八路抢答器的设计.docx
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八路抢答器的设计.docx
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八路抢答器的设计
摘要
抢答器是一种常见的电子产品,尤其是在各类智力竞猜中,为了实现选手的公平性,性能优良的抢答器往往更能得到各单位的青睐。
这里通过两种设计方案的对比,最终选定了用单片机实现抢答器电路。
由于单片机具有可编程定时器和中断设备,便于实现编程和时间的精确控制。
所用方案电路结构简单,易于实现,它用4个七段数码管来显示,且具有简单精准的报警电路。
所选方案的一个很重要的特点在于具有灵活性,主持人可以根据题目难易进行时间设定,这样进一步保证了公平性。
由于它具有成本低廉,结构简单,且性能优良的诸多优点,必定会得到广泛的应用。
关键词:
抢答器,单片机,七段数码管,时间设定
Abstract
Responderisacommonelectronicproducts,especiallyinthevarioustypesofintelligencequiz,inordertoachievethefairnessofplayersandexcellentperformanceoftheResponderunitstendtobemoreofallages.HerearetwodesignscontrasttothefinalselectedcircuitswithMCUResponder.AstheMCUhasaprogrammabletimerandinterruptfacilities,easyprogrammingandtimetoachieveprecisecontrol.Circuitstructureusedintheprogramsimpleandeasytoimplement,itusesfourseven-segmentdigitaltubedisplays,andaccuratewithasimplealarmcircuit.Theselectedprogramisaveryimportantfeatureofflexibility,thehostcanbecarriedoutaccordingtothetimethesubjectofdifficultysettings,thusgivingfurtherensurefairness.Becauseofitslowcost,simplestructure,andthemanyadvantagesofexcellentperformance,willbewidelyused.
Keywords:
Responder,Microcontroller,seven-segmentdigitaltube,timesetting
一方案的概述
1.1设计内容及要求
1.1.1设计内容
1设计一个智力竞赛抢答器,可同时供8名选手或8个代表队参加比赛,他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8,各用一个抢答按钮,按钮的编号与选手的编号相对应,分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
2给节目主持人设置一个控制开关,用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。
3抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后,若有选手按动抢答按钮,编号立即锁存,并在LED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。
4用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路,画出各单元电路图和总体逻辑框图,正确描述各单元功能,合理选用电路器件,画出完整的电路设计图以及写出设计总结报告
1.1.2设计要求
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"-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抢答时间调整整,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。
6、当参赛选手在回答问题时要求使用锦囊,则主持人按下抢答开始键,计时重新开始。
1.2设计方框图
如图(1-1)所示为八路智力抢答器设计的物理模块划分如下:
图1-1设计物理框图
通过主持人的相关操作(包括开始、停止、调时、锦囊使用等),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。
如主持人按下开始,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—51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。
本设计中大部分的较为复杂的逻辑控制,都是用相应的汇编程来控制实现的。
根据相应的设计要求,对本设计可作如下分析:
1、由设计要求1,本设计应具有抢答时间调整和回答时间调整程序,并由相应引脚来控制:
P3.2抢答时间调整,P3.3回答时间调整,P3.4为加1s,P3.5为减1s;
2、根据设计要求2,本设计应具有抢答、回答倒计时功能,即倒计时程序。
通过查询开始键的状态来决定是否进入抢答倒计时,开始键按下后有人抢答便立即进入回答倒计时,倒计时小于5s时,调用发声程序;
3、程序中应不断查询"停止"键的状态,一旦其按下,应立即退出,并进入查询程序(用来查询开始键与八路抢答键的状态);
4、为使本设计具有锦囊功能,在回答倒计时过程中,若按下开始键,回答倒计时重新开始。
1.3抢答器的程序流程
本设计采用P3.2、P3.3分别接抢答时间调节和答题时间调节按钮,即通过外部中断0、外部中断1分别控制抢答、答题时间的调整。
因此,设计的软件部分可分为工作模块、外部中断0模块、外部中断1模块。
对流程图的分析,也分三部分来介绍。
(1)工作时(非调节时间时)的流程
平时正常工作时,程序的流程图绘制如图1-2:
对工作流程图中的某些部分解释如下:
初始化部分:
包括对定时计数器的工作方式、初始化数值的设置,还包括对抢答时间与答题时间的预设,另外,还应对外部中断0、外部中断1进行开放。
抢答倒计时、回答倒计时部分:
由于二者功能的相似性,本设计将二者在一个子程序——倒计时程序中一起编写。
犯规程序部分:
包括对犯规选手号的显示、报警器的间断工作。
另外,由于在设计要求主持人能随时对工作过程终止,因此,要不断查询停止键的状态,一旦按下,便回到初始化后的状态;在倒计时过程中还要不断将与5S比较,当小于5S时,还需调用发声程序;小于5S后,又需要不断将与0较,当其等于零时,立即返回。
图1-2工作流程图
(2)外部中断0(抢答时间调整)流程
外部中断0(抢答时间调整)的流程图见图1-3:
图1-3INT0流程图
一旦因P3.2对应键的按下,便进入INT0中断过程。
通过不断对P3.4(加1s)和P3.5(减1s)进行不断的查询,来对抢答时间进行调整:
发现P3.4按下,就对原抢答时间加1s,发现P3.5下,就对原抢答时间减1s并调用显示程序。
根据设计要求,当加至99s时,若再加1s,则时间变为0;当减至0s后,若再减一秒,时间变为99s。
因此,流程中应该对当前时间于99s或0s比较,再作出相应处理。
另外,在中断过程中还需要不时对停止按钮进行查询,一旦发现其按下,立即中断返回。
由于本中断过程在返回前一直是循环执行的,因此,只需要在每次循环末查询一次即可,如流程图所示
(3)外部中断1(答题时间调整)流程
外部中断1(答题时间调整)流程与外部中断1流程大同小异。
其程序流程参见图1-4:
与抢答时间调整类似,一旦因P3.3对应的按钮按下,便进入INT1中断过程。
通过不断对P3.4(加1s)和P3.5(减1s)进行不断的查询,来对抢答时间进行调整:
发现P3.4按下,就对原抢答时间加1s,发现P3.5下,就对原抢答时间减1s并调用显示程序。
当加至99s时,若再加1s,则时间变为0;当减至0s后,若再减一秒,时间变为99s。
因此,流程中应该对当前时间于99s或0s比较,再作出相应处理。
同上,在中断过程中,也还需要不时对停止按钮进行查询,一旦发现其按下,立即中断返回。
图1-4INT1流程图
二抢答器单元设计及其说明
2.1主要芯片的介绍
AT89SC52的引脚图如图2-1所示
图2-1AT89SC52芯片引脚图
1)主要性能
本方案所使用的主要芯片是AT89SC52,它与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作:
0Hz~33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
2)功能特性描述
At89sc52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89SC52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。
3)P0、P1口介绍
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),参见表2-1
表2-1P1.0P2.0引脚功能特性
4)本方案中用到的一些引脚介绍
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
特殊功能寄存器:
在AT89C52片内存储器中,80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器(SFE)。
并非所有的地址都被定义,从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义,还有相当一部分没有定义。
对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数值将不确定,而写入的数据也将丢失。
不应将数据“1”写入未定义的单元,由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能,在这种情况下,复位后这些单元数值总是“0”。
AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外,还增加了一个定时/计数器2。
定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON,T2MOD,寄存器对(RCAO2H、RCAP2L)是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。
2.2程序流程图
图2-2程序流程图
2.3MAX7219
2.3.1MAX7219引脚说明
引脚说明见表2-2
表2-2MAX7219引脚说明
引脚号
名称
功能说明
1
Din
串行数据输入端在CLK的上升沿数据被锁入芯片内部16位移位寄存器。
2.3.5~8.10.11
DIG0~DIG7
8位LED位选线,从共阴极LED中吸入电流。
4.9
GND
地线(两个GND必须连在一起)。
12
Load
锁入输入的数据在Load上升沿最后的16位串行数据被锁入。
13
CLK
时钟输入,最高时钟频率为10MHZ,在CLK的上升沿数据被锁入内部移位寄存器,在CLK的下降沿,数据从Dout脚被输出。
14~1720~23
SegA~SegG.DP
7段驱动和小数点驱动
18
Iset
该脚通过一个电阻与V+相连,设置峰值段电流。
19
V+
电源电压,+5V。
24
Dout
串行数据输出。
输入到Din的数据在16.5个时钟周期后在Dout脚发出,该脚用于与级联扩展
2.3.2基本的工作方法
MAX7219与8031单片机连接采用三线串行接口,典型应用电路如表2-3所示。
_Y&F_e
N;y-jGuest
表2-316位数据包的数据格式如下:
D0~D7
D8~D11
D12
D13
D14
D15
LSBDATAMSB
ADDRESS
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
D7~D0:
8位数据位,D7最高位,D0最低位;
D11~D8:
4位地址位;
D15~D12:
无关位,通常全取1。
MAX7219通过D11~D84位地址位译码,可寻址14个内部寄存器,分别是8个LED显示位寄存器,5个控制寄存器和1个空操作寄存器。
LED显示寄存器由内部8×8静态RAM构成,操作者可直接对位寄存器进行个别寻址,以刷新和保持数据,只要V+超过2V(一般为+5V)。
_ay6i/e8G(rW0n_~Guest控制寄存器包括:
译码模式,显示亮度调节,扫描限制(选择扫描位数),关断和显示测试寄存器。
EETOP专业博客---电子工程师自己的家园1w_}_m_0@-?
7B_`-v&{L_tPGueste(|_o'x*U`)vGuestMAX7219的驱动程序首先必须对5个控制寄存器(地址分配见表2-4)初始设置即初始化,各控制寄存器设置含义如下:
译码模式选择寄存器(地址=F9H);
5G)s_J'w_G_m+C_[GuestEETOP专业博客---电子工程师自己的家园_\_x_G/U9Y3O_|共有4种译码模式供选择,当数据位全0时选择“非译码方式”。
在此方式下,8个数据位分别一一对应7个段和小数点。
通常选择此方式。
1Q_e
{_b#kqGuest_k5{4q6Y+vGuest扫描限制寄存器:
地址=FBH;用于设置显示的LED个数(1~8),当D2D1D0=111、D7D6D5D4D3无关时,可接8个LED管。
EETOP专业博客---电子工程师自己的家园9r_B3}_D_w#Y0X
亮度调节寄存器:
地址=FAH;_CB!
i_a_er_p-qGuest共有16级选择,用于LED显示亮度的强弱设置。
EETOP专业博客---电子工程师自己的家园9^9l_i_a(}8D$h_w^
关断模式寄存器:
地址=FCH;EETOP专业博客---电子工程师自己的家园_K__*{_a_V_@_SI
有两种模式选择:
一种是关断状态模式(D0=0);一种是正常操作状态(D0=1),通常选择正常操作状态。
EETOP专业博客---电子工程师自己的家园b_j_@_A_|_}_Q
显示测试寄存器:
地址=FFH;有两种选择用于设置LED是测试状态还是正常操作状态:
当在测试状态时(D0=1)各位全应亮,一般选择正常操作状态(D0
=0)。
表2-4寄存器地址分配表
寄存器名称
地址
D15~D12
D11
D10
D9
D8
空操作
ⅹⅹⅹⅹ
0
0
0
0
Digit0
ⅹⅹⅹⅹ
0
0
0
1
Digit1
ⅹⅹⅹⅹ
0
0
1
0
Digit2
ⅹⅹⅹⅹ
0
0
1
1
Digit3
ⅹⅹⅹⅹ
0
1
0
0
Digit4
ⅹⅹⅹⅹ
0
1
0
1
Digit5
ⅹⅹⅹⅹ
0
1
1
0
Digit6
ⅹⅹⅹⅹ
0
1
1
1
Digit7
ⅹⅹⅹⅹ
1
0
0
0
译码模式
ⅹⅹⅹⅹ
1
0
0
1
亮度调节
ⅹⅹⅹⅹ
1
0
1
0
扫描限制
ⅹⅹⅹⅹ
1
0
1
1
关断模式
ⅹⅹⅹⅹ
1
1
0
0
显示测试
ⅹⅹⅹⅹ
1
1
1
1
2.3.3MAX7219初始化
表2-5初始化设置各项的选择及对应数值
设置项目
选择
颠倒后的数值(16位)
显示亮度
17/32
5F1FH
扫描限制
0~7位
DFEFH
译码方式
非译码方式
9F00H
显示测试
正常操作
FF00H
关断方式
正常操作
3F80H
2.3.4部分程序功能介绍
全部程序见附录二,下面仅介绍部分程序
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,程序如下:
===加减时间延时(起到不会按下就加N个数)======
DELAY1:
MOV35H,#08H
LOOP0:
ACALLDISPLAY
DJNZ35H,LOOP0
RET
;=====延时4236个机器周期(去抖动用到)=====
DELAY:
MOV32H,#12H
LOOP:
MOV33H,#0AFH
LOOP1:
DJNZ33H,LOOP1
DJNZ32H,LOOP
RET;=====延时4236个机器周期(显示用到)=====
DELAY2:
MOV32H,#43H
LOOP3:
MOV33H,#1EH
MOVA,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
JNZAAAA1;没读到有效数据时继续转到AAAA1
LOOP2:
DJNZ33H,LOOP2
DJNZ32H,LOOP3
RET;=====读抢答按键数据口程序=====
主持人时间设定程序如下:
ACALLDISPLAY;先在两个时间LED上显示R1
JNBP3.4,INC0;P3.4为+1s键,如按下跳到INCO
JNBP3.5,DEC0;P3.5为-1s键,如按下跳到DECO
JNBP3.1,BACK0;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO
2.4LCD简介
2.4.1LCD和LED的区别
LED为英文(LightEmittingDiode)的缩写,是发光二极管的一种,LCD是液晶显示器,两者相差太多.但是用LED的点阵也能组成显示器,适用于户外大屏幕显示,分辨率较低。
LCD为英文(LiquidCrystalDisplay)的缩写,即液晶显示器,是一种数字显示技术,通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。
与传统的阴极射线管LCD占用空间小,低功耗,低辐射,无闪烁,降低视觉疲劳。
LCD技术能够显示更加清晰,明亮的图象。
LCD是液晶显示器
特点:
显示的内容多,控制简单,耗电低,可以显示字符,图片,等等内容
缺点:
本身不发光,依靠背光显示,价格贵,
LED是发光二极管
特点:
自发光,从远处可以看见,价格相对较低
缺点;显示的内容少,一般是数码,LED电子滚动显示,等等,很耗电,控制复杂。
由于LCD比LED的效果好,所以本设计我们选择了LCD作为我们设计的显示器。
2.4.2单片机和分立元件的区别
单片机相当于一个集成电路,将一些功能都集成在一个芯片中,在一小块芯片中能实现各种功能的器件。
分立元件是指电阻\电感\电容等器件。
这是相对于集成电路来说的,比如一个电路,他用了一个集成电路,外加一些零件即能实现需要的功能,而一般来说,用分立元件也能实现,但体积可能会大一些,可靠性可能也差一些。
通过两者的比较,单片机明显优于分立元件,所以本设计我们选择了用单片机。
其系统硬件设计如图2-3
图2-3单片机系统硬件设计
2.4.3显示电路设计和LCD的引脚功能说明
液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件等装配在一起的组件。
英文名称叫“LCDModule”,简称“LCM”,中文称为“液晶显示模块”,其流程图如2-4所示,实物图如2-5所示。
如图2-4LCD流程图
图2-5LCD1602实物图
2.4.4液晶显示模块
表2-6LCD引脚功能
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
对比度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
VDD:
电源正极,4.5-5.5V,通常使用5V电压;
VL:
LCD对比度调节端,电压调节范围为0-5V。
接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,但对比度过高时会产生“鬼影”,因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度,或者直接串接一个电阻到地;
RS:
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时,
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