八路抢答器 设计报告

        

课程设计报告报告

实 验 名 称 :     八路抢答器       

专 业 班 级 :     电信1003班     

学 生 姓 名 :     舒    海         

学       号 :    201046830511      

指 导 教 师 :      吕 宗 旺        

实验设计时间: 20##-2013学年第一学期

电子信息工程专业课程设计任务书

说明:本表由指导教师填写,由教研室主任审核后下达给选题学生,装订在设计(论文)首页

  信息科学与工程  学院课程设计成绩评价表

课程名称: 数字电路课程设计

设计题目:  八路数字抢答器

专业: 电子信息工程     班级: 电信1003    姓名:舒海   学号:201046830511

一、实验名称:八路数字抢答器

二、实验目的 :

1.熟悉芯片引脚的识别方法,以及原理。

2.掌握与非门实现其他逻辑门电路的方法。

3. 掌握电路板的焊接技术。

4.加深对模拟电路和数字电路课程的理解和认识。

三、实验要求:

主持人没有宣布抢答开始时,抢答不起作用,在主持人宣布抢答开始后,可以进行抢答。它的任务是从八名参与者中确定出最先的抢答者,立即将其编号锁存,并在LED数码管上显示选手的编号,同时用LED灯显示。此外,封锁输入电路,禁止其他选手抢答,优先抢答选选手的编号一直保存到主持人将系统清零为止(即复位操作)。为此我们小组决定就这次机会设计一个低成本但又能满足需要的八路智力竞赛抢答器,并通过安装与调试。

四、使用元件:

以及排线、焊锡若干。

五、工作原理:

接通电源后,主持人先进行复位,此时七段显示器显示“0”此时抢答器处于显示状态。当主持人宣布“开始抢答”此时抢答器开始工作。 当参加智力竞赛的选手摁下手中的抢答器时LED数码管会点亮提示同时,七段显示器显示该小组的编号。 只有最先抢答者的编号才能被锁存,并在LED数码管上显示选手的编号。 

由以上两个条件可以想到:用D触发器来实现,D触发器是一个输出跟输入一样的触发器。 将主持人的开关和D触发器的清零端相连。 D触发器是一个在CP脉冲上升沿时反转的触发器。所以只要有一个抢答器输出为1时,就让所有抢答器的脉冲没有上升沿,这样就轻而易举的让其他小组的抢答无效了。 LED数码管的提示延续到主持人清零为止,不能在变。 当一轮抢答结束后,主持人将其清零,准备下一轮抢答。

其中的工作细节其实就是BCD码的编码和译码,并显示于七段显示器上。

下面以第一位抢答者输入有效为例解释整个电路工作原理:在没有输入之前, 74HC373的OE为低电平,LE为高电平,其八个输入均为高电平,当第一位抢答者抢答有效时,此时,74HC373的第一位输入变为低电平,整个输入锁存为:L H H H H H H H H ,输入到74HC147的输入,根据74HC147的编码原则,其输出为H H H L ,再经过反相器74LS04,其输出变为L L L H ,对应的BCD码就是“1”,通过CD4511驱动七段显示器,将其显示在七段显示器上。

附件1:

74HC373的功能表如下所示

附件2:

74HC147编码原理真值表:

六、组成框图:

 

 

 

七、调试过程:

开始时,七段式显示器显示不正常,数字显示从2-9,然后根据七段式显示器的引脚原理,判断高低电平,然后继续反向向上推理,当调试到74HC147时发现功能脚9即引脚10,显示异常,在正常显示时,9引脚必须接高电平,经过查看,发现9引脚没接入高电平,空着忘记接入。最终,将9引脚接到+5V高电平后,八路抢答器显示正常,并能顺利工作。

八、心得体会:

    数字电路设计开始设计时一头雾水,虽然把各个元件都在网上查了,并且下载,自己把各个元件的功能图又重新在我的笔记上画了一遍,随后我就开始想,但是什么也想不出来,一头雾水。后来自己又到网上浏览一些抢答器电路的设计,网上好多抢答器的设计报告,但是和自己用的元件都不一样,后来发现原理都一样。于是,我找到一篇课程报告,仔细分析他的原理过程,后来终于明白了,并用自己仅有的元件开始重新设计我的电路。

    首先我是在multisim上面开始设计电路,调出元件,一个个接入,连接电路才是个需要很多知识的,必须弄清楚各个元件的分类以及引脚,对应到自己使用的元件上。举个例子,multisim上面有好多七段显示器,如果自己不查清楚,不知道自己用对应到他上面是什么类型的,所以经过大概2天时间,我把电路设计好了,开始调试过程,开始时调试并不成功,但是又没发现什么错误,后来急于还有考试,所以就开始了焊接,因为我知道电路原理是这样的,不会有错。

    后来焊好以后,开始请教别人,寻找自己的错误,经过几天不懈的努力,终于将八路抢答器设计成功。

    总之,每次尝试都会有很多启迪,只要是自己动手,不在于多少,只在于用心

 

 

第二篇:八路智力抢答器毕业设计报告

毕业设计说明书

          题    目_    八路智力抢答器___

班    级__    ____

姓    名_________

指导教师________

时    间        10.04         


摘要... 1

第一章   绪论... 2

§1.1课题研究的背景... 2

§1.2选题的目的和意义... 3

§ 1.3课题研究的内容... 3

§1.4国内外研究现状... 4

§1.5抢答器目前存在的主要问题... 4

第二章  抢答器系统概述... 5

§2.1系统结构设计... 5

§2.1.1系统需求分析... 7

§2.1.2抢答器的工作过程... 7

§2.2器件选型方案及部分清单... 9

§2.2.1 AT89C51的功能... 9

§2.2.1AT89C51特殊功能寄存器... 11

§2.3抢答器的优点及组成... 13

第三章   系统的总体方案设计... 14

§3.1 硬件电路的设计... 14

§3.2 八路抢答器设计仿真图... 15

§3.3时钟频率电路的设计... 16

§3.4显示电路的设计... 17

§3.5键盘扫描电路的设计... 17

§3.6 发声电路... 19

§3.7系统复位... 19

第四章软件系统设计... 22

§4.1程序总体设计... 22

§4.2源程序代码... 24

第五章   总结及致谢... 30

§5.1总结... 30

§5.2 致谢... 32

参 考 文 献... 33

 

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。本次设计是以八路抢答为基本思想。考虑到需要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器系统,利用单片机的定时器/计时器定时和计数的原理,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,扬声器发声提示。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;抢答时间和回答问题时间倒记时显示,满时后系统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。

【关键字】:AT89C51  LED数码管  抢答器  计时

第一章   绪论

§1.1课题研究的背景

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。早期的抢答器只有几个三极管、可控硅、发光管等组成,能通过发光管的指示辨认出选手号码。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、抢答前或抢答后的计时、选手得分显示等功能。

能够实现抢答器功能的方式有多种,可以采用前期的模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式。近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测日新月异更新。介绍一种利用微电脑芯片作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的单片机技术和编程设计的八路多功能智力竞赛抢答器。

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/计数器定时和计数的原理,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和选手号码。用开关做键盘输出,扬声器发生提示。系统达到要求:在抢答中,只有开始后才有效,如果在开始抢答前抢答为无效;抢答限定时间和回答的时间可是在1-99s设定;可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答,正确按键后有声音提示;抢答时间和回答问题时间倒计时显示,时间完后系统自动复位;按键锁定,在有效状态子啊,按键无效非法。

 §1.2选题的目的和意义

    通过这次设计,掌握C51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。同时通过本次的设计、装配与调试,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理念。了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响,从而能够正确设计定时计数的各个单元电路。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。

§ 1.3课题研究的内容

    本设计采用模块化设计智能抢答器,在抢答器比赛中广泛应用,各组分别有一个抢答按钮。主持人有开始和结束、复位键。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 ,回答时间为30s。通过加键和减键修改上述时间,改完后按结束键确定。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。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,采用单片机设计的抢答器相比,首先,电路连接简单,因为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。所以本次设计是一个实用的工程设计,具有创新性。

§1.4国内外研究现状

     抢答器作为一种电子产品,早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合,但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低,实现起来很困难;有的则用一些专用的集成块,而专用集成块的购买有很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器,这种抢答器具有电路简单,元件普通,易于购买等优点,并且能够很好地解决设计者制作困难和难于购买的问题。

§1.5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,减少兴致。作为一个单位若专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)抢答损坏,再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

     而且目前的多数抢答器存在三个不足之处:第一、现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答器现场的不同位置,每个选手与控制台之间有长长地连接线。选手越多,连接线就越多、越乱,这些连接线不仅影响了现场的美景,而且降低了抢答器的可能性,增加了安装放入难度,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,其它功能如号码的识别、译码、记分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术选手抢答按号码时,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。

第二章  抢答器系统概述

§2.1系统结构设计

本系统是借用单片机采用模块化的八路抢答器,包括按钮、计时显示、提示功能等(根据需要可另设或多设相关功能)、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等(根据需要也可另设或多设相关功能)。

 参赛者系统,除享有抢答按钮的功能外,还有人性化的提示功能和时间提示功能,也可设由主持人控制在参赛者终端表现的趣味性功能等;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,对提前抢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抢答者的台号,并有显示提示,同时具有报警功能和定时抢答功能,主持人可以根据需要设置抢答时间和答题时间,由此我们得到系统方框图如图2-1所示。

本设计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器按钮。一共有8个按键输入,分别对应8路选手的抢答按键。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。新时间开始有效,主持人按键开始后,选手开始抢答为有效,有按下开始键而选手就抢答视为犯规,数码管显示犯规者的代号,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编写。它完成了时间参数的设定,抢答号码的译码、保存、显示、输出及答题倒计时功能等。

本次设计中有一个共阴极的数码管组,四个数码管。其中两个显示时间,一个空位,一个显示抢答号码。主持人依此按下复位键,开始键后开始抢答。可以按抢按:超时数码管显示“FFF”,当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“FFF”。若有选手在规定时间内抢按成功,则可以答题,数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。若在按开始键前抢答表示违规,数码管显示“FF”并显示选手号码。

§2.1.1系统需求分析

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以在1-99s设定。

3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答,正确按键有声音提示。

4、抢答时间内使用锦囊回答时间加到60s。

6、按键锁定,在有效状态下,按键无效非法。

§2.1.2抢答器的工作过程

当按启动电路时,智力竞赛抢答器就开始进行工作。一次时间设置完之后复位后不需重新进行时间设定,通过键盘扫描输出按键信息,再通过单片机将它转换成能在七段数码管上显示字型码。

当抢答完毕时,会在数码管上显示抢答者数字号码提示以表示抢答成功。同时显示其分数,分数的加减可由裁判手动进行。采用独立式键盘,可实现8路抢答。 在显示时使用的是七段数码管显示在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。并通过查表法 将其在数码管上显示出来,其中P1口为字型码输入端,P2口低6位为字选段输入端.通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字。软件去抖动,如果"开始键"按下就向下执行,否者跳到开始。采用倒计时程序,使其具有倒计时功能。回答倒计时30秒,抢答时间20秒。采用发声警报,起到报警作用。

(1)如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节"键或"答题时间调节"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0s~99s, 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30s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60s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" 键为止。

(5)P3.0为开始抢答,P3.1为停止,p1.0-p1.7为八路抢答输入 数码管段选P0口,位选P2口低3位,蜂鸣器输出为P3.6口。P3.2抢答时间调整结,P3.3回答时间调整,P3.4为时间加1调整,P3.5为时间减1调整。,LED上不断闪烁FF和犯规号码,直到按下“停止”键为止。

    总而言之,本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器,该抢答器增加了新的功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本,是一个实用的工程设计。

§2.2器件选型方案及部分清单

微控制器选用ATMAL公司生成的AT89C51,该芯片资源资源充足,并且价格也比较便宜。如表2-1所示:

表2-1   器件明细表

§2.2.1 AT89C51的功能

 AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。它最大的特点是片内含有Flash存储器,用途十分广泛,特别是在生产便携式商品,手提式仪器等方面,有着十分广泛的应用。

    AT89C51单片机内部主要有以下部件:8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。

    AT89C51是89系列单片机的标准型,它是与MSC-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器,可进行1000次擦写操作。全静态工作为0-24MHZ,有3级程序缓存器,内部含有128-256字节的RAM,有32条可编程I/O口线,2-3个16位定时/计数器,6-8个中断源,通用的串行接口,低电压空闲及电源下降方式。

AT89C51单片机内部CPU、4KB的FPEROM,128的RAM,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/输出端口的数据传输、数据的算数运算、逻辑运算以及操作处理等,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、指令存储器、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限定的时间发出各种操作所需要的内部和外部的控制信号,使各部分协调工作,完成指令规定的操作。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。

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。其内部结构如图2-2所示。

AT89C51的主要性能包括:AT89C51与MCS-51控制系列产品兼容,片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器(Flash Memory),存储器可循环写入/擦除1000次;存储器数据保存时间可达10年;工作电压范围宽:Vcc可由2.7V到6V;全静态工作可由0HZ到16MHZ;中继结构具有3级所存保护;128*8位内部RAM;32条可编程I/O线;两个16位定时器/计数器;中断结构具有5个中断源和2个中断优先级;可编程全双工串行通信;空闲状态维持低功耗和掉电状态保存储存内容。

§2.2.1AT89C51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80H-FFH中,即在RAM地址中。这些寄存器的名称和地址见表2-2。

表2-2   AT8951 特殊功能寄存器

§2.3抢答器的优点及组成

在知识比赛中,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抢答题,必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中,靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来完成这个任务。使以上问题得以解决,即使两组的抢答时间相差几微妙,也可以辨别哪组优先答题。本文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。系统工作原理本系统采用AT89C51单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为:存储模块、声音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过八个按键输入抢答信号;利用存储程序来完成软件的设计;利用一个4为七段共阴极数码管来完成显示功能。工作时,用按键通过开关电路输入各路的抢答信号,经单片机的处理。输出控制信号,空控制4位七段共阴数码管和喇叭工作。在数码管上显示哪一组先答题,从而实现整个抢答过程。

第三章   系统的总体方案设计

§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:从时间上看,硬件设计的绝大部分工作是在最初阶段,到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分,硬件设计的大反攻是比较少的,较少设计的任务贯彻始终,到后期基本上都是软件设计任务,随着集成电路技术的飞速发展,各种功能很强的芯片不断出现,是硬件电路的集成越来越高,硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为是硬件电路设计尽可能合理,硬注意以下几方面:

   (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,AT89C51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的数据处理算法,就可以是系统功能提高很多,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放入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:在样机研制出来进行现场试用时,往往会发现一些被忽视的问题,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上了。

§3.2 八路抢答器设计仿真图

最终根据设计要求以及元器件的功能与使用方法,按照系统方框图的总体概述连接成一个实际的应用电路,并且通过仿真软件实现如图3-1。

图3-1八路抢答器仿真图

§3.3时钟频率电路的设计

单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元,决定单片机的工作速度,如图3-1所示。

一般选用石英晶体振荡器。此电路加电大约延迟10ms后振荡起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由 石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1、C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C1、C2的典型值为22pF。

单片机在工作时,由于内部振荡器产生或有外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数,常用f表示。时钟频率为12MHz,即f=12MHz,则时钟周期为1/12us。

§3.4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。

    本次设计采用七段码7SEG-MPX4-CC 显示,它是共阴极的由高电平点亮,有四个七段数码管集成。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。其中静态显示的特点是显示的特点是显示稳定不闪烁,程序编写简单,但占用端口资源多;动态显示的特点是显示稳定性没静态好。程序编写复杂,但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本次设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。

显示电路如图3-1所示,通过查表法将选手号在数码管上显示出来,其中p0为字型码输入端,P2口低3位为自选段输入端。这里我们通过查表将字型码送给数码管显示数字,4位数码管显示电路。

§3.5键盘扫描电路的设计

键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到,配合各种不同的硬件电路,这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看,仅仅完成键盘扫描,读取当前时刻的键盘状态时不够的,还有不少问题需要妥善解决,否则,人们在操作键盘就容易引起误操作和操作时空现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。

它们有自己的特点,其中独立键盘硬件电路简单,而且在程序设计上也不复杂,一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中;矩阵键盘与独立键盘有很大区别,首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多,而且在程序算法上比它要繁琐,但它在节省端口资源上有优势得多,因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用常用的方法,即延时法的原理为:因为“毛刺”脉冲一般持续时间短,约为几毫秒,而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里我们取10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键,否则为无效按键。

本次毕业设计中采用了独立键盘的方式,本设计有8个抢答器按键输入,一个开始按键、一个结束按键,此外还有抢答时间调整、回答时间调整键,加一按键、减一按键各一个。

8个抢答器按键如图3-1所示分别接入单片机的P1.0-p1.7的值来判断当前输入的是8个抢答器按键中的哪一个。抢答时间调整和回答时间调整接到单片机的P3.3和P3.4接口,加一及减一按键接到单片机的P3.5和P3.6接口。开始及结束按键接到单片机的10.11脚,这里用到了单片机10、11脚复合功能中的I/O端口功能,单片机通过读取10、11脚的P3.0、P3.1的I/O端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。

按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动,这时触点的逻辑电平是不稳定的,如不妥善处理,将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段,这一延时过程一般大于5ms,例如取10-20ms。如果监控程序中的读键操作安排在主程序(后台程序)或键盘中断(外部中断)子程序,则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中,就可省去专门的延时子程序,利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。

 §3.6 发声电路

我们知道,声音的频率范围约在几十到几千赫兹,若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平,则在该口线上就能产生一定频率的矩形波,接上喇叭就能发出一定频率的声音,若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间,就能改变输出频率,从而使喇叭发出不同的声音。

    发声电路如图3-1所示,图中单片机的14脚输出具有复合功能,此处用到了单片机17脚的I/O功能,单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。

§3.7系统复位

使CPU进入初始状态,从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系统复位的方法来看,系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过CPU外部的硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。上电复位,人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后,各专用寄存器的状态均被初始化,且对片内通用寄存器的内部没有影响。但是,硬件复位还能自动清除中断激活标志,使中断系统能够正常工作,这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能,最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。对各专用寄存器的复位操作时容易的,也没有必要完全模拟,可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘,因为它没有明确的位地址可供编程。有的编程人员用020000(LJMP 0000H)作为软件陷阱,认为直接转向0000H地址就完成软件复位,就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作,这是程序出错完全有可能发生在中断子程序中,中断激活标志已置位,它将阻止同级中断响应。由于软件看门是高级中断,它将阻止说要中断响应,由此可见清除中断源标志的重要性。

    在所有的指令中,只有RETI指令能够清除中断源标志。出错处理程序ERR主要完成这一功能,其它的善后工作交由复位后的系统区完成。

    程序一般先关中断,以便后续能处处理能顺利进行,然后用两个RETI指令代替两个LJMP指令,从而清除了两级中断激活标志。有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全部激活两个标志,这也无妨。

按复位时系统的历史状况,可将复位分为“冷启动”和“热启动”。“冷启动”时,系统的状态全部无效,进行彻底的初始化操作;而“热启动”时,对系统的当前状态进行修复和有选择的初始化。系统初次上电投入运行时,必须是“冷启动”,以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为“热启动”初次上电投入运动时,必须是“冷启动”,以后由抗干扰措施引起的复位操作均为“热启动”。为了使系统能正确确定采用何种方式,常用上电标志来区分,如图3-2所示。

第四章软件系统设计

§4.1程序总体设计

智力竞赛抢答器要求有计时记忆功能,一次时间设置通过键盘扫描输出按键信息,再通过单片机将它转换成能够在数码管上显示的信息。当抢答完毕时,会在数码管上显示抢答者数字号码提示以表示抢答成功。同时显示其分数,分数的加减可由裁判手动进行。采用独立式键盘,可实现8路抢答。在显示时使用的是七段数码管显示在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。 并通过查表法 将其在数码管上显示出来,其中P1口为字型码输入端,P2口低6位为字选段输入端.通过查表将字型码送给七段数码管显示的数字。软件去抖动,如果"开始键"按下就向下执行,否者跳到开始。采用倒计时程序,使其具有倒计时功能。回答倒计时30秒。抢答时间20秒。采用发声警报以起到报警作用。程序总体流程如图4-1。

 

§4.2源程序代码

 程序清单:


OK EQU 20H;抢答开始标志位

        RING EQU 22H;响铃标志位

        ORG 0000H

        AJMP MAIN

        ORG 0003H

        AJMP INT0SUB

        ORG 000BH

        AJMP T0INT

        ORG 0013H

        AJMP INT1SUB

        ORG 001BH

        AJMP T1INT

        ORG 0040H

MAIN:   MOV R1,#30;初设抢答时间为30s

        MOV R2,#60;初设答题时间为60s

        MOV TMOD,#11H;设置未定时器/模式1

        MOV TH0,#0F0H

        MOV TL0,#0FFH;越高发声频率越高,越尖

        MOV TH1,#3CH

        MOV TL1,#0B0H;50ms为一次溢出中断

        SETB EA

        SETB ET0

       SETB ET1

 SETB EX0

 SETB EX1;允许四个中断,T0/T1/INT0/INT1

        CLR OK

 CLR RING

         SETB TR1

         SETB TR0;一开始就运行定时器,以开始显示FFF.如果想重新计数,重置TH1/TL1就可以了

;=====查询程序=====

START:   MOV R5,#0BH

         MOV R4,#0BH

         MOV R3,#0BH

 ACALL DISPLAY;未开始抢答时候显示FFF

         JB P3.0,NEXT

         ACALL DELAY

         JB P3.0,NEXT;去抖动,如果"开始键"按下就向下执行,否者跳到非法抢答查询

         ACALL BARK;按键发声

         MOV A,R1

  MOV R6,A;送R1->R6,因为R1中保存了抢答时间

     SETB OK;抢答标志位,用于COUNT只程序中判断是否查询抢答

         MOV R7,#01H  ;读抢答键数据信号标志,这里表示只读一次有用信号

          MOV R3,#0AH;抢答只显示计时,灭号数

        AJMP COUNT;进入倒计时程序,"查询有效抢答的程序"在

COUNT里面

NEXT:   JNB P1.0,FALSE1

    JNB P1.1,FALSE2

    JNB P1.2,FALSE3

    JNB P1.3,FALSE4

    JNB P1.4,FALSE5

    JNB P1.5,FALSE6

    JNB P1.6,FALSE7

    JNB P1.7,FALSE8

    AJMP START

;=====非法抢答处理程序=====

FALSE1: MOV R3,#01H

        AJMP ERROR

FALSE2: MOV R3,#02H

        AJMP ERROR

FALSE3: MOV R3,#03H

        AJMP ERROR

FALSE4: MOV R3,#04H

        AJMP ERROR

FALSE5: MOV R3,#05H

        AJMP ERROR

FALSE6: MOV R3,#06H

        AJMP ERROR

FALSE7: MOV R3,#07H

        AJMP ERROR

FALSE8: MOV R3,#08H

        AJMP ERROR

;=====INT0(抢答时间R1调整程序)=====

INT0SUB:MOV A,R1

        MOV B,#0AH

         DIV AB

         MOV R5,A

         MOV R4,B

         MOV R3,#0AH

         ACALL DISPLAY;先在

两个时间LED上显示R1

       

 JNB P3.4,INC0;P3.4为+1s键,如按下跳到INCO

         JNB P3.5,DEC0;P3.5为-1s键,如按下跳到DECO

         JNB P3.1,BACK0;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO

    AJMP INT0SUB

INC0:   MOV A,R1

CJNE A,#63H,ADD0;如果不是99,R2加1,如果加到99,R1就置0,重新加起。

        MOV R1,#00H

        ACALL DELAY1

AJMP INT0SUB

ADD0:   INC R1

        ACALL DELAY1

        AJMP INT0SUB

DEC0:   MOV A,R1

    JZ SETR1;如果R1为0, R1就置99,

    DEC R1

    ACALL DELAY1

    AJMP INT0SUB

SETR1:  MOV R1,#63H

        ACALL DELAY1

        AJMP INT0SUB

BACK0:  RETI

;=====INT1(回答时间R2调整程序)=====

INT1SUB:MOV A,R2

        MOV B,#0AH

    DIV AB

MOV R5,A

    MOV R4,B

    MOV R3,#0AH

   

ACALL DISPLAY

    JNB P3.4,INC1

    JNB P3.5,DEC1

    JNB P3.1,BACK1

    AJMP INT1SUB

INC1:   MOV A,R2

    CJNE A,#63H,ADD1

        MOV R2,#00H

        ACALL DELAY1

AJMP INT1SUB

ADD1:   INC R2

        ACALL DELAY1

        AJMP INT1SUB

DEC1:   MOV A,R2

    JZ SETR2

    DEC R2

    ACALL DELAY1

    AJMP INT1SUB

SETR2:  MOV R2,#63H

        ACALL DELAY1

        AJMP INT1SUB

BACK1:  RETI

;=====倒计时程序(抢答倒计时和回答倒计时都跳到改程序)=====

REPEAT:MOV A,R2     ;使用锦囊时重新计时

       MOV R6,A

       CLR RING

COUNT:  MOV R0,#00H;重置定时器中断次数

        MOV TH1,#3CH

        MOV TL1,#0B0H;重置定时器

RECOUNT:MOV A,R6;R6保存了倒计时的时间,之前先将抢答时间或回答时间给R6

       

    MOV B,#0AH

    DIV AB;除十分出个位/十位

    MOV 30H,A;十位存于(30H)

    MOV 31H,B;个位存于(31H)

    MOV R5,30H;取十位

    MOV R4,31H;取个位

    MOV A,R6

    SUBB A,#07H

    JNC LARGER;大于5s跳到LARGER,小于等于5s会提醒

    MOV A,R0

    CJNE A,#0AH,FULL;1s中0.5s向下运行

    CLR RING

    AJMP CHECK

FULL:   CJNE A,#14H,CHECK;下面是1s的情况,响并显示号数并清R0,重新计

        SETB RING

        MOV A,R6

    JZ QUIT;计时完毕

    MOV R0,#00H

    DEC R6;一秒标志减1

    AJMP CHECK

LARGER: MOV A,R0

        CJNE A,#14H,CHECK;如果1s向下运行,否者跳到查"停/显示"

    DEC R6;计时一秒R6自动减1

    MOV R0,#00H

CHECK: JNB P3.1,QUIT;如按下停止键退出

       JNB OK,CHECKK      ;只在回答倒计时才有效

         AJMP NEXTT

CHECKK:JNB P3.0,REPEAT    ;

判断是否使用锦囊

NEXTT:  ACALL DISPLAY

   JB OK,ACCOUT;如果是抢答倒计时,如是则查询抢答,否者跳过查询继续倒数(这里起到锁抢答作用)

   AJMP RECOUNT

ACCOUT:

        MOV A,36H

       JNB ACC.0,TRUE1

       JNB ACC.1,TRUE2

       JNB ACC.2,TRUE3

       JNB ACC.3,TRUE4

             JNB ACC.4,TRUE5

        JNB ACC.5,TRUE6

       JNB ACC.6,TZ1

       JNB ACC.7,TZ2

       AJMP RECOUNT

 TZ1:JMP TRUE7

 TZ2:JMP TRUE8  

 QUIT:  CLR OK;如果按下了"停止键"执行的程序

   CLR RING

   AJMP START

;=====正常抢答处理程序=====

TRUE1: ACALL BARK

       MOV A,R2

   MOV R6,A;抢答时间R2送R6

   MOV R3,#01H

   CLR OK;因为答题的计时不再查询抢答,所以就锁了抢答

   AJMP COUNT

TRUE2:ACALL BARK

      MOV A,R2

  MOV R6,A

  MOV R3,#02H

  CLR OK

 AJMP COUNT

TRUE3:ACALL BARK

      MOV A,R2

  MOV R6,A

  MOV R3,#03H

  CLR OK

  AJMP COUNT

TRUE4:ACALL BARK

      MOV A,R2

    MOV R6,A

    MOV R3,#04H

    CLR OK

    AJMP COUNT

TRUE5:ACALL BARK

        MOV A,R2

    MOV R6,A

    MOV R3,#05H

    CLR OK

    AJMP COUNT

TRUE6: ACALL BARK

        MOV A,R2

    MOV R6,A

    MOV R3,#06H

    CLR OK

    AJMP COUNT

TRUE7:ACALL BARK

        MOV A,R2

    MOV R6,A

    MOV R3,#07H

    CLR OK

    AJMP COUNT

TRUE8:ACALL BARK

        MOV A,R2

    MOV R6,A

    MOV R3,#08H

    CLR OK

   

AJMP COUNT

;=====犯规抢答程序=====

ERROR:  MOV R0,#00H

        MOV TH1,#3CH

        MOV TL1,#0B0H

        MOV 34H,R3;犯规号数

暂存与(34H)

HERE:   MOV A,R0

       CJNE A,#06H,FLASH;0.3s向下运行->灭并停响

    CLR RING

    MOV R3,#0AH

    MOV R4,#0AH

        MOV R5,#0AH;三灯全灭

    AJMP CHECK1

FLASH:  CJNE A,#0CH,CHECK1;下面是0.8s的情况,响并显示号数并清R0,重新计

        SETB RING

        MOV R0,#00H

    MOV R3,34H;取回号数

    MOV R5,#0BH

        MOV R4,#0BH;显示FF和号数

    AJMP CHECK1

CHECK1: JNB P3.1,QUIT1

        ACALL DISPLAY

    AJMP HERE

QUIT1:  CLR RING

        CLR OK

    AJMP START

;=====显示程序=====

DISPLAY:MOV DPTR,#DAT1;查表显示程序,利用P0口做段选码口输出/P2低三位做位选码输出,

        MOV A,R3

  

  MOVC A,@A+DPTR

  MOV P2,#0feH

  MOV P0,A

  ACALL DELAY2

  MOV DPTR,#DAT2

  MOV A,R5

 MOVC A,@A+DPTR

  MOV P2,#0fdH

  MOV P0,A

  ACALL DELAY2

  MOV A,R4

  MOVC A,@A+DPTR

  MOV P2,#0fbH

  MOV P0,A

  ACALL DELAY2

  RET

DAT1:DB 00h,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H 

;"灭","1","2","3","4","5","6","7","8","9","灭","F"

DAT2:DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H

;第一个为零,其他与上相同,因为十位如果为零显示熄灭

;====加减时间延时(起到不会按下就加N个数)======

DELAY1: MOV 35H,#08H

LOOP0:  ACALL DISPLAY

        DJNZ 35H,LOOP0

        RET

;=====延时4236个机器周期(去抖动用到)=====

DELAY:  MOV 32H,#12H

LOOP:   MOV 33H,#0AFH

LOOP1:  DJNZ 33H,LOOP1

        DJNZ 32H,LOOP

    RET

;=====延时4236个机器周期(显示用到)=====

DELAY2:  MOV 32H,#43H

LOOP3:   MOV 33H,#1EH

           MOV A,R7           ;每隔60~70个机器周期读一次P1口,全为1时为无效数据,继续读,有一个不为1时,转到正常抢答处理

               JNZ  AAAA1         ;没读到有效数据时继续转到AAAA1

         LOOP2:  DJNZ 33H,LOOP2

        DJNZ 32H,LOOP3

    RET

;=====读抢答按键数据口程序=====

;由于在读抢答数据口的时候,单片机首先进入倒计时程序,再调用显示程序,最后才检测按键口

;然而在检测按键口时动态扫描要调用三次(4ms)延时程序.这样就会导致读数据口出现滞后,造成1号优先最高.8号最低.

;故采用在延时子程序中加了读数据口程序.保证了灵敏度和可靠性

AAAA1:   MOV A,P1

         CJNE A,#0FFH,AA1           ;当不全为1时的数据为有效数据

 AA0:     MOV 36H,A          ;将有效数据送到36H暂存

           AJMP LOOP2

         AA1:    DEC R7        

          AJMP AA0

   ;=====发声程序=====

BARK:   SETB RING

        ACALL DELAY1

        ACALL DELAY1

        CLR RING;按键发声

    RET

;=====TO溢出中断(响铃程序)=====

T0INT:  MOV TH0,#0ECH

        MOV TL0,#0FFH

        JNB RING,OUT;

     CPL P3.6;RING标志位为1时候P3.6口不短取反使喇叭发出一定频率的声音

OUT:    RETI

;=====T1溢出中断(计时程序)=====

T1INT:  MOV TH1,#3CH

        MOV TL1,#0B0H

    INC R0

    RETI

END


   

第五章   总结及致谢

§5.1总结

在电路设计过程中要求用独立的三个共阴极七段数码管显示,但考虑到实现时接线比较复杂,容易出错,故采用七段码7SEG-MPX4-CC 显示,它是由共阴极的高电平点亮,有四个七段数码管集成而成,由于本次课程设计需要三个数码管,所以接线的时候在电路上有一个管脚不接。在现实生活中抢答器设计时,大多不考虑两人同时抢答的情况,应为两人同时抢答的概率很小,所以设计抢答器的时候不做考虑。还有一种原因就是的如果使用单片机设计抢答器时,由于单片机内部本身就有优先级的设置,在选手进行抢答时绝对的公平是不存在的。

本文研究与设计的八路多功能抢答器采用了常用的电子元器件,利用AT89C51单片机及外围接口实现强大系统,利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理,将软、硬件有机地结合起来。理论联系实践,通过查资料和搜索有关的文献,培养了自学能力和动手能力。并且由原来的被动的接受知识转换为主动的寻求知识,这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下,我们可能会记住很多的书本知识,但是通过毕业设计论文,我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西,学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。把握重点、攻克难关,学到用到、活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多难免存在不足之处,硬件设计已经完成,在软件设计中有些功能还尚未开发出来。但在以后的工作中,我会严格要求自己,追求完美。

    整个设计通过了软件和硬件上的调试、仿真。我想这对于自己的以后的学习和工作会有很大的帮助的。在这次设计中遇到了很多实际性的问题,在实际设计中才发现,书本上的理论知识与在实际应用中是有一定的出入的,所以有些问题不但要深入地理解,而且要不断地更正以前的错误思维。对于单片机设计,其硬件电路是比较简单的,主要是解决程序设计是一个很灵活的东西,它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的的,但怎样链接各个子程序是关键的问题所在,这需要对单片机的结构很熟悉。因此可以说单片机的设计师软件和硬件的结合,二者是密不可分的。

通过这次毕业设计,我学到了很多书本上没有的实际的知识,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的灵活运用。在设计及制作过程中,遇到过一些困难。通过上网和去图书馆查资料解决之。并且在网上搜集到了一些元器件及电路的相关资料对以后的学习及工作是很有帮助的。最重要的是我学会了自学的方法,这将使我今后离开学校,踏上社会是相当有帮助的。其次是进一步熟练地掌握和运用了相关的专业软件,提高了我们自身的专业素质。这也是我们工科学生所必须掌握的基础技能。同时也深深的体会到,我们书本上所学的知识和实际的东西相差甚远,我们所不懂的知识还有很多,因此今后我们要更加注重实际方面的锻炼和运用。

§5.2 致谢

    在本次毕业设计过程中,马老师对该论文从选题构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。这三年中还得到众多老师和同学的支持和帮助。在此,谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!

另外感谢学校给予我这样一次机会,能够独立地完成一个课题,并在这个过程当中,给予我们各种方便,使我们在即将离校的最后一段时间里,能够更多学习一些实践应用知识,增强了我们实践操作和动手应用能力,提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。

最后,我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅,评议和参与本人毕业答辩的各位老师表示感谢。

参 考 文 献

[1]高伟.AT89单片机原理及应用【M】。北京:国防工业大学出版社,20##年。

[2]马轲瀛.八路数字抢答器系统【J】。华商,20##年

[3]蔡朝阳.单片机控制实习与专题制作[M]。北京:北京航空航天大学出版社,20##年。

[4]谢自美.《电子线路设计.实验.测试》(第三版)【M】,武昌,华中科技大学出版社,20##年。

[5]胡学海.单片机原理及应用系统设计【M】.北京:北京电子工业出版社,20##年。

[6]李增生.对《抢答器》的改进【J】。电子制作,200年12月。

[7]杨凌霄.微型计算机原理及应用【J】。江苏:中国矿业大学出版社,20##年。

[8]林凌,李刚,丁茹,李小霞.新型单片机接口器件与技术【M】。西安:西安电子科技大学出版社,20##年。

[9]程相波,卫安军.基于MC-51单片机的八路抢答器设计方法研究【J】。北京工业职业技术学院,20##年2月。

[10]丁建伟.抢答器电路设计【J】。兰州工业高等专科学校学报,20##年4月。

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