毕业设计基于单片机的电子抢答器.docx
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毕业设计基于单片机的电子抢答器
基于单片机的电子抢答器
摘要
抢答器是一种广泛应用于企事业单位和商业部门,为各种知识竞赛、文娱活动提供公正客观快速裁决的一种常用电子设备,也是一种逐渐成型的电子产品,但市面上所售抢答器价格一般较贵且多为小规模集成电路构成,其性能单一,工作起来不够理想。
因此,提高抢答器的性能,使其具有更强的功能,使用可靠方便已为抢答器发展的一个方向。
随着集成技术和计算机技术的发展,单片机作为其中的一个分支亦于20世纪80年代以来获得了飞速发展,各种新品不断涌现,使单片机的应用更加深入,灵活性也大大增强。
本设计是采用单片机设计一款八路多功能电子抢答器。
此抢答器除了具有基本的抢答功能以外,还具有答题时间控制等功能。
它充分利用了单片机系统的优点,具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。
本设计利用8051系列单片机中的AT89C51为主控芯片及外围接口实现抢答系统,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。
用开关做键盘输出,扬声器发生提示。
同时系统能够实现:
在抢答中,只有开始后抢答才有效,如果在开始抢答前抢答为无效;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,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,满时后系统计时自动复位及主控强制复位等多种功能。
关键词:
电子抢答器;单片机;多功能
ElectronicResponderonSingle-chip
Abstract
Responderisawidelyusedinenterprisesandcommercialsectors,forvariousquizcompetitions,culturalactivitiestoprovidefairandobjectivedecisionofapopularfastelectronicdevices,isalsoagradualshapingofelectronicproducts,buttheanswerinthemarketforsalepricesgenerallymoreexpensivedevicesandintegratedcircuitsforsmall-scalestructure,itsperformancesingle,workingtogetherisnotideal. Therefore,improvingtheansweringdeviceperformance,itismorefunctional,reliableandeasytousedevelopmenthasbeenansweringdeviceinonedirection. Withtheintegrationoftechnologyandcomputertechnology,microcomputerasabranchalsointhe20thcentury,hasgiven80yearsrapiddevelopment,avarietyofnewproductscontinuetoemerge,sothatSCMcanbeusedmorein-depth,flexibilityisgreatlyenhanced.
Thisdesignisusedtodesignasinglechipeight-waymulti-functionelectronicansweringdevice.ThisResponderResponderadditiontobasicfunctions,italsohastheanswertimecontrolfunctions. ItmakesfulluseofSCMsystem;ithasasimplestructure,powerful,goodreliability,practicalfeatures.
Thedesignusedin8051asthemainchipandexternaltheAT89C51MCUinterfaceanswersystemusingsinglechiptimer/countertimingandcountingofprinciple,thehardwareandsoftwaretogetherorganically,makingthesystemabletocorrectlytime ,whilethedigitalcontroltocorrectlydisplaythetime. Switchingtodowiththekeyboardoutput,byspeakersfromtips. Atthesametimethesystemcanbeachieved:
theanswerin,theonlyanswerinbeforethestartoftheeffective,ifstartedbeforetheResponderRespondtobeinvalid;answerinalimitedtimeandanswerthequestionsoftimecanbesetin1-99s;candisplayisaneffectiveanswerinwhichplayersand Invalidanswerinthecorrectbuttonpromptafterthemusic;answerintimeandthetimecountdowndisplaytoanswerquestions,theexpirationtimeafterthesystemautomaticallyresetandmasterresetandothermandatoryfeatures.
Keywords:
Responder;MCU;Multifunction
插图清单
图2-1抢答器系统模块方图4
图2-2抢答器系统工作原理流程图6
图2-3AT89C51外部结构图7
图2-4AT89C51单片机的内部结构图8
图3-1硬件电路系统原理图12
图3-2外部振荡源电路13
图3-3复位电路14
图3-4共阴极数码管显示电路15
图3-5发声电路16
图3-6选手抢答按键输入电路17
图3-7优先权选择电路18
图3-8主持人控制电路18
图3-9时间控制电路19
图4-1软件系统结构模块框图20
图4-2程序设计流程图21
图4-3主程序流程图22
图4-4抢答程序流程图23
图4-5时间控制程序流程图26
图5-1proteus启动界面图31
图5-2用proteus软件查找元器件32
图5-3Proteus仿真电路示例图33
图5-4装载程序34
图5-5抢答器系统的Proteus仿真电路图35
图5-6抢答器系统开始工作36
图5-7抢答倒计时时间显示36
图5-8五号选手正常抢答37
图5-9七号选手违规抢答37
图5-10抢答时间调整38
表格清单
表2-1AT89C51特殊功能寄存器列表9
表2-2器件选型方案的详细清单10
引言
近年来,电子技术和微型计算机的迅速发展,促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用,单片机(单片微型计算机)的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域,它起到了越来越重要的作用。
单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。
因此一块芯片就构成了一台计算机。
它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
单片机把我们带入了智能化的电子领域,许多繁琐的系统若由单片机进行设计,便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。
若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统,那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。
而随着技术的进步,单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。
本设计就是基于单片机设计抢答系统,通过串口通信动态传输数据,使抢答系统有了更多更完善的功能。
单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”,而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”,使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。
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辨认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机(如8051系列)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。
下面本文将详细介绍基于单片机的电子抢答器的设计。
第一章绪论
1.1课题方向及背景
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。
随着改革开放事业的不断深入,促使人们学科学、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。
由于抢答器使用频率较低,且制作程序复杂,容易让人对其减少兴致。
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)抢答器损坏,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,选手抢按成功,但出现没有抢答被记录的问题[1]。
本课题利用51系列单片机中的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。
用开关做键盘输出,扬声器发生提示。
系统将达到如下要求:
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,正确按键后有音乐提示;4、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等功能。
1.2课题内容概述
本系统采用模块化设计智能抢答器,在抢答比赛中广泛应用,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,回答问题时间为30s。
通过加键和减键修改上述时间,改完后结束键确定。
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,在最后五秒扬声器发生提示。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规,数码显示屏显示犯规者的代号,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,采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比,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。
所以本研究是一个实用的工程设计,具有创新性。
本论文章节的结构和内容如下:
第一章:
绪论,简要介绍了抢答器的发展现状,说明了本课题研究的内容。
第二章:
抢答器系统概述,说明了抢答器的工作过程和主要功能,并定下了本课题要达到的设计目标。
第三章:
抢答器硬件电路设计,详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。
第四章:
抢答器软件设计,编写程序并进行详尽的说明。
第五章:
Proteus仿真,针对上述设计仿真出相应结果。
总结与展望。
总结课题设计,指出设计中的一些问题,提出改善的意见,并展望抢答器的未来设计。
第2章抢答器系统概述
2.1系统主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器,包括8路抢答按钮、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,除享有抢答按钮的权利功能外,还有人性化的提示功能和时间提示功能,也可设定由主控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,对提前抡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抡答者的台位号,对抢答限时及回答问题限时设为倒计时,并有显示提示。
本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按钮。
一共有8个按键输入,分别对应8路选手的抢答按键。
系统的主要功能模块方框图如图2-1所示。
图2-1抢答器系统模块方图
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问题的时间设置,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,改完后结束键确定。
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,在最后五秒扬声器发生提示。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规,数码显示屏显示犯规者的代号,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语言编写。
它完成了时间参数的设定,抢按号码的译码,保存;显示;输出,抢按及答题倒计时功能等。
本设计中,有一个共阴的数码管组,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。
主持人依次按下复位键(RESET),开始键后开始抢答。
可以抢按:
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]。
总结其系统需求分析如下:
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,正确按键后有蜂鸣器响声提示;
4、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;
5、抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到60s;
6、按键锁定,在有效状态下,按键无效非法。
2.2系统工作流程
抢答器的基本工作原理:
在抢答竞赛或呼叫时,有多个信号同时或不同时送入主电路中,抢答器内部的寄存器工作,并识别、记录第一个号码,同时内部的定时器开始工作,记录有关时间并产生超时信号。
在整个抢答器工作过程中,显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。
抢答器的工作流程分为:
系统复位、正常流程、违例流程等几部分,如图2-2所示。
图2-2抢答器系统工作原理流程图
上图工作过程说明:
1、如果想调节抢答时间或答题时间,通过时间控制模块,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0~99s,0s时再减1s会跳到99s,99s时再加1s会变到0s。
2、主持人按"开始"键,会有提示音,并立刻进入抢答倒计时(比如预设20s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30s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(结束)”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。
2.3器件选型方案及详细清单
2.3.1主控芯片AT89C51
本设计中的微控制器选用单片机系列中的ATMAL公司生产的AT89C51,该芯片具有标准易用,货源充足,价格便宜等特点。
AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种具有8位Flash存储器的单片机,是众多由8051单片机加强改进演变而来的系列单片机中最具代表性的一款。
它最大特点是片内含有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[3]。
其外部结构及引脚如图2-3所示。
图2-3AT89C51外部结构图
AT89C51是89系列单片机的标准型,它在内部含有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级程序锁存器,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单片机主要有以下部件:
8051CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。
AT89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM,128B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、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等,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、指令储存器、指令译码器、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,在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号,使各部分协调工作,完成指令所规定的操作。
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[4]。
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。
其内部结构如下图2-4所示。
图2-4AT89C51单片机的内部结构图
AT89C51单片机具有特殊功能寄存器,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(SpecialFunctionRegister)。
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2-1AT89C51特殊功能寄存器列表
注:
带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器
符 号
地 址
注 释
*ACC
E0H
累加器
*B
F0H
乘法寄存器
*PSW
D0H
程序状态字
SP
81H
堆栈指针
DPL
82H
数据存储器指针低8位
DPH
83H
数据存储器指针高8位
*IE
A8H
中断允许控制器
*IP
D8H
中断优先控制器
*P0
80H
端口0
*P1
90H
端口1
*P2
A0H
端口2
*P3
B0H
端口3
PCON
87H
电源控制及波特率选择
*SCON
98H
串行口控制器
SBUF
99H
串行数据缓冲器
*TCON
88H
定时器控制
TMOD
89H
定时器方式选择
TL0
8AH
定时器0低8位
TL1
8BH
定时器1低8位
TH0
8CH
定时器0低8位
TH1
8DH
定时器1高8位
虽然特殊功能寄存器地址在80H~FFH之中,但在80H~FFH的地址单元中,不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用,未被占用的单元,其内容是不确定的,如果对这些单元进行操作,得到的是一些随机数,而写入则无效。
所以,用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元,它们是公司留待将来开发新产品时使用的。
2.3.2元器件清单
在抢答比赛中,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。
利用单片机系统来设计抢答器,使以上问题得以解决,即使两组的抢答时间相差几微秒,也可分辨出哪组优先答题。
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。
所以,本次设计系统采用AT89C51单片机作为核心。
控制系统的四个模块分别为:
存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块[5]。
该抢答器系统通过八个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位七段共阴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,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。
其具体元器件如表2-2所示。
表2-2器件选型方案的详细清单
器件名称
规格型号
数量
微处理器
AT89C51
1
芯片
74LS09
7
电阻
3WTT10K
15
电容
30PF
3
晶振
12MHZ
1
按钮
15
7段数码管
7SEG-MPX4-CA
4
扬声器
1
第3章硬件设计
3.1总体电路的设计
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:
(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。
(
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