1、毕业论文基于 51 单片机的抢答器设计学生: 院系: 机电工程学院班级:电气自动化 学号: 指导教师: 装订交卷日期: 1摘 要 抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。作为一个单位，如果专门购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因此设计了本抢答器。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 AT89C51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
2、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，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；抢答限定时间和回答问题的时间可在 1-99s 设定；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；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，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。关键词：AT89C51 LED 数码管 抢答器 计时器2目 录1 绪 论 .11.1 课题研究的相关背景和选题的目的 .11.2 课题研究的内容 .11.3 抢答器目前存在的主要问题 .12 抢答器的
3、系统概述 .22.1 系统的主要功能 .22.2 抢答器的工作流程 .32.3 抢答器的工作过程 .43 系统总体方案的设计 .53.1 硬件电路的设计 .53.2 总体原理图 .63.3 显示电路的设计 .63.4 发声电路 .84 软件设计 .94.1 主程序系统结构图 .94.2 程序流程图 .94.3 主要程序分析 .105 总结 .15参 考 文 献 .16 11 绪 论1.1 课题的相关背景和选题的目的抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码
4、。现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。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、计算定时计数的各个单元电路。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。主持人有开始和结束、复位键
5、。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为 20s，回答问题时间为 30s。通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一
6、个实用的工程设计，具有创新性。1.3 抢答器目前存在的主要问题随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但是目前多数抢答器存在 3 个不足之处：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接2线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采
7、用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。2 抢答器的系统概述2.1 系统的主要功能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，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，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，对提前抡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。系统的主要功能模块方框图如图 1
8、 所示。AT89C51单片机4 位七段数码管显示声音电路=8 路抢答按键输入复位电路开始、结束按键输入加一、减一按键输入时钟图 1 系统主要功能模块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。3主持人有开始和结束键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为 20s，回答问题时间为 30s。通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下
9、开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。2.2 抢答器的工作流程抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，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、声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：系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2
10、所示，下面分别予以介绍。4加载程序运 行行开始开始数码管显示 FFF 开始抢按时间倒计时开始前有选手抢按显示违例选手号码并伴有语音报警倒计时结束，超时有选手抢按显示 FFF 显示选手号码，倒计时时间,语音报警，答题,答题时间倒计时正常流程 违规流程若超过答题时间，则数码管显示 FFF答题完毕根据选手表现，规则由主持人减分图2 抢答器工作流程2.3 抢答器的工作过程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 099
11、s， 0s 时再减 1s 会跳到 99，99s 时再加 1s 会变到 0s。52、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 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
12、 ” 键为止。3 系统总体方案的设计3.1 硬件电路的设计本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离，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) 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) RAM 空间，AT
13、89C51 内部 RAM 不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。如果系统配置了外部 RAM，则建议多留一些空间。如选用 8155 作 I/O 接口，就可以增强 256 字节 RAM。如果有大批数据需要处理，则应配置足够的 RAM，如6264，62256 等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的 RAM 空间，哪怕多设计一个 RAM 的插座，暂不插芯片也好。(5) 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
14、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。63.2 总体原理图图 3 系统原理图图中 U1 为单片机 AT89C51，U2 为芯片 74HC30，U3 为芯片 74LS04。K1K8 分别为 8 路抢答按键，分别接到单片机的 P1.0P1.7 中。开始按键与结束按键分别接到单片机的 10、11 脚，由于单片机的 10、11 脚既有串行接口 RXD、TXD 功能，又有P3.0、P3.1 的 IO 端口功能，此处按键
15、用到单片机 10、11 脚的 IO 端口功能。抢答时间调整按键和回答时间调整按键分别接到单片机的 13、14 管脚，加一按键和减一按键分别接到单片机的 15、16 管脚。4 位七段数码管段选 P0 口。4 位七段数码管的位选接 P2口低 3 位，蜂鸣器输出为 P3.7 口。3.3 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。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。动态显示相对静态显示而言占用端口资源少。在本7设计中根据实际情况采用的是动态显示的方法。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 3 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，数码管显示原理如下： MOV A,R3MOVC A,A+DPTRMOV P2,#0feHMOV P0,AACALL DELAYMOV DPTR,#DAT2MOV A,R5MOVC A,A+DPTRMOV P2,#0fdHMOV P0,AACALL DELAYMOV A,R4MOVC A,A+DPTRMOV P2,#0fbHMOV P0,AACALL DELAYRET4 位七段数码管显示电路如图 4 所示。
