基于单片机竞赛抢答器设计

关于课程设计方面的

课程设计(论文)

题 目 名 称 课 程 名 称 单片机原理及应用课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 指 导 教 师

2011年 6 月 26 日

关于课程设计方面的

目 录

中文摘要 ····························································································· 1 英文摘要 ····························································································· 1 1 前言 ································································································· 2 2 方案设计 ························································································· 2 2.1设计思路 ······················································································· 2 2.2 方案论证······················································································· 3 2.3 设计原理······················································································· 3 3 系统程序流程 ·················································································· 4 4 硬件电路图······················································································ 7 4.1 系统电路原理 ··············································································· 7 4.2主要元器件选择 ············································································ 7 4.3硬件电路设计 ················································································ 9 5仿真图 ···························································································· 13 6课程设计心得 ················································································· 17 参考文献 ··························································································· 18 致 谢································································································· 19 附 录································································································· 20

关于课程设计方面的

摘 要

近年来，单片机的应用变得越来越普遍，所以我也采用单片机技术设计竞赛抢答器系统。本系统采用AT89C51单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、语音模块、抢答按键模块。该抢答器系统通过开关电路八个按键输入抢答信号；利用语音芯片ISD1420完成语音的录放功能；利用存储程序；利用一个四位一体的七段显示数码管来完成显示功能。工作时，在按下抢答开始键后，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号进行抢答，经单片机的处理，输出控制信号，控制数码管和语音芯片工作。在位选数码管上显示哪一组先答题的号码，并有倒计时显示，以及通过语音系统发出报警声音，从而实现整个抢答过程。 关键字：AT89C51；ISD1420；数码管；抢答器

Abstract

In recent years, SCM applications become more common, I also used the B chip technology design competition Responder system. The system uses AT89C51 microcontroller as the core. Control system of the four modules are: memory module, display module, voice module, answer key module. The Responder system through the switching circuit to answer in eight key input signal; complete with voice chip ISD1420 voice recording function; use stored procedures; use a four in one of the seven-segment LED display to complete the display. Work, the key is pressed to answer in the beginning, with the key switch circuit through the signal input from various quarters of the answer in the answer in, the single-chip processing, the output control signals to control the digital and voice chip working. Reign selected digital display which group the number of the first answer, and the countdown show, and an alarm sounds through the voice system, in order to achieve the answer in the process. Keywords: AT89C51; ISD1420; digital; Responder

关于课程设计方面的

1 前言

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，必须要设计一个系统来完成这个任务。因为在抢答过程中，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，即使各组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。该课程设计主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。

2 方案设计

2.1设计思路

我的设计思路是竞赛抢答器要有报警系统，要是在规定时间内还没有参赛者抢答或回答出问题时就会发出报警声，倒计时为设定为5S。并且如果出现犯规抢答时也会发出报警并且显示该犯规选手的编号。

这个抢答器可同时供不大于8名选手或8个代表队参加比赛，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号是相对应的，分别是S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8；给节目主持人设置二个控制按钮开关，用来控制系统的清零和抢答的开始；该八路抢答器具有程序存储、数据锁存和显示功能，抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存， 并在数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止； 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答，定时的时间可由主持人设定加减。

当节目主持人启动"开始"键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时蜂鸣器发出短暂的声响，声响持续时间 0.5S左右，参赛选手在设定的时间内抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间， 并保持到主持人将系统清零；如果定时抢答的时间不大于5S后，却没有选手抢答时，系统持续报警，直到定时抢答的时间为零，本次抢答无效，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示FFF 犯规处理；如果主持人没按"开始"键，就有选手抢答，则显示选手编码，并持续报警；如果已经有选手抢答了，别的选手则按键无效。直到主持人重新复位按下开始键为止。

主持人还可以根据不同的问答方式设定不同的抢答时间和回答时间。

关于课程设计方面的

2.2 方案论证

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性。 CS-51单片机特点如下：

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写在ROM许多信号通道都在同一芯片，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。

该方案不但从性能上优越，而且在使用上及其功能的实现上都较简洁，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AT89S51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。

2.3 设计原理

(1) 本电路采用单片机AT89C51作为控制芯片，单片机的P0口外接七段显示数码管，数码管用来显示八位选手的号码。并在各个外接电路上并接开关按键，按键另一端接地。发光二极管采用共阳极接法，由于P0口为高电平呈输入状态，当有按键按下时，P0口呈低电平与按键对应的发光二极管满足点亮条件点亮。在程序编程上采用查询，查询P1口P1.0到P1.7的八个端口呈低电平，即查询是哪个选手先按键，然后将选手号码送至数码管上显现出来。

(2) 蜂鸣器是利用三极管处于开关状态是的导通与截止工作，在三极管导通时蜂鸣器工作，三极管截止时蜂鸣器不工作。三极管采用8550 PNP型基极接于P3.7口置其低电平时三极管导通，置其高电平时三极管截止。

(3) 数码管采用共阴极七段显示，其内部发光二极管为共阴极接低电平。在主持人按下开始键后，10秒倒计时在数码管上显示。抢答选手按下键的时候，其号码被

关于课程设计方面的

送往数码管进行显示。选手答题的时候，15S倒计时也送往显示。

（4）软件设计分析首先在程序的开始为选手设置了一段违规程序，该程序的作用是为了防止选手在主持人没有按下抢答键时，有的选手已经提前抢答了，本次抢答为无效抢答，并有报警和记录下该位选手的选号，做违规处理。如果在主持人按下抢答键后规定时间内抢答，该次抢答被视为有效抢答，在主持按下回答问题的键时选手就可以在规定的时间内回答问题了。其原理框图如下:

图

2.1 抢答器流程框图

3 系统程序流程

本次实验设计的程序主要包含：主程序，一个中断程序，一个答题子程序。（具体见以下叙述）

图3.1 主程序流程图

关于课程设计方面的

这是整个主程序流程图，程序开始道程序初始化，再到读键盘是否有键按下如果有，则执行调用显示抢答违规并报警子程序，然后返回程序初始化；如果没有则看是否满足中断条件，如果满足就进入中断程序，不满足就返回读键盘是否有键按下，重复上述过程。

中断服务程序

图3.2 中断服务程序流程图

当没有人按键时，看中断程序条件是否满足，满足的话就进入中断程序，并伴随响声提示，然后设定定时器初值启动定时器，10秒抢答倒计时开始，用读键子程序进行延时，看看是否有抢答者按键，如果有则调用子程序抢答者获得答题机会，如果没有人抢答，10秒后中断返回，该题无人抢答作废。

关于课程设计方面的

调用抢答者获的回答问题子程序

图3.3 答题子程序流程图

这是抢答者抢答成功之后，调用的答题子程序，抢答成功后，会有响声提示答题者答题时间，然后设定定时器初值并启动定时器，进行答题计时，答题者抢答5秒后开始15秒倒计时，如无法回答，直到20秒答题倒计时结束，有响声提示，则答题失败，然后返回；如可以回答，在20秒答题时间内回答问题，并正确，则答题成功，最后返回。

关于课程设计方面的

4 硬件电路图

4.1 系统电路原理

图4.1 硬件电路图

电路工作原理和过程说明：上图为仿真的总页面图，选用的单片机为

AT89C51，LED显示器等。P1.0到P1.7为八个抢答开关，P3.2到P3.5为时间

设计开关。P3.0为开始开关，P3.2为停止控制端。当加载好程序后，按下开始键就可以开始抢答了。同时显示器上会选手的号码和回答的时间开始倒计时，抢答时间以及回答时间都可以重新设定。当有犯规抢答时会发出报警声，并显示犯规选手的编号。

4.2主要元器件选择

4.2.1 AT89C51芯片

AT89C51AT89C51

是美国

ATMEL

公司生产的低电压、高性能

CMOS8

位单片机。

芯片不仅包括

CPU、RAM、ROM、定时器、串行口、I/O

接口等主要功能

部件之外，还有驱动器、锁存器、指令寄存器、地址寄存器等辅助部分。CPU是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。RAM用于存放变化的数据，

关于课程设计方面的

其地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。ROM用于存放程序和固定不变的常数等等。通常采用只读存储器，且其有多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存、定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89C51共有四个8位的并行I/O口，每个口都有一个锁存器和1个驱动器组成。并行

I/O

口主要用于实现与外部设备中数据的并航输入输出，有些

I/O

口还有其他功能。

AT89C51

有1个UART全双工异步串行口，用于实现单片机和其他具有相应接口的设备之

间的异步串行数据传送。AT89C51采用40Pin封装的双列直接DIP结构。40个引

脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。 4.2.2 74HC244

74HC244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1C和2G作

为它们的选通工作信号。当1C和2G都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1G和2G都为高电平时，输出呈高阻态。A0~A3为输入端，Y1~Y4为输出端。OE为使能端，低电平有效。 4.2.3七段数码管

LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件。由图可知它由8个发光二

极管构成，通过不同的组合可用来显示0~9、A~F及小数点“.”等字符。图中

DP表示小数点，COM表示公共端。数码管通常有共阴极和共阳极两种型号。共

阴数管的发光二极管阴极必须接低电平，当某一发光二极管的阳极连到高电平时，此发光二极管点亮；共阳极数码管的发光二极管是阳极并接到高电平，须点亮的发光二极管阴极接低电平即可。显然，要显示某字形就应使此字形的相应字段点亮，实际就是送一个用不同电平组合代表的数据到数码管。

图4.2 七段数码管框图

关于课程设计方面的

4.3硬件电路设计

4.3.1 抢答器的电路框图

如图4.3.1所示为电路框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清除”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"开始、停止"状态开关。 4.3.2单元电路设计 (1)抢答器电路

参考电路如图4.3所示。该电路完成两个功能：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；二是禁止其他选手按键操作无效。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置,“清除”然后再进行下一次抢答。

图4.3 抢答器电路图

关于课程设计方面的

(2)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：

a.主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。 b.当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 (3)复位电路的设计

外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。复位电路如下图示：

关于课程设计方面的

图

图4.4 复位电路图

关于课程设计方面的

4.3.3外部震荡电路

外部震荡电路单片机必须在AT89C51的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟震荡电路，只需要外接一个振荡器就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，外部震荡电路如下图：

图4.5 外部震荡电路图

4.3.4报警电路设计

报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。一般喇叭是一种电感性 图2.5报警电路图。8951驱动喇叭的信号为各种频率的脉冲。因此，最简单的喇叭驱动方式就是利用达林顿晶体管，或者以两个常用的小晶体管连接成达林顿架势。在右图中电阻R为限流电阻，在此利用晶体管的高电流增益，以达到电路快速饱和的目的。不过，如果要由P0输出到此电路，还需要连接一个10K的上拉电阻。 选手在设定的时间内抢答时，实现：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。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*作"清除"和"开始"状态开关。图面是数字抢答器的报警电路图。

关于课程设计方面的

图4.6 报警电路图

5仿真图

说明：当加载好程序后，按下仿真桌面的左下角的play键出现下图5.1的现象

图

图5.1 抢答器开启电路图

关于课程设计方面的

说明：按下开始键后出现下图5.2的现象显示为20s

图5.2 抢答倒计时图

说明：当按下开始键后，如图5.3显示一号正确抢答并显示一号的号码以及回答的时间30s

图5.3答题倒计时图

关于课程设计方面的

说明：四号选手犯规抢答显示如下图5.4，显示出四号并发出联续不断的报警声

图5.4 犯规提示图

说明：如下图5.5在主持人有必要的时候可以调整抢答的时间，适应各种环境。

图

图5.5 抢答时间调整图

关于课程设计方面的

说明：如下图5.6按下回答时间调整开关时间从30S减到25S可以调整回答时间。

图5.6 答题时间调整图

关于课程设计方面的

6课程设计心得

这次课程设计花了很长的时间，从一开始选择可课题到准备工作大概花了一周左右。为了把这次课程设计做的比较好，已经将以上的设计内容改了好几次了。其实有很多不懂的地方，自己有些异想天开的想法，有些可以做出来，但有一些根本就不能用单片机来实现的。面对这种种的困难除了问老师和同学还在网上搜集了很多相关的资料外，也参考了许多相似的课程设计。从中学到了许多在书上找不到的知识，收获不少。还让我根深的了解坚持自己的想法的重要性，别人做的再好那也是别人的，只有自己努力去学习了，有了自己的想法，才能将这些东西变成自己的。在这次课程设计中也充分体现了同学之间的团队精神和互助的好品德，我们在不断的讨论中逐渐发现问题的本质，慢慢有了该怎么样做好设计的思路，有了大家的帮助信心才更加的坚定，虽然遇到的问题比解决了的问题要多得多，但是在解决问题的过程中让我们体会到了学习的乐趣，和解决问题后，那种收获的喜悦。打个比方，我们在选择单片机的型号时就出现了很多问题，不知道用哪种型号会更好，所以我们只好从简单的80C51到更加实用AT89C51一个一个的去实验，而最终选择了

AT89C51型号。

总的来说这次课程设计是比较难的，碰壁也有很多，但同时也是我感觉收获最多的一次课程设计。不仅仅是运用了课本上的知识，同时还结合了在课本之外的知识才把设计做出来的，使我有了灵活运用知识的新思路。对以后人生的发展目标也产生了重大的作用，因此我认为这次课程设计对我个人而言是受益良多的。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/72qi.html