抢答器进行的时间进行预设。时间设定按键组共有4 个按键， 其中一个键为抢答时间修改键，一个为回答时间按键，剩下的两个按键为加一和减
7、一按键。2 比赛开始，主持人读完题之后按下“开始键”，即抢答开始，蜂鸣器提示一次，此时数码管开始显示30s 的倒计时； 直到有一个选手按下抢答键，对应的会在数码管上显示出该选手的编号和回答剩余的时间，同时蜂鸣器也会发出一次提示音，以示有人抢答本题；如果在规定的 30s 时间内没有人做出抢答，则此题作废， 开始新一轮的抢答。在抢答和回答时间的最后 5s，蜂鸣器都会给予报警提示。在倒计时过程中，主持人可以随时按“停止键”结束本次回答或者抢答。在主持未按下开始键，若果有人按下抢答键，则属于犯规抢答，此时， 数码管上会显示违规选手的编号，同时蜂鸣器会以1s 一次的频率发出警告。在每次抢答前后，主持人都
8、可以按下复位键让系统清零，此时数码管上会显示“FFF ” 。3 第2章系统硬件设计硬件电路部分是一个完整电路的关键部分，硬件性能的好坏关系到整个系统的性能。本章节主要介绍了八路抢答器的硬件的选择及电路的设计。2.1 芯片的选择芯片选择的原则是经济、寿命长、设计简单。对此我们作了详细的论证。2.1.1 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。控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用EDA 软件仿真、调
9、试，易于进行功能扩展。FPGA 采用并行的输入输出方式， 提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高， 同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二： 采用 AT89C51作为系统控制器的CPU方案。 单片机算术运算功能强、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点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析，本次设计我采用方案二。2.1.2 显示模块的选择显示模块主
10、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（LCD ）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且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。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。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、 耐老化、4 防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维
11、护的优点，同时其精度高，称量快，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。2.1.3 键盘的选择键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按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来产生键码。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，且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中
12、的按键灵活编码。独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O 口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。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，能够有效地提高单片机系统中I/O 的利用率。CPU 对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式，即只有在CPU 空闲是时才去扫描键盘，响应操作人员的键盘输入,即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘扫描一次，这样控制方式，不管键盘上有无键闭合，CPU 总是定时的关心键盘状态。在大多数情况下，CPU
13、对键盘可能进行空扫描。为了提高CPU 的效率而又能及时响应键盘输入，可以采用中断方式，即CPU 平时不必扫描键盘，只要当键盘上有键盘闭合时就产生中断请求，向CPU申请中断后，立即对键盘上有键盘进性扫描，识别闭合键，并做相应的处理。根据以上的论述，我们采用方案一。2.2.4 芯片最终选择方案根据上几节的论证，通过综合考虑，我们的芯片选择如表2-1。表 2-1 器件选择方案详单器件名称规格型号数量微处理器AT89C51 1 5 器件名称规格型号数量电阻220 欧姆8 8K 1 1K 1 瓷片电容30pF 2 电解电容10uF 1 晶振12MHZ 1 按钮15 七段数码管7SEG-MPX4-CC-BLUE 4 蜂鸣器1 2.2 硬件的构成及功能本节主要介绍了抢答器的硬件部分的设计，硬件部分的设计是比不可少的，也是此次设计的核心。2.2.1 抢答器的硬件图根据所要实现的功能，我们先大概将抢答器的硬件分为这几部分：CPU、声音电路、显
