多路抢答器的设计与实现.docx

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多路抢答器的设计与实现

陕西理工学院毕业设计

[摘要]

多路抢答器的设计与实现

本设计是以八路抢答为基本理念，考虑到因活动规则的改变，需设定不同时长的限时抢答、回

答问题的功能。

利用STC89C52单片机及外围接口实现的抢答系统，以及单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够设定不同的抢答时间和答题时间，能够正确地进行倒计时，同时使数码管能够正确地显示时间以及选手编号。

用矩阵键盘进行活动前的时间设定工作，用开关作为选手抢答按钮输出，用蜂鸣器来发出违规报警和倒计时提醒。

同时本设计系统能够实现：

在活动中，只有主持人按下开始抢答按钮后，选手的抢答才为有效，如果选手在开始抢答前抢答则为无效；抢答限定时间和回答问题的限定时间可在1-99s内设定；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用数码管进行倒计时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；有按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

[关键词]

STC89C52单片机

LED数码管抢答器

计时

陕西理工学院毕业设计

DesignandImplementationofthemulti-channel

Responder

TianPengfei

（Grade07,class084,ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong72300x，Shaanxi）

tutor:

Hubo

[Abstract]ThedesignisbasedoneightResponderasthebasicconcept,takingintoaccountthechangesintheactivityrulesneedtosetthetimelengthlimitResponder,answerquestionsfunction.TheRespondersystem,STC89C52microcontrollerandperipheralinterfaceimplementationandtimingmicrocontrollertimer/counterandcounttheprincipleofsoftware,hardwareorganicallycombined,makingthesystemabletosetadifferentanswerintimeandanswertime,abletocorrectlytothecountdown,digitaltubeabletocorrectlydisplaythetimeandtheplayernumber.Matrixkeyboardworkactivitiesbeforethetimesetswitchasplayersanswerinthebuttonoutput,usethebuzzertoissuetheviolationalarmandcountdowntoremind.Thesametime,thedesignsystemcanbeachieved:

Attheevent,onlymoderatorsbegantoanswerinthebuttonispressed,theplayersoftheanswerinordertoeffectively,iftheplayersbeforethestartResponderResponderinvalidity;alimitedtimetoanswerinalimitedtimeandanswerquestions1-99ssetting;canshowwhichplayersanswerinaneffectiveandinvalidanswerin;therightbuttonavoiceprompt;answerintimeandanswerquestionstimecountdowndisplaywithdigitaltube,thefullsystemtimeisautomaticallyresetandmastercompulsoryreset;keysarelockedinaneffectivestate,thebuttonisnotillegal.

[Keywords]Single-chipLEDdigitaltubeRespondertiming

陕西理工学院毕业设计

1引言.................................................1

1.1

1.2

1.3

1.4

课题背景............................................1

目的及意义..........................................1

抢答器的目前现状....................................1

进度安排............................................2

2方案论证.............................................3

2.1多路抢答器方案设计系统..............................3

2.1.1基于数字电路多路抢答器的设计...................3

2.1.2基于单片机的多路智能抢答器.....................3

2.2方案论证及选择......................................4

3．硬件电路的设计......................................5

3.1硬件电路设计思路....................................5

3.2总体设计框图........................................5

3.3单片机系统..........................................6

3.3.1单片机的选择...................................6

3.3.2AT89C52主要性能参数............................6

3.3.3AT89C52功能引脚说明............................6

3.4抢答器的系统概述....................................8

3.4.1系统的主要功能.................................8

3.4.2抢答器的主要指标...............................9

3.4.3抢答器的工作流程...............................9

3.5外围电路的设计及分析...............................10

3.5.1复位电路的设计................................10

3.5.2时钟频率电路的设计............................11

3.5.3显示电路的设计................................12

3.5.4键盘扫描电路的设计............................12

3.5.5声音电路......................................13

4软件设计............................................14

4.1软件任务分析.......................................14

4.2系统总流程图.......................................14

4.3各个模块软件设计与分析.............................16

4.3.1定时器/计数器T0、T1...........................16

4.3.2串口通信......................................18

4.3.3中断控制......................................20

4.3.4键盘扫描......................................20

4.4相关仿真软件的介绍.................................21

4.4.1Proteus7.5介绍...............................21

4.4.2KeiluVision4介绍............................23

4.4.3Proteus7.5与KeiluVision4结合使用...........26

5系统仿真与硬件调试及分析............................27

5.1软件调试...........................................27

5.2硬件调试...........................................27

5.3结果分析...........................................28

6总结与展望..........................................29

6.1本文小结...........................................29

6.2心得体会...........................................29

陕西理工学院毕业设计

致谢................................................30

参考文献..............................................31

附录A：

系统仿真图.....................................32

附录B：

系统实物图.....................................33

附录C：

元器件清单.....................................35

附录D：

英文文献.......................................36

附录E：

源程序.........................................39

陕西理工学院毕业设计

1引言

1.1课题背景

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。

早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。

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、抢按前或抢按后的计时、选手犯规显示等功能。

数字抢答器由主题电路与扩展电路组成。

优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在数码管上显示，抢答器电路和主持人复位按键组成主体电路。

通过定时电路将脉冲产生的信号在显示器输出实现计时功能，共同构成扩展电路。

利用面包板经过排版、布线、调试等工作后数字抢答器成形。

数字抢答器是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较难以实现，特别是当数字抢答路数很多时，实现起来更为困难。

目前市场上已有各种各样的抢答器，但绝大多数是早期设计的，以模拟电路、数字电路或者模拟电路和数字电路结合的产品，这部分抢答器已相当成熟，但功能越多的电路越复杂，且成本也比较高，发生故障的可能性也比较高，传统普通抢答器主要存在以下缺陷：

传统的抢答器都是导线布局，受现场环境影响很大；显示方式简单，无法判断提前抢按按键的行为，且不便于电路升级换代。

在当今计算机的普及和电子信息技术的迅猛发展下，对抢答器有了更高的要求，如何有效的保证许多公开竞争场合裁决的公平、公正，单片机抢答器为之提供了条件和发展空间，建立一个价格适宜、智能化、自动化、数字化等特点的抢答器具有重要意义。

基于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和选手号码。

除此之外，还可以用键盘做输入，写入自己设置的时间，选手有效抢答还有灯管显示。

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；抢答限定时间和回答问题的时间可是在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；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；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

1.2目的及意义

通过本次毕业设计，对课本上所学的理论知识加深和巩固：

进一步熟悉和掌握基本理论在实践中综合运用，进一步熟悉和掌握单片机的基本知识、系统设计的基本方法及设计步骤，进一步熟悉和掌握常用单片机模块的设计和应用。

能够熟练使用Protues7.5等电子软件，学会运用这些软件进行分析、设计和仿真电路。

能够熟练运用KeiluVision4软件编写相应的程序模块。

学习单片机系统实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法及技巧。

培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

了解简单多路抢答器组成原理，初步掌握多路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。

同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，能够独立地做完毕业设计，通过毕业设计受到一次综合运用所学知识、理论和技能的训练。

它使我们可以进一步学会分析问题、解决问题；学会阅读、翻译参考文献；学会收集、运用各种资料。

它是对我们在校学习的一次全面检验、总结和提高；是对我们利用所学的理论知识解决实际工程问题的综合训练；是对提高我们的实践动手能力、创新思维能力具有不可替代的作用；也是对毕业及学位资格认证的重要依据。

因此，做好毕业设计（论文）将为我们由学习走入工作、由学校进入社会打下良好的基础。

1.3抢答器的目前现状

在现代社会中，各种教育活动、娱乐节目比比皆是，而抢答器作为一种工具，它可以给予参赛者公平的答题机会和答题时间，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

但大多数抢答器不但制作复杂、可靠性低，而且功能过于简单，仅适用于在单一规则的活动中使用。

作

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陕西理工学院毕业设计

为一个单位，如果专门购一台抢答器在经济上还可以承受，然而由于活动的多样性，去购买各种不同规格的抢答器，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

目前多数抢答器以下存在五方面不足之处：

第一，现场线路连接复杂。

因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。

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观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，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，其它功能如选手号码的识别、译码、计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识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。

第三，系统性能不够稳定，有时会在选手抢按成功时，出现没有抢答被记录的问题。

第四，目前市面上的抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个

选手抢答所用的时间。

第五，抢答器中的抢答模式单一、不灵活，在所有场合只能用相同抢答时间和答题时间。

1.4进度安排

本次设计主要分以下几个阶段完成：

1、前期准备阶段，收集资料，整理资料，设计课题的总体方案，完成开题报告；

2、根据总体方案设计，细化各模块，完成各个模块的设计；

3、学习单片机的编程，完成硬件仿真电路的调试；

4、制作实物电路，完成调试硬件实物电路；

5、整理资料，完成毕业论文的书写，准备答辩。

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抢答

按钮

优先编码

电路

锁存器

译码

电路

译码

显示

主持人

控制开关

控制

电路

报警

电路

秒脉冲

产生电路

定时

电路

译码

电路

显示

电路

主

体

电

路

扩

展

电

路

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2方案论证

2.1多路抢答器方案设计系统

2.1.1基于数字电路多路抢答器的设计

如图2.1所示为该方案系统总体方框图。

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；主持人将开关置于“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“清除”和“开始”状态开关。

图2.1基于数字电路的系统框架

2.1.2基于单片机的多路智能抢答器

如图2.2所示为该方案系统总体方框图。

其工作原理为：

主持人在活动前，通过键盘输入电路，预设抢答时间和答题时间。

在活动中，主持人先按下“开始抢答”按钮，各位选手就可以通过抢答输入电路进行抢答，抢答成功后，显示电路会显示出成功抢答选手台号。

然后，主持人再按下“开始答题”按钮，数码管显示答题倒计时，各位选手答完题以后，按下“停止”按钮，倒计时停止。

如果要再次抢答，主持人可以按下“抢答复位”按钮，就可以继续开始抢答。

如果需要重新设置抢答时间和答题时间，主持人可以按下“总复位”按钮，就可以重置时间。

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四位七

段数码

管显示

STC89C51单片机

8路抢答

按键输入

声音电路=

复位电路

时间预设、开始、结束键盘输入

时钟电路

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图2.2基于单片机的系统框架

2.2方案论证及选择

对两个方案进行比较，可以发现以下几点：

第一，电路连线方面。

方案一在实际应用时连接线较多，看起来比较繁琐不但影响电路美观，而且影响增加了安装的难度。

方案二则连线简单，出现问题也方便检修和排查。

第二，系统性能。

方案一是用数字电路完成对选手号码的识别、译码、计分显示系统性能不够稳定，抢答器可靠性较低，容易出现失误。

方案二则使用单片机完成号码处理、计时、数据运算等功能，由于所有程序都已烧录在单片机内部，所有处理是按照程序进行，不易出现失误，系统性能相对稳定，抢答器可靠性较高。

第三，公平性方面。

方案一中的抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个选手抢答所用的时间，会导致选手猜测比赛的公平性，容易引起活动骚乱。

方案二中的抢答器不但能判断出抢答成功或犯规选手台号，而且显示出每个选手抢答所用的时间，让所有选手清晰看到自己的抢答所用时间，用直观的实际数据证明比赛的公平性。

第四，实用性方面。

方案一中的抢答器抢答模式单一、不灵活，在所有场合只能用相同抢答时间和答题时间。

方案二中的抢答器则可以自由设置抢答时间和答题时间，适用于多种规则的活动中，不但节省经费，而且免去重新购置抢答器的麻烦。

综上所述，可以看出方案二较方案一更简便实用，因此，我们决定采用方案二做为这次毕业设计的最终方案。

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四位七段数码管显示

时间预设、开始、结束键盘输入

复位电路

声音电路

时钟电路

STC89C51单片机

8路抢答

按键输入

复

位

电

路

STC89C51单片机

时钟电路

复位电路

STC89C51单片机

时钟电路

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3．硬件电路的设计

3.1硬件电路设计思路

基于单片机的多路抢答器系统主要分为几个模块：

单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、声音电路模块。

单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。

复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。

时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

键盘控制模块包括抢答时间和答题时间输入键、主持人控制开始抢答按键和答题按键、主持人复位按键、选手抢答按键和选手答题完毕停止按键，其中抢答时间和答题时间输入键、主持人控制开始抢答按键和答题按键、主持人复位按键是由一个4*4矩阵键盘来实现的，接在主单片机的P1口；选手抢答按键和选手答题完毕停止按键分别接在两个从单片机中，均对应接在单片机的P1口，用来抢答和答完题的停止。

数码管显示模块选用了一个四位一体的共阴数码管和四个独立的共阴数码管，其中四位一体共阴数码管接在主单片机上，用以选手号和倒计时的显示，其中位码分别接在P2口的第四位，断码分别接在P0口；四个独立数码管分别接在两个从单片机上，用以显示答题过程中的时间提醒。

断码接在P0口，位码接在P2口的地位。

声音电路模块选用了常用的蜂鸣器，正极接在高电平，负极接在主单片机的P3.7，用以提示操作中的警示或者提示。

3.2总体设计框图

图3.1总体设计框图

具体说明如下：

1.单片机接收4*4矩阵键盘信息，预设抢答时间和答题时间，主持人控制开始与结束，确定是否为有效答题。

2.单片机与单片机之间互相通信，发送主单片机预设

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的答题时间，并确定选手号。

3.主单片机根据选手是否有效抢答来控制数码管显示。

4.主单片机根据选手是否犯规，或者其他提示控制声音电路发出声响。

3.3单片机系统

3.3.1单片机的选择

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量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。

只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中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，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。

为使硬件电路设计尽可能合理，应

注意以下几方面

[7]

：

（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