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1、单片机课程设计题 目 八 路 抢 答 器 专业班级 电子科学与技术 院 （系） 电气工程学院 完成时间 2015 年 1月 9日 目 录1 课程设计的目的和用处12 课程设计的要求13 设计方案的思路与论证24 系统的组成35 单元电路的设计45.1 单片机最小系统的设计45.2 键盘扫描电路65.3 蜂鸣器报警电路75.4 数码管显示电路86 系统软件设计96.1 软件设计方案96.2 抢答/答题时间设置106.3 数码管动态扫描程序117 总结11参考文献13附录一：原理图14附录二：元件清单15附录三：程序161 课程设计的目的和用处在现代社会中，随着电视节目和各种竞赛的出现，抢答器越来
2、越多的被广泛使用，人们已经无法准确的判断在各中抢答中究竟是哪一方面比较快，而电子电器能够轻易地办到，所以说制作八路抢答器是很有必要的。综合这方面的考虑我就设计制作这一课程设计题目。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，抗干扰能力优于传统抢答器，并能够解决以上提出的问题。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，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、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
3、定时计数的各个单元电路。2 课程设计的要求设计并制作一个功能稳定，外观简洁的实用八路抢答器，基本的要求有：1）可同时提供最多包括8个人（组）的抢答数量。2）需由主持人按下开始抢答按键后才视为抢答时间，在这个时间前抢答的，视为违规抢答，要求能显示出违规抢答的选手编号。3）要求当主持人按下开始抢答的按键后，数码管进行抢答时间的倒计时，在这个倒计时结束后，若无人抢答，蜂鸣器报警，提示本轮抢答结束，且这个抢答时间可设置。4）要求具有抢答锁定功能，即某一选手抢到后，其它选手的抢答功能被锁定，无法进行抢答，直至下一轮抢答开始。5）对于抢到题目的选手，要求能显示出该选手的编号，并将其答题时间进行倒计时显示，
4、在倒计时结束后，蜂鸣器报警，提示本次答题时间到，且这个抢答时间可设置。6）意义显而易见是各种竞赛显得更加公正公平，提高了效率，使我们能够更好更快的工作。3 设计方案的思路与论证根据目前市场上抢答器的种类，抢答器的种类可以大体分为三种，以下我们对这三种进行详细比较。方案一: 抢答器系统的各部分均采用中小规模集成数字电路,利用硬件电子元器件实现，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，没有软件的设计部分，不需要编程，但是电路结构复杂，调试困难，造成抢答器的成本较高，并且制作过程工序比较烦琐，不便于安装
5、与调试，给实际操作带来很大的麻烦。方案二：系统采用STC89C52单片机作为控制核心，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，利用数码管的动态扫描，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
6、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，时序控制电路四个关键电路部分组成。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，所以我们放弃这个方案。方案二采用单片机为核心器件，外围电路采用集成芯片，其可靠性好，结构简单，不但从性能上优于方案一而且在使用上及其功能的实现上都较一方案简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使其工作速度更快、效率更高。比较经济实用，所以我们选用单片机的方案。4 系统的组成整个系统以STC89C52单片机为核心器件，其它个模块围绕着单片机展开。输入部
7、分包括2个内容，一个是选手的抢答输入，另一个是主持人的控制输入，由于这两个内容都是通过按键控制的，所以这里统一使用普通的轻触开关作为本设计的输入模块，一共包括8个选手输入按键和2个主持人输入按键。输出部分则采用蜂鸣器加四位共阳数码管进行声光的输出，蜂鸣器主要起到报警的作用，这里主要有几个需蜂鸣器发出报警的地方，如最后5秒仍无人抢答、答题剩余最后5秒、抢答时间结束以及答题时间结束等。而数码管则主要用于信息的输出，包括当主持人按下开始抢答按键后，显示30秒（默认）的倒计时，当有选手违规抢答时，显示违规选手的编号，有人抢到题目时，显示选手编号以及该选手剩余的答题时间。系统框图如图4-1所示：STC8
8、9C52最小系统选手抢答输入主持人控制输入数码管显示模块蜂鸣器报警模块图4-1 系统框图 5 单元电路的设计5.1 单片机最小系统的设计本系统采用STC89C52为主控器，兼容所有89C51单片机，89C52单片机引脚功能说明：图5-1 89C52单片机引脚图单片机最小系统：整个系统的核心部件就是单片机，搭建一个稳定的单片机最小系统对于系统的正常工作是很重要的。单片机最小系统如图5.2所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的
9、控制下，严格地按时序指令工作。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率采用12MHz。图5-2 单片机最小系统MCS-52的复位是由外部的复位电路来实现，采用最简单的上电复位电路。5.2 键盘扫描电路键盘是人与单片机打交道的主要设备。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
10、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。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
11、后再延时一段时间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。本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，一个复位按键以及一个主持人使用的开始抢答按键，同时为了简化电路设计，节约单片机的IO口资源，将设置抢答时间和答题时间等这些功能按键复合到了8个选手的抢答按键中。按键的连接图5-3所示： 图5-3 按键电路5.3 蜂鸣器报警电路由于蜂鸣器工作时，需要的电流比较大，单片机的IO口输出的电流又比较小，所以这里利用三极管的开关管功能来控制蜂鸣器发音，本设计选用的三极管型号是PNP三极管S8550，而且本设计选用的蜂鸣器属于有源蜂鸣器，即在蜂鸣器内部已经内置了震荡电路，单
12、片机无需连续发出高低电平来驱动它，而只要输出高（或低）电平即可，这大大简化了单片机程序的设计，由于选用的是PNP型而单片机上电IO口默认是高电平的，所以上电时蜂鸣器是不会发出鸣叫的。蜂鸣器电路如图图5-4蜂鸣器电路5.4 数码管显示电路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。在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少
13、。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。数码管还分共阳型和共阴型，本设计采用的是4位共阳数码管。通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口低4位为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字，4位七段数码管显示电路如图5-5所示。其中A、B、C、D、E、F、G、DP段分别接到单片机的P0口，由单片机输出的P0口数据来决定段码值，位选码W1、W2、W3、W4分别接到单片机的P20、P21、P22以及P23上，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。由于单片机的IO口驱动电流不够，这里还使用了4个NPN的三极管S8050作为开关管，来驱动数码管的位选
14、。图5-5 数码管显示电路6 系统软件设计6.1 软件设计方案八路抢答器的整体程序流程图如图6-1所示，程序从定时器的初始化开始，这里用到了单片机的2个定时器，1个用于数码管的动态扫描，另一个用于答题时间的计时。接着程序开始判断是否进入抢答时间设置，如果有则进入抢答时间设置模式，没有则继续判断是否进入答题时间设置，如果有则进入答题时间设置模式，没有则跳出，进入主程序的大循环。进入大循环之后，就扫描是否有按键按下，有的话就判断是哪个按键，如果是主持人按下了开始抢答按键，则进入抢答模式，如果是选手按下了抢答减，则蜂鸣器报警，此时有选手违规抢答（即在主持人按下开始抢答按键前就抢答了），同时将违规选手
15、的编号显示在数码管上，直至主持人按下复位键，则清除报警状态。如果一直没检测到按键按下，则一直在大循环里面扫描按键。进入抢答模式后，数码管开始将抢答时间倒计时并显示在数码管上，如果在抢答时间内无人抢答，则在最后5秒发出滴滴上的报警，并且5秒结束后，蜂鸣器一直鸣叫，表示此轮抢答结束，并且数码管显示“-”，直至主持人按下复位键退出报警。如果在抢答时间内有选手抢答题目时，则在数码管将选手的编号显示出来，并显示答题时间的倒计时，同抢答时间一样，在最后5秒会发出滴滴的报警声，答题时间结束后，蜂鸣器也会一直鸣叫，表示此轮抢答结束，直至主持人按下复位键退出报警。 开始是是否设置抢答时间设置抢答时间否是否设置答题时间是设置答题时间否等待按键按下是否违规抢答是否否是否有选 手抢答是发出警报答题倒计时 结束图6-1 八路抢答器程序流程图6.2 抢答/答题时间设置为了简化抢答器的硬件电路，所以将抢答时间和答题时间的设置按键和抢答键合并到了一起。如需设置抢答时间时，操作是这样的，先断开抢答器的电源，然后按下按键一（选手一的抢答键），然后上
