莫贤超.docx

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莫贤超

课程设计（论文）

题目名称基于单片机的多路抢答器设计

课程名称单片机原理及在电气测控学科中的应用

学生姓名莫贤超

学号1141203035

系、专业电气工程系、11级测控

指导教师王跃球

2013年6月14日

邵阳学院课程设计（论文）任务书

年级专业

11测控

学生姓名

莫贤超

学号

1141203035

题目名称

基于单片机的多路抢答器设计

设计时间

2013年6月3日—2013年6月14日

课程名称

单片机原理及在电气测控学科中的应用

课程编号

121200105

设计地点

数字控制与PLC实验室\创新实验室（214）（305）

一、课程设计（论文）目的

课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。

单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象。

《单片机课程设计》是继《电子技术》、和《单片机原理与应用》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、“单片机原理及应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作,掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。

二、已知技术参数和条件

1、89C51系列单片机；

2、KEIL软件；Wave软件；

3、THKSCM-1型单片机实验系统。

三、任务和要求

1、设计一款6路或以上的抢答器；

2、设计一个抢答控制开关（开始抢答后才允许答题者抢答），供主持人用；

3、设定抢答时间限制，超过时间后，该题作废；

4、要求设计出电气原理图；设计出程序流程图；设计出程序。

注：

1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；

2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）

1、单片机课程设计指导，中南大学出版社，张一斌等2009年9月

2、单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社，何立民等2004年7月

3、THKSCM-1型单片机实验系统实验指导书、KEIL软件，WAVE软件

4、数字控制与PLC实验室”THKSCM-1型单片机实验系统”。

五、进度安排

2013年6月3日-4日：

收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求总体方案设计

2013年6月5日-6日：

硬件电路设计

2013年6月7日-9日：

软件设计

2013年6月10日-12日：

系统调试改进

2013年6月13日：

整理书写设计说明书

2013年6月14日：

答辩并考核

六、教研室审批意见

教研室主任（签名）：

年月日

七|、主管教学主任意见

主管主任（签名）：

年月日

八、备注

指导教师（签字）：

学生（签字）：

邵阳学院课程设计（论文）评阅表

学生姓名莫贤超学号1141203035

系电气工程系专业班级11测控

题目名称基于单片机的多路抢答器课程设计课程名称单片机原理及在电气测控学科中的应用

一、学生自我总结

这是大学第一次做课程设计，刚开始拿到课程计划的时候觉得它很简单，应该很容易就会做出来。

但是动手做了之后我才知道困难，完全不知道该怎么下手做。

心里一下子就没底了，跟着也焦急了起来。

后来，找到了小组成员在一起商量，一起找资料。

网上的，图书馆的，书本的……。

最后，在大家的努力和指导老师的耐心指导下，终于完成了。

尽管这样，也花费了几天的时间。

经历了这次实验，我懂得了团队合作的重要性，也认识到了做任何事都不能有轻视的心理。

课程设计完成时，那感觉是甜蜜的，没有耕耘，哪来得收获的喜悦，不懂付出怎么能知道回报的快乐，一分耕耘一分收获，有付出才会有回报，就在这样的痛与快乐的交换中，我学到了知识，学到了做人的道理。

学生签名：

莫贤超2013年6月14日

二、指导教师评定

评分项目

平时成绩

论文

答辩

综合成绩

权重

30

40

30

单项成绩

指导教师评语：

指导教师（签名）：

年月日

注：

1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；

2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。

摘要

此次设计使用AT89C51单片机为核心控制元件,设计一个简易的抢答器，与数码管、报警器等构成八路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时/中断电路等。

设计的抢答器具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的特点，而复位电路，则使其能再开始新的一轮答题和比赛，与此同时还利用汇编语言编程，使其能够实现一些基本的功能。

本次设计系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强等。

它的功能实现是比赛开始，主持人读完题之后按下总开关，则计时开始，此时数码管开始进行1s的减计时，直到有一个选手按下抢答按钮，这时对应的数码管上会显示出该选手的编号和抢答所用的时间，同时该选手的报警器也会发出声音，来提示有人抢答本题。

如果在规定的30s时间内没有选手做出抢答，则此题作废，即开始重新一轮的抢答。

关键词：

AT89C51；LED；数码管；抢答器；计时；报警

目录

摘要........................................................Ⅰ

1绪论.......................................................1

1.1课题研究背景及国内外现状.................................1

1.2设计任务与要求...........................................1

1.3系统主要功能..............................................2

2系统主要硬件电路设计......................................3

2.1单片机控制系统原理图.....................................3

2.2单片机主机系统电路.......................................4

2.3发声....................................................6

2.4系统复位................................................6

3系统软件设计..............................................8

3.1主程序系统结构图........................................8

3.2程序流程图..............................................8

3.3系统程序................................................9

4调试及性能分析...........................................20

总结......................................................23

参考文献....................................................24

1绪论

1.1课题研究背景及国内外现状

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、选手得分显示等功能。

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又很困难。

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,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。

在国内外已经开始了普遍的应用[1]。

1.2设计任务与要求

任务：

设计一款数字抢答器

1.2.1基本要求

（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。

（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（3）抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

（4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。

（5）参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

（6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示FF。

优点：

与普通抢答器相比，本作品有以下几方面优势

①具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。

②具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权。

③30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。

1.3系统主要功能

抢答器原理：

该抢答器供不多于八个的抢答比赛使用。

每个选手的座位前安装一只抢答按钮开关和一只信号灯。

主持人的座位前安装一只复原按钮开关、一只蜂鸣器和一只抢答器工作状态指示灯。

主持人按下开始抢答键后选手才可以开始抢答，哪个选手先按下座位上的按钮开关，该座位的信号灯就先被点亮，同时封锁其他按钮开关的活动。

若主持人没有按下开始抢答按纽（P3.0），而有选手抢答则为抢答违规，此时报警器响起发出“笛——笛——”声，并显示此选手的组号，需要主持人按下开始抢答开关重新抢答。

在主持人按下开始抢答按纽（P3.0），蜂鸣响声提示，且数码管进行30秒倒计时（30秒内抢答有效），有选手在30秒抢答，蜂鸣器响声提示并显示他的组号，同时开始60秒倒计时（60秒内必须回答完问题），60秒后主持人按下复位开关，为下一题的抢答做准备；若此30秒内没有选手抢答，则此次抢答作废，由主持人按下复位开关进行下一轮重新抢答。

基本功能：

（1）、可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别为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，分别为S0-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数码管行显示出选手的编号，扬声器给出音响提示，同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

（4）、如果主持人未按"抢答开始"键，而有人按了抢答按键，此为犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规报警器并响个不停，直到主持人按下"停止"键为止。

（5）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1"键,如果想减一秒按一下"减1"键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s~59s,0s时再减1s会跳到59，59s时再加1s会变到0s。

2系统主要硬件电路设计

为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：

（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，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。

（4）I/O端口，在样机研制出来后进行现场试用时，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，就必须增加输入检测端；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了。

2.1单片机控制系统原理图

如图2.1，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为抢答时间调整，P3.3为回答时间调整，P3.4为时间加1调整，P3.5为时间减1调整。

2.1系统原理图

2.2单片机主机系统电路

该六路抢答器的设计细分为时钟频率电路的设计，复位电路的设计，显示电路的设计和键盘扫描电路的设计等。

2.2.1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。

图2.2外部振荡源电路

一般选用石英晶体振荡器。

此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振,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30PF。

单片机在工作时,由内部振荡器产生或由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fosc表示。

如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12µs。

2.2.2复位电路的设计

单片机的第9脚RST为硬件复位端,只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图2.3所示。

图2.3复位电路

值得注意的是,在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值,而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能,该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。

软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。

2.2.3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。

2.2.4键盘扫描电路的设计

键盘是人与微机系统打交道的主要设备。

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是不够的，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失控现象。

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。

它们各有自己的特点，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。

图2.4独立键盘

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烦琐，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。

这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：

因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，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，否则无效。

2.3发声

我们知道，声音的频谱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，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。

2.4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[2]。

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容没有影响。

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是容易的，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（LJMP0000H）作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完成了软件复位，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，这时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，由此可见清除中断激活标志的重要性[2]。

在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。

前文各处提案到的出错处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。

这部分程序如下：

POWERDATA67H;上电标志存放单元

ERR:

CLREA;关中断

MOVDPTR,#ERR1;准备返回地址

PUSHDPL

PUSHDPH

RETI;清除高级中断激活标志

ERR1:

MOVPOWER,#0AAH;重建上电标志

CLRA;准备复位地址

PUSHACC;压入复位地址0000H

PUSHACC

RETI;清除低级中断激活标志，从程序0000H开始执行

这段程序先关中断，以便后续处理能顺利进行，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。

3系统软件设计

软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。

3.1主程序系统结构图

图3.1软件系统结构图

3.2程序流程图

在本设计中包括了以下八个主要的程序：

1主程序、

2非法抢答序、

3抢答时间调整程序、

4回答时间调整程序、

5倒计时程序、

6正常抢答处理程序、

7犯规处理程序、

8显示及发声程序[3]。

主流程图如3.2所示。

Y

N

Y

N

Y

调整抢答时间

N

调整回答时间

图3.2程序设计流程图

3.3系统程序

程序代码如下：

OKEQU20H;抢答开始标志位

RINGEQU22H;响铃标志位

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINT0SUB

ORG000BH

AJMPT0INT

ORG0013H

AJMPINT1SUB

ORG001BH

AJMPT1INT

ORG0040H

MAIN:

MOVR1,#30;初设抢答时间为30s

MOVR2,#60;初设答题时间为60s

MOVTMOD,#11H;设置未定时器/模式1

MOVTH0,#0F0H

MOVTL0,#0FFH;越高发声频率越高,越尖

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H;50ms为一次溢出中断

SETBEA

SETBET0

SETBET1

SETBEX0

SETBEX1;允许四个中断,T0/T1/INT0/INT1

CLROK

CLRRING

SETBTR1

SETBTR0;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:

MOVR5,#0BH

MOVR4,#0BH

MOVR3,#0BH

ACALLDISPLAY;未开始抢答时候显示FFF

JBP3.0,NEXT

ACALLDELAY

JBP3.0,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

ACALLBARK;按键发声

MOVA,R1

MOVR6,A;送R1->R6,因为R1中保存了抢答时间

SETBOK;抢答标志位,用于COUNT只程序中判断是否查询抢答

MOVR3,#0AH;抢答只显示计时,灭号数

AJMPCOUNT;进入倒计时程序,"查询有效抢答的程序"在COUNT里面

NEXT:

JNBP1.0,FALSE1

JNBP1.1,FALSE2

JNBP1.2,FALSE3

JNBP1.3,FALSE4

JNBP1.4,FALSE5

JNBP1.5,FALSE6

JNBP1.6,TZ1

JNBP1.7,TZ2

AJMPSTART

TZ1:

JMPFALSE7

TZ2:

JMPFALSE8

;=====非法抢答处理程序=====

FALSE1:

ACALLBARK;按键发声

MOVR3,#01H

AJMPERROR

FALSE2:

ACALLBARK

MOVR3,#02H

AJMPERROR

FALSE3:

ACALLBARK

MOVR3,#03H

AJMPERROR

FALSE4:

ACALLBARK

MOVR3,#04H

AJMPERROR

FALSE5:

ACALLBARK

MOVR3,#05H

AJMPERROR

FALSE6:

ACALLBARK

MOVR3,#06H

AJMPERROR

FALSE7:

ACALLBARK

MOVR3,#07H

AJMPERROR

FALSE8:

ACALLBARK

MOVR3,#08H

AJMPERROR

;=====INT0（抢答时间R1调整程序）=====

INT0SUB:

MOVA,R1

MOVB,#0AH

DIVAB

MOVR5,A

MOVR4,B

MOVR3,#0AH

ACALLDISPLAY;先在两个时间LED上显示R1

JNBP3.4,INC0;