1、單片機原理及應用期末課程設計題 目： 基于單片機的四路搶答器 專 業： 班 級： 姓 名： 董昱麟 學 號： 指導老師： 成 績： 【摘要】本文介紹了一種用74系列常用集成電路設計的數碼顯示四路搶答器的電路組成、設計思路及功能。電路采用數字控制方式，根據鎖存器及編碼器的工作原理詳細討論了數顯搶答器的各部分電路組成和原理，并結合電子設計仿真工作平臺（proteus）軟件對四路數顯搶答電路進行仿真和分析，從而對數顯搶答系統有全面的了解和認識。該搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有報警功能。主持人通過時間預設開關預設供搶答的時間，若在規定的時間內有人搶答，則數碼顯示和指示燈亮；若在規定的時間內無人搶

2、答，則系統中的蜂鳴器將發響，提示主持人本輪搶答無效，實現報警功能。【關鍵詞】: 數顯搶答器；編碼器；鎖存器；仿真目 錄第1節 引言21.1 數字搶答器的概述.2 1.2設計任務與要求. 21.3系統主要功能. 3第2節 系統主要硬件電路設計52.1 單片機控制系統原理圖62.2 單片機主機系統電路62.2.1 時鐘頻率電路的設計62.2.2 復位電路的設計72.2.3 顯示電路的設計72.2.4 鍵盤掃描電路的設計72.3 發聲82.4 系統復位8第3節 系統軟件設計103.1 主程序系統結構圖103.2 程序流程圖103.3 系統程序11第4節 調試及性能分析20第5節 結束語21參考文獻2

3、2基于單片機的四路搶答器第1節 引言隨著科學技術的發展和普及，各種各樣的競賽越來越多，其中搶答器的作用也就顯而易見。目前很多搶答器基本上采用小規模梳子集成電路設計，使用起來不夠理想，因此設計一款更易于使用和區分度高的搶答器成了非常迫切的任務。現在單片機已進入各個領域，以其功耗小、智能化而著稱，所以若利用單片機來設計搶答器，便使以上問題得以解決，針對以上情況，本文設計出以單片機為核心的四路搶答器么我們采用數字顯示其直接指示，自動鎖存顯示結果，并自動復位的設計思想，它能根據不同的搶答輸入信號，經過單片機的空是處理并產生不同的與輸入信號相對應的輸出信號，最后通過LED數碼管顯示相應的路數，幾時兩組的

4、搶答時間相差幾微秒，也可以分辨出是那組優先按下的按鍵，它充分利用了單片機系統的優點，具有結構簡單、功能強大、可靠性好、實用性強的特點1.1 數字搶答器的概述對于搶答器我們大家都知道那是用于選手做搶答題時用的，選手進行搶答，搶到題的選手來回答問題。搶答器不僅考驗選手的反應速度同時也要求選手具備足夠的知識面和一定的勇氣。選手們都站在同一個起跑線上，體現了公平公正的原則。 本實驗設計的數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出實現

5、計時功能，構成擴展電路。經過布線、焊接、調試等工作后數字搶答器成形。更具有實用性。1.2 設計任務與要求任務：設計一款數字搶答器1.基本要求（1）搶答器同時供4名選手或4個代表隊比賽，分別用4個按鈕S0 S3表示。（2）設置一個系統清除和搶答控制開關S，該開關由主持人控制。（3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，并在LED數碼管上顯示，同時揚聲器發出報警聲響提示。選手搶答實行優先鎖存，優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清除為止。（4）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定（如30秒）。當主持人啟動"開始"鍵后，定時器進行減計時，同

6、時揚聲器發出短暫的聲響，聲響持續的時間0.5秒左右。（5）參賽選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統清除為止。（6）如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。優點：與普通搶答器相比，本作品有以下幾方面優勢具有清零裝置和搶答控制，可由主持人操縱避免有人在主持人說“開始”前提前搶答違反規則。具有定時功能，在30秒內無人搶答表示所有參賽選手獲參賽隊對本題棄權。30秒時仍無人搶答其報警電路工作表示搶答時間耗盡并禁止搶答。1.3 系統主要功能搶答器原理：該搶答器供不多于四個的搶答比賽使用。每

7、個選手的座位前安裝一只搶答按鈕開關和一只信號燈。主持人的座位前安裝一只復原按鈕開關、一只蜂鳴器和一只搶答器工作狀態指示燈。每當主持人口頭發出允許搶答的號令之后，哪個隊先按下座位上的按鈕開關，該座位的信號燈就先被點亮，同時封鎖其他按鈕開關的活動。并且熄滅主持人座位上的狀態指示燈和發出 3 聲類似于電話振鈴的提示聲，以“聲明”此次搶答動作已經完成。在主持人確認后，按下復原按鈕，狀態指示燈重新點亮，并且同時發出“笛笛”聲，為下一次的搶答作好準備。電路中的蜂鳴器 FM 是一只帶有助音腔的壓電陶瓷蜂鳴器，用于模擬發出報警聲的功率放大器和喇叭。在 FM 發聲的同時，燈 D6 也在發光。FM 可以看作是一個

8、電容性負載，本身不能流過直流電流。發聲的原理是，作用在兩個電極極板的電位在發生變化時，陶瓷材料就發生彎曲，從而振動空氣發出聲音。FM和 4 只按鈕開關 SWaSWd 以及 4 只電阻 RaRd 都是在演示板的基礎上額外添加的。由于RB端口內部具有上拉電阻，只要用軟件設置其有效，即可省略在4 只端口引腳上外接上拉電阻。按鈕開關和指示燈與座位的對應關系如表1.1所示:表1.1 按鈕開關和指示燈與座位的對應關系座位主持人席座位1座位2座位3座位4按鈕開關SW1 SWaSWbSWcSWd指示燈D7 D0D1D2D3蜂鳴器有無無無無第2節 系統主要硬件電路設計為使硬件電路設計盡可能合理，應注意以下幾方面

9、：(1) 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價格的總和高。(2) 留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。(3) 程序空間，選用片內程序空間足夠大的單片機，本設計采用AT89C51單片機。(4) I/O端口，在樣機研制出來后進行現場試用時，往往會發現一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端；有些物理量需要控制，就

10、必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些I/O端口，雖然當時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。2.1 單片機控制系統原理圖如圖2-1，P1.0為開始搶答，P1.7為停止，P1.1-P1.6為四路搶答輸入，數碼管段選P0口，位選P2口低3位，蜂鳴器輸出為P3.6口。P3.2為時間加1調整，P3.3為時間減1調整。圖2-1 系統原理圖2.2 單片機主機系統電路該四路搶答器的設計細分為時鐘頻率電路的設計，復位電路的設計，顯示電路的設計和鍵盤掃描電路的設計等。2.2.1 時鐘頻率電路的設計單片機必須在時鐘的驅動下才能工作.在單片機內部有一個時鐘振蕩電路,只需要外接一個振蕩源就能產生一定的時鐘信

11、號送到單片機內部的各個單元,決定單片機的工作速度。圖2-2 外部振蕩源電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振,在XTAL2引腳產生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1,C2的作用有兩個:一是幫助振蕩器起振;二是對振蕩器的頻率進行微調。C1,C2的典型值為30PF。單片機在工作時,由內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數,常用fosc表示。如時鐘頻率為12MHz,即fosc=12MHz,則時鐘周期為1/12µs。2.2.2 復位電路的設計

12、單片機的第9腳RST為硬件復位端,只要將該端持續4個機器周期的高電平即可實現復位,復位后單片機的各狀態都恢復到初始化狀態，其電路圖如圖2-3所示:圖2-3 復位電路值得注意的是,在設計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能,由上面的硬件復位后的各狀態可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值,而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能,該功能的實現的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位,所以設定了軟復位功能。軟復位實際上就是當程序執行完畢之后,將程序指針通過一條跳轉指令讓它跳轉到程序執行的起始地址。2.2.3 顯示電路的設計顯示功能與硬件關系極大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供

13、盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。2.2.4 鍵盤掃描電路的設計鍵盤是人與微機系統打交道的主要設備。關于鍵盤硬件電路的設計方法也可以在文獻和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應的鍵盤掃描程序。站在系統監控軟件設計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當前時刻的鍵盤狀態是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現象。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。圖2-4 獨立鍵盤它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區別，首先在

14、硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節省端口資源上有優勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產生的“毛刺” 現象。這里采用最常用的方法，即延時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間,所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間(這里我們取10ms)后再判斷此電平是否保持原狀態,如果是則為有效按鍵，否則無效。2.3 發聲我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發出一定頻

15、率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調，使喇叭發出不同的聲音。2.4 系統復位使CPU進入初始狀態，從0000H地址開始執行程序的過程叫系統復位。從實現系統復位的方法來看，系統復位可分為硬件復位和軟件復位。硬件復位必須通過CPU外部的硬件電路給CPU的RESET端加上足夠時間的高電位才能實現。上電復位，人工按鈕復位和硬件看門狗復位均為硬件復位。硬件復位后，各專用寄存器的狀態均被初始化，且對片內通用寄存器的內容沒有影響。但是，硬件復位還能自動清除中斷激活標志，使中斷系統能夠正常工作，這樣一個事實卻容易為不少編碼人員所忽視。軟件復位就是用一系列指令

16、來模擬硬件復位功能，最后通過轉移指令使程序從0000H地址開始執行。對各專用寄存器的復位操作是容易的，也沒有必要完全模擬，可根據實際需要去主程序初始化過程中完成。而對中斷激活標志的清除工作常被遺忘，因為它沒有明確的位地址可供編程。有的編程人員用020000（LJMP 0000H）作為軟件陷阱，認為直接轉向0000H地址就完成了軟件復位，就是這類錯誤的典型代表。軟件復位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進行的工作，這時程序出錯完全有可能發生在中斷子程序中，中斷激活標志已置位，它將阻止同級中斷響應。由于軟件看門是高級中斷，它將阻止說要中斷響應，由此可見清除中斷激活標志的重要性。在所有的指令中，只有R

17、ETI指令能夠清除中斷激活標志。前文各處提案到的出錯處理程序ERR主要完成這一功能，其他的善后工作交由復位后的系統去完成。這部分程序如下：POWER DATA 67H ;上電標志存放單元 ERR: CLR EA ;關中斷 MOV DPTR,#ERR1 ;準備返回地址PUSH DPLPUSH DPHRETI ;清除高級中斷激活標志ERR1: MOV POWER,#0AAH ;重建上電標志 CLR A ;準備復位地址 PUSH ACC ;壓入復位地址0000HPUSH ACCRETI ;清除低級中斷激活標志，從程序0000H開始執行這段程序先關中斷，以便后續處理能順利進行，然后用兩個RETI指令代

18、替兩個LJMP指令，從而清除了兩級中斷激活標志。有相應軟件陷阱捕捉來的程序可能沒有全部激活兩個標志，這也無妨。第3節 系統軟件設計軟件任務分析和硬件電路設計結合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。3.1 主程序系統結構圖系統初始化模塊按鍵模塊調整回答時間調整搶答時間正確搶答模塊非法搶答模塊數碼顯示模塊圖3-1 軟件系統結構圖3.2 程序流程圖在本設計中包括了以下八個主要的程序：主程序、非法搶答序、搶答時間調整程序、回答時間調整程序、倒計時程序、正常搶答處理程序、犯規處理程序、顯示及發聲程序。主流程圖如3-2所示：開始鍵按下？加一鍵按下？

19、減一鍵按下？正常搶 答回答時 間非法搶答處理調整搶答時間顯示犯 規顯示搶答號并倒計時顯示FFF初始化YY圖3-2 程序設計流程圖3.3 系統程序P1.0為開始搶答，P1.7為停止，p1.1-p1.6為四路搶答輸入數碼管段選P0口，位選P2口，蜂鳴器輸出為P3.6口。程序代碼如下：OK EQU 20H ;搶答開始標志位 RING EQU 22H ;響鈴標志位 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0SUB ORG 000BH AJMP T0INT ORG 0013H AJMP INT1SUB ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040HMAI

20、N: MOV R1,#0FH ;初設搶答時間為15s MOV R2,#0AH ;初設答題時間為10s MOV TMOD,#11H ;設置未定時器/模式1 MOV TH0,#0F0H MOV TL0,#0FFH ;越高發聲頻率越高,越尖 MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H ;50ms為一次溢出中斷 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB EX0 SETB EX1 ;允許四個中斷T0/T1/INT0/INT1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0 ;一開始就運行定時器,以開始顯示FFF;果想重新計數重置TH1/TL1就可以了查詢

21、程序:START: MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH MOV R3,#0BH ACALL DISPLAY ;未開始搶答時候顯示FFF JB P1.0,NEXT ACALL DELAY JB P1.0,NEXT ;去抖動,如果"開始鍵"按下就向下執行;否者跳到非法搶答查詢 ACALL BARK ;按鍵發聲 MOV A,R1 MOV R6,A ;送R1->R6,因為R1中保存了搶答時間 SETB OK ;搶答標志位,用于COUNT只程序中判斷;是否查詢搶答 MOV R3,0AH ;搶答只顯示計時,滅號數 AJMP COUNT ;進入倒計時程序,"查

22、詢有效搶答的程序"在COUNT里面NEXT: JNB P1.1,FALSE1 JNB P1.2,FALSE2 JNB P1.3,FALSE3 JNB P1.4,FALSE4 JNB P1.5,FALSE5 JNB P1.6,FALSE6 AJMP START非法搶答處理程序:FALSE1: ACALL BARK ;按鍵發聲 MOV R3,#01H AJMP ERRORFALSE2: ACALL BARK MOV R3,#02H AJMP ERRORFALSE3: ACALL BARK MOV R3,#03H AJMP ERRORFALSE4: ACALL BARK MOV R3,#0

23、4H AJMP ERRORFALSE5: ACALL BARK MOV R3,#05H AJMP ERRORFALSE6: ACALL BARK MOV R3,#06H AJMP ERRORINT0(搶答時間R1調整程序):INT0SUB:MOV A,R1 MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A MOV R4,B MOV R3,#0AH ACALL DISPLAY ;先在兩個時間LED上顯示R1 JNB P3.2,INC0 JNB P3.3,DEC0 JNB P1.7,BACK0 AJMP INT0SUBINC0: MOV A,R1 CJNE A,#63H,ADD0 ;如果不是9

24、9,R2加1,如果加到99了;R1就置0新加起 MOV R1,#00H ACALL DELAY1 AJMP INT0SUBADD0: INC R1 ACALL DELAY1 AJMP INT0SUBDEC0: MOV A,R1 JZ SETR1 ;如果R1為0,R1就置99 DEC R1 ACALL DELAY1 AJMP INT0SUBSETR1: MOV R1,#63H ACALL DELAY1 AJMP INT0SUBBACK0: RETIINT1(回答時間R2調整程序):INT1SUB:MOV A,R2 MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A MOV R4,B MOV R

25、3,#0AH ACALL DISPLAY JNB P3.2,INC1 JNB P3.3,DEC1 JNB P1.7,BACK1 AJMP INT1SUBINC1: MOV A,R2 CJNE A,#63H,ADD1 MOV R2,#00H ACALL DELAY1 AJMP INT1SUBADD1: INC R2 ACALL DELAY1 AJMP INT1SUBDEC1: MOV A,R2 JZ SETR2 DEC R2 ACALL DELAY1 AJMP INT1SUBSETR2: MOV R2,#63H ACALL DELAY1 AJMP INT1SUBBACK1: RETI倒計時程序(

26、搶答倒計時和回答倒計時都跳到該程序):COUNT: MOV R0,#00H ;重置定時器中斷次數 MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H ;重置定時器RECOUNT: MOV A,R6 ;R6保存了倒計時的時間之前;先將搶答時間或回答時間給R6 MOV B,#0AH DIV AB ;除十分出個位/十位 MOV 30H,A ;十位存于(30H) MOV 31H,B ;個位存于(31H) MOV R5,30H ;取十位 MOV R4,31H ;取個位 MOV A,R6 SUBB A,#07H JNC LARGER ;大于5s跳到LARGER;小于等于5s會提醒 MOV A,R0 CJ

27、NE A,#0AH,FULL ;1s中0.5s向下運行 CLR RING AJMP CHECKFULL: CJNE A,#14H,CHECK ;下面系1s的情況,響并顯示號數;并清R0,重新計時 SETB RING MOV A,R6 JZ QUIT ;計時完畢 MOV R0,#00H DEC R6 ;一秒標志減1 AJMP CHECKLARGER: MOV A,R0 CJNE A,#14H,CHECK DEC R6 ;計時一秒R6自動減1 MOV R0,#00HCHECK: JNB P1.7,QUIT ;如按下停止鍵退出 ACALL DISPLAYJB OK,ACCOUNT ;如果是搶答倒計時

28、,如是則查詢;搶答,否者跳過查詢繼續倒數 AJMP RECOUNTACCOUT: JNB P1.1,TRUE1 JNB P1.2,TRUE2 JNB P1.3,TRUE3 JNB P1.4,TRUE4 JNB P1.5,TRUE5 JNB P1.6,TRUE6 AJMP RECOUNTQUIT: CLR OK ;如果按下了"停止鍵"執行的程序 CLR RING AJMP START正常搶答處理程序：TRUE1: ACALL BARK ;按鍵發聲 MOV A,R2 MOV R6,A ;搶答時間R2送R6 MOV R3,#01H CLR OK ;因為答題的計時不再查詢搶答;所以

29、就鎖了搶答 AJMP COUNTTRUE2: ACALL BARK; MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#02H CLR OK AJMP COUNTTRUE3: ACALL BARK; MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#03H CLR OK AJMP COUNTTRUE4: ACALL BARK; MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#04H CLR OK AJMP COUNTTRUE5: ACALL BARK; MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#05H CLR OK AJMP COUNTTRUE6: ACALL BARK; M

30、OV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#06H CLR OK AJMP COUNT犯規搶答程序:ERROR: MOV R0,#00H MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H MOV 34H,R3 ;犯規號數暫存與(34H)HERE: MOV A,R0 CJNE A,#0AH,FLASH ;0.5s向下運行->滅并停響 CLR RING MOV R3,#0AH MOV R4,#0AH MOV R5,#0AH ;三燈全滅 AJMP CHECK1FLASH: CJNE A,#14H,CHECK1 ;下面系1s的情況,響并顯示號數;并清R0,重新計算 SETB RING

31、MOV R0,#00H MOV R3,34H ;取回號數 MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH ;顯示FF和號數 AJMP CHECK1CHECK1: JNB P1.7,QUIT1 ACALL DISPLAY AJMP HEREQUIT1: CLR RING CLR OK AJMP START顯示程序:入口參數：R5,R4,R3存入的分別為第一，二，三為數碼所顯示的位碼出口參數：無DISPLAY: MOV DPTR,#DAT1 ;查表顯示程序,利用P0口做段選碼口;輸出/P2低三位做位選碼輸出 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#01H MOV P0,A A

32、CALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#02H MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#04H MOV P0,A ACALL DELAY RETDAT1: DB 00H,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00H,71H;"滅","1","2","3","4","5","6",&quo

33、t;7","8","9","滅","F"DAT2: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00H,71H;第一個為零,其他與上相同,因為十位如果為零顯示熄滅加減時間延時(起到不會按下就加N個數):DELAY1: MOV 35H,#08HLOOP0: ACALL DISPLAY DJNZ 35H,LOOP0 RET延時(顯示和去抖動用到):DELAY: MOV 32H,#12HLOOP: MOV 33H,#0AFHLOOP1: DJNZ 33H,LOOP1 DJNZ 32H,LOOP RET發聲程序:BARK: SETB RING ACALL DELAY1 ACALL DELAY1 CLR RING ;按鍵發聲 RETTO溢出中斷(響鈴程序):T0INT: MOV TH0,#0ECH MOV TL0,#0FFH JNB RING,OUT CPL P3.6 ;RIN