1、硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 页 共 页 目 录 1 需求分析 1 1.1 项目背景 1 1.2 项目分析 1 1.3 设计方案及要求 2 1.4 所需环境 2 2 总体设计 2 3 详细设计 3 3.1 独立键盘 3 3.2 开始和复位键 4 3.3 喇叭驱动电路 4 3.4 LED显示 5 3.5 LED数码管 6 3.6 程序流程设计 6 3.7 代码 块 （附注释） 7 3.7.1 变量定义 7 3.7.2 延时函数 7 3.7.3 按键检测及输出控制函数 7 3.7.4 主函数 9 3.7.5 数码管显示函数 9 4 仿真结果分析 10 4.1 抢答犯规 10 硬件设计实例作
2、业 16 路抢答器 第 页 共 页 4.2 抢答成功 11 5 心 得体会 12 附录 源程序代码 13 硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 1 页 共 15 页 1 需求分析 1 1 项目背景 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常 都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类
3、头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程 中，为了更确切的知道哪一组或哪一位选手先抢答到题，必须要有一个系统来完成这个任务。若在抢答中，只靠人的视觉（或者是听觉）是很难判断出哪一组（或哪
4、一个选手）先抢答到题的。利用单片机编程来设计抢答器，可以使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也能轻松的分辨出哪一组（或哪个选手）先抢答到题的。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。 对于抢答器我们大家来说都不陌生，它是用于很多竞赛场合，真正实现先抢先答，让最先抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的 知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。 1 2 项目分析 本系统采用单片机作为整个控制核心。控制系统的四个模块为：显示模块、存储模块、语音模块、抢答开关模块。该系统通过抢答电路键盘按键输入抢答信号；
5、利用一个数码管来完成显示功能；用按键来让选手进行抢答，在数码管上显示哪一组先答题的，从而实现整个抢答过程。在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 2 页 共 15 页 系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机 系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。 1 3 设计方案及要求 设计一个基于 AT89C51 单片机的 16路抢答器 。 设计要求： （ 1） 设计一个竞赛抢答器，可同时供十六名选手或代表队参加比赛； （
6、 2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始； （ 3） 抢答器具有数据锁存和显示功能 ，当某一路抢答成功时，放光二极管立即点亮，并在数码管上显示该路的号数，直到主持人按复位开关为止，其他人再抢答无效； 1 4 所需环境 Proteus 仿真软件 Keil uVision4 开发环境 2 总体设计 抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用查询式键盘进行抢答。采用动态显示组号。主持人按下开始抢答键才可以抢答。主持人没有按下开始抢答按纽（ P3.2），有人抢答则抢答违规， 只有 LED 灯亮，不会 显示组号 。 主持人按下开始抢答按纽（ P3.2），蜂
7、鸣响声提示。单片机最小系统、抢答按键模块（四位并行数码显示、 4*4矩阵式键盘）、显示模块、抢答开关模块、蜂鸣器音频输出模块。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理， 输出控制信号，单片机控制的智能抢答器。 硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 3 页 共 15 页 图 2-1 总体硬件电路设计 图 3 详细 设计 3 1 独立键盘 单片机常用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能有硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，如 BCD码键盘、 ASCII码键盘等，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用；非编码键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘，硬件上只是提供通、断两种状态
8、，其他工作都靠软件完成，经济实用，目前单片机应用系统中多采用这种方法。在智力抢答器设计中，要求有 16 个代表队参加抢答，每个代表队一个抢答按钮，就需要 16 个按 钮，而选手抢答器按钮就是用独立式键盘或矩阵式键盘来完成的。独立式键盘电路要求一个端口连接一个按键，硬件电路简单但浪费成本 硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 4 页 共 15 页 图 3-1 独立键盘总体电路设计 图 3 2 开始和复位键 主持人按开始键后才可以开始抢答，否则犯规，不显示组号。每次抢答结束后都需要按复位键才可以开始再次抢答。 图 3-2 开始和复位键电路设计 图 3 3 喇叭驱动电路 蜂鸣器是一种电子电路中常用的
9、发声器件，蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。提供蜂鸣器发声所需要较高的电流，单片机的 I/O口驱动能力有限，而我们知道三极 管有电流放大的作用，在这里就是利用三极管放大电流来使蜂鸣器获得足够的驱动电流。 蜂鸣器音频输出电路的功能是用来报警，当遇到报警信号时，发出蜂鸣声，以此来提醒操作者。本电路通过控制不同频率的矩形脉冲来控制蜂鸣器发声。此硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 5 页 共 15 页 次课程设计中只需要一些简单的提示声音，如有抢答违规，开始抢答，抢答时间结束和回答问题时间到的提示声音。本课程设计从 P3.7 口输出一个矩形脉冲来控制驱动器 PNP集电极的高低电平时间来控制蜂鸣器
10、的声音。 图 3-3 喇叭驱动电路蜂鸣器设计 图 3 4 LED显示 当某组抢答后其对应的 LED灯会亮起来，若抢答成功则数码管显示他们的组号，若是在主持人按开始键之前抢答，即违规抢答，则只亮其 LED 灯，不显示他们的组号。 图 3-4 LED 灯电路设计 图 硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 6 页 共 15 页 3 5 LED数码管 在本设计中采用的是共阴极接法的数码管，由 P0 口驱动七段数码显示管，P2 口驱动数码管位。由 P0、 P2 口共同组成 LED 数码管显示电路。由于 P0 口不带有上拉电阻，所以在设计中需另外外接上拉电阻，以提供一定的拉电流。 P2口本身自带电阻，所以
11、无需外接。因为 AT89C51 单片机 P0、 P2口都自带锁存器，所以无需另外外接锁存器。其与单片 机一起来显示所抢答的代表队的编号。 图 3-5 LED 数码管电路设计 图 3 6 程序流程设计 开始 开始键是否按下 是否抢答成功 Y 检测复位检 检测按键 Y N 有按键按下 显示灯亮 喇叭响 抢答成功 硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 7 页 共 15 页 3 7 代码块 （附注释） 3.7.1 变量定义 typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; uchar code table= 0x3f,0x06,0x5b,0
12、x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71; uchar push_down = 0, flag = 0; /是否按下，是否开始 sbit speaker = P37; /喇叭 sbit reset = P31; /复位按键 sbit led = P30; /调试用 led灯 sbit led1 = P20; sbit led2 = P21; sbit begin = P32; /开始控制 3.7.2 延时函数 void delay_ms(uint ms) uchar i; while (ms-) for
13、 (i = 0; i 120; +i) 3.7.3 按键检测及输出控制函数 void slove() uchar i, j, key; P1 = 0x0f; if (P1 != 0x0f) 硬件设计实例作业 16 路抢答器 第 8 页 共 15 页 for (i = 0; i 4; +i) if (P1 P1 = 0xf0; if (P1 != 0xf0) for (j = 0; j 4; +j) if (P1 key = i * 4 + j; push_down = 1; if(flag = 1) display_count(key); if (key 8) P0 = (1 key); else key -= 8; P2 = (1 key); speaker = 0; delay_ms(3000); speaker = 1;
