1、西安邮电学院毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于 51 单片机的抢答器设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 目 录第一章 抢答器的概述1.1 系统设计的功能1.2 抢答器需求分析1.3 抢答器的工作原理第二章 单片机的功能简介2.1 89 系列单片机的概述2.2 AT89S51 的功能2.2.1 TA89S51 特殊功能寄存器2.2.2 AT89S51 单片机的内部结构第三节 硬件电路的设计3.1 总电路原理3.2 时钟频率电路的设计3.3 复位电路的设计3.3.1 复位电路的可靠性设计3.3.2 人工复位3.4 显示电路的设计3.5 控制电路的实现3.6 发
2、声3.7 系统复位第四章 软件设计4.1 软件任务分析4.2 显示子程序的设计4.3 定时器 T0、T1 中断服务程序的设计4.4 抢答器处理程序的设计4.5 主程序及分析第五章 元器件及焊接调试第六章 设计小结致谢参考文献摘 要随着科学技术的发展和普及，各种各样的竞赛越来越多，其中抢答器的作用也就显而易见。目前很多抢答器基本上采用小规模数字集成电路设计，使用起来不够理想。因此设计一更易于使用和区分度高的抢答器成了非常迫切的任务。现在单片机已进入各个领域，以其功耗小、智能化而著称，所以若利用单片机来设计抢答器，便使以上问题得以解决.针对以上情况，本文设计出以AT89S51 单片机为核心的八路抢
3、答器。我们采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号，最后通过 LED 数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出是哪组优先按下的按键，它充分利用了单片机系统的优点，具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。本设计是以八路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用89S51 单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。用开关做键盘输出
4、，扬声器发生提示。同时系统能够实现：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；满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。第一章 抢答器的概述1.1 系统设计的功能1.基本功能：（1） 同时供 8 名选手比赛，分别用 8 个按钮 S0 S7 表示。（2）设置一个系统清除和抢答控制开关 S，该开关由主持人控制。（3）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，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。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清除为止。2.扩展功能：（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答
5、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。（2）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清除为止。在这段（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示 00。1.2 抢答器的需求分析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是在 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、按键锁定，在有效状
6、态下，按键无效非法。1.3 抢答的工作过程图 2-4 抢答器电路表 2-1 74LS148 的功能真值表1、如果想调节抢答时间或答题时间,按“加一“键或“减一“键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下“加 1s“键,如果想减一秒按一下“减 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（预设 20s 抢答时间） ，不进行抢答
7、查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。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上不显示任何结果，直到按下“停止“ 键为止。1.4 抢答器的工作原理及流程抢答器的基本工作原理:在抢答竞赛或呼叫时 2，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为
8、、系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2-2所示，下面分别予以介绍。第二章 单片机的功能简介2.1 89 系列单片机的概况MCS-51 单片机是美国 INTE 公司于 1980 年推出的产品，典型产品有 80 31（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是 630mW，是 89C51 的 5 倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和 8751 等通用产品，一直到现在， MCS-5 1 内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的 89S51、已经停产的 89C51 等），各高校及专业学校的培训教材仍与 MCS-51 单片机作为代表进行理论基
9、础学习。有些文献甚至也将 8051 泛指 MCS-51 系列单片机，8051 是早期的最典型的代表作，由于 MCS-51 单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51 内核实际上已经成为一个 8 位单片机的标准。其他的公司的 51 单片机产品都是和 MCS-51 内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如 ATMEL 的 89C51（已经停产）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和 WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的 89C51 指的是 ATMEL 公司的 AT 89C51 单片机，同时是在原基础上增强了许多特
10、性，如时钟，更优秀的是由 Flash（程序存储器的内容至少可以改写 1000 次）存储器取带了原来的 ROM（一次性写入）， AT89C51 的性能相对于 8051 已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89C51 受到了 PIC 单片机阵营的挑战，89C51 最致命的缺陷在于不支持 ISP（在线更新程序）功能，必须加上 ISP 功能等新功能才能更好延续 MCS-51 的传奇。89S51 就是在这样的背景下取代 89C51 的，现在，89S51 目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的 Atmel 目前公司已经停产 AT89C51，将用 AT89S51 代替。89S51 在
11、工艺上进行了改进，89S51 采用 0.35 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX 可以像下兼容 89CXX 等 51 系列芯片。市场上见到的 89C51 实际都是 Atmel 前期生产的巨量库存而以。如果市场需要，Atmel 当然也可以再恢复生产 AT89C51。 AT89S51/LS51 单片机是低功耗的、具有 4KB 在线课编程 Flash 存储器的单片机。它与通用 80C51 系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的 Flash 可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用 CPU 和在线可编程 Flash 集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具
12、有较高性能性价比的微控制器。2.2 AT89S51 的功能 2.2.1 AT89S51 特殊功能寄存器特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称 SFR（Special Function Register） 。特殊功能寄存器共含有 22 个不同寄存器。它们的地址分配在 80HFFH 中，即在 RAM 地址中。这些寄存器的名称和地址见表 2-2。表 2-1 器件选型方案的详细清单器件名称 规格型号 数量微处理器 AT89S51 1电阻 3WTT10K 8电容 30PF 3晶振 12MHZ 1按钮 - 11反相器 - 37段数码管 7SEG-MPX4CC 4 扬声器 -
13、1虽然特殊功能寄存器地址在 80HFFH 之中，但在 80HFFH 的地址单元中，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。所以，用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的表 2-2 AT89S51 特殊功能寄存器列表符 号 地 址 注 释*ACC E0H 累加器*B F0H 乘法寄存器*PSW D0H 程序状态字SP 81H 堆栈指针DPL 82H 数据存储器指针低 8 位DPH 83H 数据存储器指针高 8 位*IE A8H 中断允许控制器*IP D8H 中断优
14、先控制器*P0 80H 端口 0*P1 90H 端口 1*P2 A0H 端口 2*P3 B0H 端口 3PCON 87H 电源控制及波特率选择*SCON 98H 串行口控制器SBUF 99H 串行数据缓冲器*TCON 88H 定时器控制TMOD 89H 定时器方式选择TL0 8AH 定时器 0 低 8 位TL1 8BH 定时器 1 低 8 位TH0 8CH 定时器 0 低 8 位TH1 8DH 定时器 1 高 8 位注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器2.2.2 AT89S51 单片机的内部结构AT89S51 单片机内部由 CPU、4KB 的 FPEROM ，128B 的 RAM，
15、两个 16 位的定时/计数器 T0 和 T1，4 个 8 位的 I/O 端 P0、P1、P2、P3 等组成。单片微机内部最核心的部分是 CPU。CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/外部定时元件复位中断电源系统时钟ROMCPU定时/计数器串行 I/O口并行 I/O口RAM输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件 ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW，BCD 码运算调整电路等组成。图 2-3 AT89S51 单片机的内部结构图为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能 3。其内部结构如图 2-3 所示。第三章 硬件电路的设计3.1 总电路原理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
