八路抢答器硬件部分.doc

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY科研实践题目：基于单片机的八路智能抢答器设计二级学院（直属学部）： 延陵学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 范力旻 职称： 副教授 2013 年 12 月 30 日至 2014 年 1 月 10 日目录1.绪论 .31.1 课题研究背景及意义 .31.2 课题研究的内容 .31.3 系统需求分析 .42.系统设计方案论证 .52.1 方案设计 .52.2 系统需求分析 .53.总体设计方案 .73.1 单片机的选择 .73.2 抢答器方案论证 .84.系统硬件电路设计 .94.1 总体设

2、计结构图 .94.2 最小系统电路设计 .94.2.1 时钟频率电路图 .94.3 输入电路设计 .104.3.1 按键电路的设计 .104.4 输出电路设计 .114.4.1 报警电路设计 .114.4.2 数码管显示电路 .124.4.3 电源电路设计 .13图 4-8 稳压电路系统结图 5.软件设计 .145.软件设计 .155.1 主程序结构图 .155.2 主程序流程图 .156 设计方案评价及使用方法 .177.实物制作 .187.1 电路板焊接 .187.2 电路板调试 .188.总结与致谢 .208.1 科研实践总结 .20附录 .2111.绪论1.1 课题研究背景及意义1 课

3、题简介抢答器是一种广泛用于企业事业单位和商业部门，为各种知识竞赛、文娱活动提供公正客观快速裁决的一种常用的电子设备。随着集成技术和计算机技术的发展，单片机作为一个分支亦于 20 世纪 80 年代以来获得了飞速的发展，各种新品不断涌现，使单片机的应用更加深入，灵活性大大增强。应用单片机的八路抢答器系统具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。2 课题设计目的此次设计以 80C52 单片机为核心控制元件，设计一个简易的电子抢答器，与数码管、蜂鸣器、键盘等构成八路抢答器，利用单片机的延时电路、上电复位电路、数码管显示、定时/中断等电路。设计的八路抢答器具有倒计时、实时显示抢答选手的号码、答题

4、计时、分数可调和计分可查的特点。 1.2 课题研究的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。1 抢答功能通过八路按键配合程序来实现抢答功能。当主持人按下抢答开始键后，此时任一路按下抢答按钮均闭锁其他各路按钮，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倒计时。2 抢答限时主持人按下抢答键后，设置 5s 为抢答时间（此时间可调）。若 5s 内无人抢答，倒计时为零时发出报警，说明该抢答题目作废。此时封闭所有抢答按键，只有主持人再次按下抢答按键开始下一次抢答方可开始抢答。3 答题限时2当主持人按下答题按钮后，开始计时，若答题时间过长，倒计时为零时报警，

5、说明答题时间到。4 计分功能当按下加减分键后可实现加减计分，分值可在 1999 之间设置。如果各题分值相同，可在第一次设定分值后直接按加减键来实现计分。5 查询功能当按下查询键后，可查询各路的分数。按下分组数可直接显示当前台数及其分值，比如按下 1，显示台数为 1，分值为其当前实际分值。通过研究并在设计验证后发现，此方法简单可靠，抗干扰能力强。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。1.3 系统需求分析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 199s 设定。3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。4、抢

6、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、抢答限定时间内使用道具回答时间将加 15s，但只能使用两次。6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。32.系统设计方案论证2.1 方案设计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、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等。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，根据活动参赛者的层次，对提前抢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

7、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。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。2.2 系统需求分析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 199s 设定。3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。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、抢答限定时间内使用道具回答时间将加 15s，但只能使用两次。6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。工作过程描述

8、：1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“SNATCH”键或“ANSWER”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或者回答时间的初始值，如想加一秒按一下“PUSH_1S“键，如果想减一秒按一下“REDUCE_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（预设 20s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4（预设 30s 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

9、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，本课题利用AT89C52单片机及外围接口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，是一个实用的工程设计。53.总体设计方案3.1 单片机的选择ATMEL 公司的89C52单片机,是增强型 RISC 内载 Flash 的单片机,芯片上的 Flash存储器附在

10、用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。89C52单片机采用增强的 RISC 结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每 MHz 可实现1MIPS 的处理能力。89C52单片机工作电压为2.76.0V,可以实现耗电最优化。AT89S52 具有以下主要性能：1.8KB 可改编程序 FLASH 存储器；2.全表态工作 ：024HZ；3.256X8 字节内部 RAM；4.32 个外部双向输入，输出（I、O）口；如图 3.1图 3-1 单片机芯片管脚图63.2 抢答器方案论证抢答器同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，分别用 8 个按钮 SW1-S

11、W8 表示。设置一个抢答控制开关 START，该开关由主持人控制。同时抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在 LED 数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统重置为止。抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如 30 秒）。当主持人启动“开始“键后，定时器进行减计时，当进入 5S 倒计时时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间 0.4 秒左右。参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统重置为止。如果定时时间已到，无人抢答，本

12、次抢答无效，定时显示器上显示 FF00。我们利用单片机可以用很少元件实现相同功能，而且单片机性能稳定，可操作性强。可以只用 P0 口连接上拉电阻，完成驱动 LED 的功能，串接按键可以由选手自己控制抢答机会，利用 TXD 接移位脉冲做时钟信号。利用单片机程序判断选手按键是否有效，选手违规抢答，利用简单程序显示选手序号，启动蜂鸣器并不间断，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，软件倒记时，利用 74HC573 锁存 8 段数码管，实现倒记时显示时间，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。如果有选手在规定的时间以前完成问题，主持人通过按键

13、重置，开始新的问题作答，因为程序不是很大不需要扩展存储空间，选手按键跳入相应的子程序，回答倒记时，通过单片机实现功能可以更人性化，只需单电源供电更方便，容易实现。电路结构简单，外围扩展的电路不是很多，锻炼我们所学的知识应用到现实生活当中，所以我们选用单片机加一定的外围设备实现本次课程设计的要求。74.系统硬件电路设计4.1 总体设计结构图数字抢答器的总体设计结构见图 4-1：图 4-1 数字抢答器总体结构图4.2 最小系统电路设计4.2.1 时钟频率电路图AT89S52 的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另外一种为外部方式，本论文根据实际需要和简便，采用内部振荡

14、方式，MCS-51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。AT89S52 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，所以实际构成的振荡时钟电路，外接晶振以及电容 C1 和 C2 构成了并联谐振电路接在放大器的反8馈回路中，对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。晶振的频率可在1.2MHZ12MHZ 之间任选，电容 C1 和 C2 的典型值在 20pf100pf 之间选择，由于本

15、系统用到定时器，为了方便计算，采用了 12MHZ 的晶振，采用电容选择 30pf。时钟频率电路见图 4-24.2.2 复位电路图设计单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端,只要将该端持续 4 个机器周期即 4us 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，复位按钮按下后即可输入高电平。复位时间计算：当取 100us 时 为高电平，所VeVcVt ufksRCt 9.4*510以可以达到复位作用。图 4-3 复位电路图4.3 输入电路设计4.3.1 按键电路的设计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。本实验用的是独立式键盘，图中 SW1-SW8 分别表示选手 1 到 8 号。K10、K11、K12 分别表示开始按钮、加 1 按钮、减 1 按钮。