1、 基于单片机控制的八路抢答器 系 部 : 电子工程系 班 级： 通信 09C1 姓 名： 学 号： 092231114 指导教师： 2012年 3 月 21 日 目录 摘要 第 1 页 引言 第 2 页 一八路抢答器的概述 第 3页 （一）本设计任务和主要内容 第 3页 （二）主要芯片的介绍 第 3页 二系统主要硬件电路设计 第 4 页 （一）方案论证 第 4页 （二） 单片机主机系统电路 第 5页 （三）抢答器总体方框图 第 6 页 （ 四 ） 抢答器电路设计 第 7页 （ 五 ） 时序控制电路设计 第 8页 （ 六 ） 复位电路设计 第 9页 （ 七 ） 定时电路设计 第 10页 （ 八
2、） 报警电路设计 第 10页 三系统的软件设计 第 11页 (一 )系统主程序设计 第 11页 (二 ) 查询程序 第 11页 (三 )正常抢答处理程序 第 12页 (四 )显示程序 第 13页 （五）抢答器的源程序 第 14 页 四调试 第 14 页 五总结 第 16 页 六致谢 第 16 页 七参考文献 第 17 页 附录 AT89C51单片机实现八路抢答器程序 第 17页 基于单片机控制八路抢答器原理图 第 21页 第 1 页 共 21 页 摘要 本文介绍了单片机控制、数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。 主持人通过时
3、间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。 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 /计时器定时和记数原理，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。 关键词：单片机；抢答器； AT89C51 Abstract In this paper, MCU control, eight-way digital display Qiangdas circuit, design ideas and functions. With the exception of the Qiangda Qi
4、angda basic functions, but also with time, time and alarm functions. Moderator default by switching the default time for Qiangda time, the system will automatically complete the countdown. Taking into account the need to set the time limit to answer according to the function, using microcontroller a
5、nd external interface of the answer in the system, using the microcontroller timer / timer timing and counting principle, the hardware and software together organically, making the system can correctly to carry out time, while making the digital display the time correctly. Keywords:MCU； Qiangda； AT8
6、9C51 第 2 页 共 21 页 引言 抢答器是一种广泛应用于企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电子设备，也是一种逐渐成型的电子产品，但市面上所售抢答器价格一般较贵且多为小规模集成电路构成，其性能单一，工作起来不够理想。因此，提高抢答器的性能，使其具有更强的功能，使用可靠方便已成为抢答器发展的一个方向。随着集成技术和计算机技术的发展，单片机作为其一个分支亦于 20世 纪 80年代以来获得了飞速发展，各种新品不断涌现，使单片机的应用更加深入，灵活性也大大增强。 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，由于其具有集成度高、体积小、功耗高、性价比
7、高、功能强、应用灵活、可靠性高等优点，所以在工业控制、机电一体化、通信终端、智能仪表、家用电器等诸多领域中都起着十分重要的作用，而且应用越来越广泛，发展也很快，已成为现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术。学习单片机可以加深对微型计算机工作原理的理解，更加清楚 计算机的脉络。同时， 21 世纪是一个信息技术快速发展的时代，人们的教育方式都在不断的利用越来越新的技术，从而抢答器在智力竞赛领域便也成了一种应用广泛的电子设备。 本课题利用 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，
8、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和选手号码。在抢答赛中，往往要有主持人宣布抢答的开始，还要确定是哪个选手最先抢到了答题权，具体答题的时间也有限定。这些如果仅凭主持人的主观判断，很容易判断错误，使参赛选 手不能很公平的比赛。因此，抢答器在竞赛中就扮演了一个非常重要的角色。 第 3 页 共 21 页 一八路抢答器的概述 （一） 本设计任务和主要内容 本论文主要研究单片机控制的八路抢答器，分别对查询、抢答、答题限时及系统设备的软、硬件各个部分进行了研究。 主要内容如下： 1.抢答功能：通过八路按键配合程序来实现抢答功能。当主持人按下抢答键开始抢答后
9、，此时任一路按下按钮均闭锁其它各路，由程序对键盘译码并显示最先按下抢答键的路数及当前时间，扬声器发出音响提示。 2.抢答限时：主持人按下抢答键后，设置 30 秒为抢答时间 (此时间可在 1 99秒之间修改 )。若 30秒内无人抢答，倒计时为 0时发出报警，说明该抢答作废。此时闭锁所有抢答按键，只有当主持人再次按下抢答键开始下一次抢答方可抢答。 3.答题限时：当主持人按下开始答题按钮时，启动倒计时 (此倒计时时间可在 199秒之间修改 )，若答题时间过长，倒计时为 0 时发出报警，说明答题时间到，显示返回当前台数及其分数为下一步计分作出准备。 4.查询功能：当按下查询键后，可查询各台分值。按下分
10、组数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。 5.设定功能 :按下设定 键后，可按顺序设置抢答限时时间、答题限时时间和默认计分分值。 （二）主要芯片的介绍 本课题采用单片机 AT89C51控制的八路抢答器，其功能的实现主要通过软件编程来完成，采用单片机 AT89C51，它是低功耗、高性能的 CMOS型 8位单片机。片内带有 4KB的 Flash存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。该智力竞赛抢答器的准确度很高，其误差主要由晶振自身的误差所造成。 AT89C51单片机由微处理器，存储器， I/O口以及特殊功能寄存器 SFR 等部分构成。其存储器在物理上设
11、计成程序存储器和数据存储器两个独立的空 间，片内程序存储器的容量为 4KB，片内数据存储器为 128 个字节。 89C51 单片机有 4 个 8 位的并行 I/O 口：P0 口， P1 口， P2 口和 P3 口。各个接口均由接口锁存器，输出驱动器，和输入缓冲器组成。 P1口是唯一的单功能口，仅能用作通用的数据输入 /输出口。 P3口是双功能口除了具有数据输入 /输出功能外，每条接口还具有不同的第二功能，如 P3.0 是串行输入口第 4 页 共 21 页 线， P3.1 口是串行输出口线。在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时， P0 可作为分时复用的低 8 位地址 /数据总线， P2 口可作
12、为高 8 位的地址总线。 P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 设计方块图 如图 1所示： 图 1 设计物理框图 通过主持人的相关操作（包括开始、停止、调时等），以及选手的抢答，显示模块与语音模块应能迅速做出正确回应。如支持人按下开始，语音模块立刻给以语音提示，显示模块立刻显示抢答倒计时：当有选手抢答，显示模块应马上显示最先抢答的选手号，并进入答题倒计时 .而这一切，都有赖于本设计的核心模块 -AT89C51单片机来控制。通过一系列的汇编程序，来控制、 实现相应的逻辑功能。 二系统主要硬件电路设计 （一）方案论证 方案一 ： 系统各部分采用
13、中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发 。 该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟 ， 性能可靠 ， 能方便地完成选手抢答的基本功能 ， 但是由于系统功能要求较高，所以电路连接集成电路相对较多 ， 而且过于复杂，并且制作过程工序比较烦琐，使用不太方便。 方案二 ： 该系统采用 MCS-51 系列单片机 AT89C51 作为控制核心，该系统可以完成运算控制 、 信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟， 应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。
14、 MCS-51单片机特点如下 ： 显示模块 （计时、选手） 语音提示 模块 抢答模块（八路输入） 单片机机机 主持模块 & 第 5 页 共 21 页 1.可靠性好 ： 单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的 CPU，程序指令和数据都可以 烧 写在 ROM上 ，因此可靠性高。 2.易扩充 ： 单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统 3.控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。 原理框图如 图 2所 示 ： 图 2系统原理框图 方案比较及其选用依据 ： 显然方案二比方案一简单的多
15、，不但从性能上优于方案一，而且在使用上及其功能的实现上都较方案一简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使其工作速度更快、效率更高。另外 AT89C51 单片机采用 12MHz的晶振，提高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩张功能。而方案一采用了中小规模集成电路，有其复杂的电路性能，从而可能会使信号的输入输出产生延时及不必要的误差 。 依此依据选择方 案二比较合适。 （二）单 片机主机系统电路 AT89C51单片机是 51系列单片机的一个成员，是 8051单片机的简化版。内部自带2K 字节可编程 FLASH 存储器的低电压、高性能 COMS 八位微处理器，与 Intel MC
16、S-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位 CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此， AT89C51 构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的 RAM、 ROM 和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，抢答按钮 主持控制按钮 A T 8 9 C 5 1 LED 数 码管 定时电路 报警电路 第 6 页 共 21 页 提高了系统的性价比。 单片机主机系统图 如图 3所示： 图 3 单片机主机系统图 （三）抢答器总体方框图 图 4总电路框图 如图 4所示为电路总体框图。其工作原理为： 接通电源后，主持人将开关拨到 “ 清抢答 按钮 优先编码
17、 电路 锁存器 译码 电路 译码 显示 控制 电路 控制开关 报警 电路 主体电路 秒脉冲信号 发生电路 定时 电路 译码 电路 显示 电路 扩展电路 V C CC23 0 p FC13 0 p FY16M+C1C A P A C I T O R P O LR9G N DG N DV C CP 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78I N T N 012I N T N 113T014T115WR16RD17P T 3 900P T 3 801P T 3 702P T 3 603P T 3 504P T 3 405P T 3 306P T 3
18、 207P T 2 021P T 2 122P T 2 223P T 2 324P T 2 425P T 2 526P T 2 627P T 2 728X119X218R X D10T X D11A L E / P30P S E N29R E S E A T9A T 8 9 C 5 1E A / V P31A T 8 9 C 5 4第 7 页 共 21 页 除 ” 状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置 “ 开始 ” 状态，宣布 “ 开始 ” 抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬
19、声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示 剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作 “清除 “和 “开始 “状态开关 。 （ 四 ）抢答电路设计 此 部分电路主要完成的功能是实现 8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。 使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关 S 置于 “清除 “端时， RS 触发器的 R、 S 端均为 0， 4 个触发器
20、输出置 0，使74LS148 的优先编码工作标志端 0，使之处于工作状态。当开关 S 置于 “开始 “时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下 S5）， 74LS148 的输出经 RS 锁存后， CTR=1,RBO =1, 七段显示电路 74LS48 处于工作状态， 4Q3Q2Q=101,经译码显示为“ 5”。此外， CTR 1，使 74LS148 优先编码工作标志端，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时， 74LS148 的 此时由于仍为 CTR 1，使优先编码工作标志端 1， 5 所以 74LS148 仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了
21、抢答者的优先性。 只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过 74LS48 译码器使抢答组别数字显示 0-7。 如有再次抢答需由主持人将 S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。 RS触发器： 1. 保持状态。当输入端接入 S =R =1的电平时，如果基本 SR触发器现态 Q =1、 Q =0，则触发器次态 Q =1、 Q =0；若基本 SR触发器的现态 Q =0、 Q =1，则触发器次态 Q =0、 Q =1。即 S =R =1时，触发器保持原状态不变。 2. 置 0状态。当 S =1， R =0时，如果基本 SR触发器现态为 Q =1、 Q =0，因 R
22、=0，会使 Q =1，而 Q =1与 S =1共同作用使 Q 端翻转为 0；如果基本 SR触发器现态为 Q =0、Q =1，同理会使 Q =0， Q =1。只要输入信号 S =1， R =0，无论基本 SR 触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为 0态。 第 8 页 共 21 页 3. 置 1状态。当 S =0、 R =1时，如果触发器现态为 Q =0、 Q =1，因 S =0，会使 G1的输出端次态翻转为 1，而 Q =1和 R =1共同使 G2的输出端 Q =0；同理当 Q =1、 Q =0，也会使触发器的次态输出为 Q =1、 Q =0；只要 S =0、 R =1，无论触发器 现态如何
23、，均会将触发器置 1。 4. 不定状态。当 S =R=0时，无论触发器的原状态如何，均会使 Q =1， Q =1。当脉冲去掉后， S 和 R同时恢复高电平后，触发器的新状态要看 G1 和 G2两个门翻转速度快慢，所以称 S =R=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。 74LS148的功能真值表 输入 输出 sI 0I 1I 2I 3I 4I 5I 6I 7I 2Y 1Y 0Y EXY sY 1 X X X X X 1 X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 X 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 1 0 X X X X X 0 0
24、 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 1 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 74LS148的输入端和输出端低电平有效。 0I 7I 是输入信号， 2Y 0Y 为三位二进制编码输出 信号， SI 1 时，编码器禁止编码，当 SI 0时，允许编码。 SY 是技能输出端，只有在 SI 0，而 0I 7I 均无编码输入信
25、号时为 0。 EXY 为优先编码输出端，在 SI 0而 0I 7I 的其中之一有信号时， EXY 0。 0I 7I 各输入端的优先顺序为： 7I 级别最高，0I 级别最低。如果 7I 0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按 7I 编码， 2Y 1Y 0Y 000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。 二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也 称为变量译码器。若输入端有 n位，代码组合就有 2n个，当然可译出 2n个输出信号。 （ 五 ）时序控制电路设计 时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能：
