单片机原理与应用课程设计多路抢答器设计

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1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 单片机原理与应用 课题名称 多路抢答器设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2011年 5月 20日湖南工程学院课程设计任务书课程名称：单片机原理与应用题 目：多路抢答器设计 专业班级： 电气 班学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011年 5月 9日设计完成日期 2011年 5月 11日设计内容与设计要求设计内容：设计一款基于单片机的多路抢答器。设计要求：1. 设计一款6路或以上的抢答器。2. 设计一个抢答控制开关（开始抢答后才允许答题者抢答）。3. 设定抢答时间限制，超过时间后，该题作废。4. 设定答

2、题时间。5. 数字LED显示当前答题者号。6. 其他功能（创意部分）。例：有犯规（未按开始键就抢答的）时显示其号码。说 明 书 格 式封面课程设计任务书目录第1章 设计的要求及目的第2章 系统总体方案选择与说明第3章 系统方框图与工作原理，第4章 各单元硬件设计及说明第5章 器件说明第6章 软件设计与说明（包括流程图）第7章 调试步骤、结果、使用说明第8章 设计总结第9章 参考文献附录：系统电路原理图（用PROTUES制作）、系统程序清单。电气信息学院课程设计评分表进 度 安 排设计时间为两周 第一周 星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论 星期二、确定总

3、体设计方案 星期三、硬件模块方案设计 星期四、软件模块方案设计 星期五、设计及调试 第二周 星期一、设计及调试 星期二、设计及调试 星期三、总调 星期四、写说明书 星期五、上午：写说明书，整理资料 下午：交设计资料，答辩参 考 文 献参考文献一、 单片机应用系统设计 何立民 编 北航出版社二、 单片机原理及应用 王迎旭 主编 机械工业出版社三、 51系列单片机设计实例 楼然苗 等编 北航出版社四、 51单片机应用系统开发典型实例戴家 等编 中国电力出版社五、 单片微型计算机原理及接口技术陈光东 等编 华中科技大学出版社六、 单片机实用系统设计技术房小翠 编 国防工业出版社目 录第1章 设计内容

4、及要求71.1 设计内容71.2 设计要求71.3 系统主要功能8第2章 系统主要硬件电路设计92.2 单片机主机系统电路112.2.1 时钟频率电路的设计112.2.2复位电路的设计122.2.3 显示电路的设计132.2.4 键盘扫描电路的设计132.3 发声142.4 系统复位14第3章 系统软件设计163.1 主程序系统结构图163.2 程序流程图173.3 系统程序18第4章 调试及性能分析31第5章 设计总结32第6章 参考文献33第1章 设计内容及要求1.1 设计内容设计一款基于单片机的多路抢答器。1.2 设计要求设计一款6路或以上的抢答器。设计一个抢答控制开关（开始抢答后才允许

5、答题者抢答）。设定抢答时间限制，超过时间后，该题作废。设定答题时间。数字LED显示当前答题者号。其他功能（创意部分）。例：有犯规（未按开始键就抢答的）时显示其号码。1.3 系统主要功能抢答器原理：该抢答器供不多于六个的抢答比赛使用。每个选手的座位前安装一只抢答按钮开关和一只信号灯。主持人的座位前安装一只复原按钮开关、一只蜂鸣器和一只抢答器工作状态指示灯。每当主持人口头发出允许抢答的号令之后，哪个队先按下座位上的按钮开关，该座位的信号灯就先被点亮，同时封锁其他按钮开关的活动。并且熄灭主持人座位上的状态指示灯和发出 3 声类似于电话振铃的提示声，以“声明”此次抢答动作已经完成。在主持人确认后，按下

6、复原按钮，状态指示灯重新点亮，并且同时发出“笛笛”声，为下一次的抢答作好准备。电路中的蜂鸣器 FM 是一只带有助音腔的压电陶瓷蜂鸣器，用于模拟发出报警声的功率放大器和喇叭。在 FM 发声的同时，灯 D6 也在发光。FM 可以看作是一个电容性负载，本身不能流过直流电流。发声的原理是，作用在两个电极极板的电位在发生变化时，陶瓷材料就发生弯曲，从而振动空气发出声音。FM和 4 只按钮开关 SWaSWd 以及 4 只电阻 RaRd 都是在演示板的基础上额外添加的。由于RB端口内部具有上拉电阻，只要用软件设置其有效，即可省略在4 只端口引脚上外接上拉电阻。按钮开关和指示灯与座位的对应关系如表1.1所示:

7、座位主持人席座位1座位2座位3座位4座位5座位6按钮开关SW1SWaSWbSWcSWdSWeSWf指示灯D7D0D1D2D3D4D5蜂鸣器有无无无无无无表1.1 按钮开关和指示灯与座位的对应关系第2章 系统主要硬件电路设计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

8、) 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) 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。2.1 单片机控制系统原理图如图2-1，P1.0为开始抢答，P1.7为停止，P1.1-P1.6为六路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。P3.2为时间加1调整，P3.3为时间减1调整。图2-1 系统

9、原理图2.2 单片机主机系统电路该六路抢答器的设计细分为时钟频率电路的设计，复位电路的设计，显示电路的设计和键盘扫描电路的设计等。2.2.1 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2-2 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;二是对振荡器的频率进行微调。C1,C2的典型值

10、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。2.2.2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恢复到初始化状态，其电路图如图2-3所示: 图2-3 复位电路值得注意的是,在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值,而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能,该功能的实

11、现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。2.2.3 显示电路的设计显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。2.2.4 键盘扫描电路的设计键盘是人与微机系统打交道的主要设备。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

12、盘就容易引起误操作和操作失控现象。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。图2-4 独立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

13、(这里我们取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。2.3 发声我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。2.4 系统复位使CPU进入初始状态，从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过CPU外部的硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。上电

14、复位，人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对片内通用寄存器的内容没有影响。但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。对各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。有的编程人员用020000（LJMP 0000H）作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位，它将阻止同