1、 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 发声3.7
2、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答器。我们
3、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，扬声器发
4、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，且一次抢答的时间由主
5、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，在有效状态下，按键
6、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） ，不进行抢答查询，所以
7、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、系统复位
8、、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础学习。有
9、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性，如时钟
10、，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 在工艺上进行
11、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、使用灵活和具有较高性能
12、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 - 1虽然特殊
13、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 中断优先控制器*
14、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，两个 16
15、 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
