27沈彦琪毕业设计之无线抢答器.docx

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27沈彦琪毕业设计之无线抢答器

四川职业技术学院

毕业设计（论文）

设计题目：

无线抢答器

系　　别：

电子电气工程系

专　　业：

应用电子技术

班　　级：

12级电技2班

姓　　名：

杨柳

学　　号：

12159020202115

指导教师：

黄世喻

完成时间：

2015年5月

四川职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

题目

无线抢答器

所属系部

电子电气工程系

所属专业

应用电子技术

所属班级

12电技2班

指导教师

黄世喻

学生姓名

杨柳

学号

12159020202115

一、毕业设计（论文）内容与要求

设计一个用于竞赛使用的抢答器。

技术参数要求：

1、无线控制距离不小于10米。

2、抢答器采用电池供电。

3、主控系统能够控制和显示抢答状态。

论文要求：

1、坚持理论联系实践，论述要符合学科理论，计算论证严密，分析富有逻辑性，要有创新性，思路有层次、有条理，切合专业学术发展动态；

2、论文格式科学规范，语言表达准确清晰；

3、由学生本人独立撰写完成，论文字数在3000～4000字左右。

二、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）

本设计是以实际应用出发，尽可能的考虑到实际的应用，主要依靠计算机上的电路仿真软件，搭建电路，此设计可应用与各种抢答现场，根据不同的需要修改为多路的抢答器。

避免在会场中使用有线抢答器，破坏现场的美感，并起到节约资源的作用。

三、主要参考文献

[1]朱永金,成友才.单片机应用技术（C语言）.北京：

中国劳动社会保障出版社,2007.7

[2]胡花.单片机原理及应用技术[M].北京：

交通大学出版社，2008

[3]王效华,张咏梅.单片机原理与应用[M].北京：

交通大学出版社，2007

[4]李江全,王卫兵,李玲.计算机控制技术[M].北京：

机械工业出版社，2007

[5]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：

高等教育出版社，2006

系部审核意见

签名：

2013年10月18日

四川职业技术学院

毕业设计（论文）

设计题目：

无线抢答器

系　　别：

电子电气工程系

专　　业：

应用电子技术

班　　级：

12级电技2班

姓　　名：

杨柳

学　　号：

12159020202115

指导教师：

黄世喻

完成时间：

2015年5月

摘要

随着科学技术的发展和普及，各种各样的竞赛越来越多，其中抢答器的作用也越来越重要。

本文设计出以AT89S51单片机为核心的八路抢答器，采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想,它能根据不同的抢答输入信号，经过单片机的控制处理并产生不同的与输入信号相对应的输出信号，最后通过LED数码管显示相应的路数，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出是哪组优先按下的按键，充分利用了单片机系统结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

本设计是以抢答为出发点。

考虑到依需设定限时回答的功能，利用89S51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。

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；满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法

关键词：

无线模块单片机数码显示管

引言

在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛，评选优胜，选拔人才之类的活动俞动愈加频繁。

在竞赛中，都是多个选手一起参加，如果采用举手回答问题的这个方式来进行竞赛已不适应社会的需要。

并且在主持人提出问题时候，如果让选手用举手的方式来抢答，这在某种程度上会因主持人的主观误断造成比赛的不公平性。

而在当今社会里，比赛要追求准确、公正、直观地判断第一抢答者，这时候抢答器就派上用场了。

随着科技的发展，现在的抢答器向着数字化、智能化的方向发展。

数字技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路（SSI）发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。

相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集成电路（ASIC）设计。

目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。

例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。

随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。

随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。

通过这种综合性训练，我们要达到以下的目的和要求：

1.结合课程中所学的理论知识，独立设计方案。

达到学有所用的目的.

2.学会查阅相关手册与资料，通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析与解决问题的能力，对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。

抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。

选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。

第一章绪论

1.1系统设计的功能

基本功能：

（1）同时供8名选手比赛，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，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。

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。

1.2扩展功能

（1）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。

（2）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。

（3）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00。

1.3抢答器的需求分析

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是在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。

5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非。

第二章系统方案论证与选择

本系统主要由无线模块、键盘模块、显示模块等几部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。

2.1无线模块论证与选择

方案一：

JZ863微功率无线数传模块

JZ863微功率无线数传模块，是一种短距离无线数据传输产品，JZ863模块实物图如图1所示。

它体积小，功耗低，稳定性及可靠性极高，能方便为用户提供双向的数据信号传输、检测和控制。

适合水电气三表、停车场咪表、智能卡、电子衡器、门禁考勤、无线排队、楼宇控制、货场物流、防盗报警、智能仪器仪表、无功补偿、智能教学设备、体质检测智能设备、测量设备、汽车黑匣子、自动控制、家居智能化等领域的数据控制和数据抄录。

图1JZ863模块实物图

JZ863功能特点：

（1）微发射功率；

（2）低功耗；

（3）ISM频段工作频率，无需申请频点；

（4）高抗干扰能力和低误码率；

（5）传输距离远；

（6）透明的数据传输；

（7）多信道，多速率；

（8）高速无线通讯和大的数据缓冲区；

（9）智能数据控制，用户无需编制多余的程序；

（10）高可靠性，体积小、重量轻；

（11）看门狗实时监控。

虽然JZ863性能很好，功能强大，但是其成本及使用难度较大。

对于本设计来说实现起来有一定的困难。

方案二：

NRF905无线收发模块（PTR8000+），在Nordic VLSI公司最新封装改版nRF905基础上优化设计，体积更小，距离更远，同时抗干扰性强，通信稳定，特别适用于工业控制领域，是目前最主流的无线收发方案。

基本特点：

（1） 433Mhz 开放ISM频段免许可证使用

（2）接收发送功能合一，收发完成中断标志

（3）170个频道，满足多点通讯和跳频通讯需求，实现组网通讯，TDMA-CDMA-FDMA

（4）内置硬件8/16位CRC校验，开发更简单，数据传输可靠稳定

（5）工作电压1.9-3.6V，低功耗，待机模式仅2.5uA

（6）接收灵敏度达-100dBm

（7）收发模式切换时间<650us

（8）每次最多可发送接收32字节，并可软件设置发送/接收缓冲区大小2/4/8/16/32字节

（9）模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便

（10）最大发射功率10毫瓦，发射模式：

最大电流<30mA；接收模式：

电流12.2mA

（11）内置SPI接口，也可通过I/O口模拟SPI实现。

最高SPI时钟可达10M

（12）尺寸小巧，不含天线32mm*19mm；标准DIP间距接口，便于嵌入式应用

（13）发射速率50Kbps，外置433MHz天线，空旷通讯距离可达300米左右，室内通信3-6层可实现可靠通信，抗干扰性能强，很强的障碍穿透性能

综上所述，本设计选择方案二。

2.2显示模块的方案

方案一：

动态扫描数码管显示

硬件电路简单（数码管越多，这个优势越明显），由于每个时刻只有一个数码管被点亮，所以所有数码管消耗的电流较小。

动态扫描数码管亮度不如静态显示时的亮度高，例如有8个数码管，以1秒为单位，每个数码管点亮的时间只有1/8秒，所以亮度较低；如果刷新率较低，会出现闪烁现象。

方案二：

LCD12864液晶显示

带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。

采用LCD12864优点具有硬件电路简单、功耗较低、显示较为丰富。

方案三：

LCD1602液晶显示

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

显示模块主要是无线抢答器抢答分数和组号，，所需显示的信息量相对较少，为降低电路成本和实用性，提高性价比显示模块选用方案一。

2.3单片机的论证与选择

方案一：

51单片机

AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。

它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。

片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。

他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。

方案二：

AVR单片机

AVR单片机是高速嵌入式单片机：

AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。

多累加器型，数据处理速度快。

AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。

中断响应速度快。

AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。

AVR单片机耗能低。

对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。

有的器件最低1.8V即可工作。

AVR单片机保密性能好。

它具有不可破解的位加密锁LockBit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。

方案三：

MSP430单片机

处理能力强：

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

运算速度快：

MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。

16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

超低功耗：

SP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

本系统用到单片机是进行进行电压电流的取样，测出稳压直流的输出功率，通过液晶显示，将电压显示出来，通过对三种单片机的比较，和现有的单片机，所以选用方案一。

第三章电路与程序设计

3.1系统框图设计

本系统采用AT89S52单片机作为核心，控制系统的四个模块分别为：

单片机最小系统、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块。

如图所示2为无线抢答器系统方框图。

图2系统方框图

3.2系统硬件的设计

3.2.1AT89S52简介

AT89S52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AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S52外观图如图3所示，AT89S52引脚图如图4所示。

图3AT89S52外观图图4AT89S52引脚图

主要性能：

（1）与MCS-51单片机产品兼容；

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；

（3）1000次擦写周期；

（4）全静态操作：

0Hz-33MHz；

（5）三级加密程序存储器；

（6）32个可编程I/O口线；

（7）三个16位定时器/计数器；

（8）六个中断源；

（9）全双工UART串行通道；

（10）低功耗空闲和掉电模式；

（11）掉电后中断可唤醒；

（12）看门狗定时器；

（13）双数据指针；

（14）掉电标识符。

单片机最小系统就是能让单片机工作起来的一个最基本的组成电路。

如图5所示电路就是由AT89S52单片机组成的最小单片机系统。

以单片机AT89S52为核心，AT89S52的18、19引脚端外接石英晶体振荡电路，9引脚外接S17、R2、C1组成的复位电路，20脚接地，40、31脚接电源Vcc，就构成了AT89S52单片机的最小系统。

单片机最小系统电路图如图5所示。

为了让单片机完成一定工作任务，在单片机最小系统的基础上外接相关的工作电路，并让这些电路按程序设计要求工作，就组成了单片机应用电路。

图5单片机最小系统电路图

1.时钟频率电路的设计

图6时钟频率电路图

本设计中没有也无需与外部时钟信号一致，所以我选择了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

晶振我选择了12MHz，相对于6MHz的晶振，整个系统的运行速度更快了。

电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值我选择了30pF。

2.复位电路的设计

图7复位电路

MCS-51的复位输入引脚RST为MCS-51提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在MCS-51的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作。

只要RST保持高电平，则MCS-51循环复位。

只有当RST由高电平变低电平以后，MCS-51才从0000H地址开始执行程序。

本系统采用按键复位方式。

3.2.2显示电路的设计

图8数码显示电路图

该电路为无线抢答器显示电路。

电路由共阴极led数码显示管、三极管作为反相器等电路组成。

主要功能是显示抢答组号和抢答时间，时间为倒计时30秒计时。

3.2.3无线收发电路

图9nRF905与MCU的电路原理图

该电路为无线抢答器的收发接受电路。

3.2.4报警电路设计

图10报警电路

该电路为抢答器报警提示电路。

主要功能是当某组按下抢答器按钮时，用来提示本次抢答成功，或者是用来检测各路抢答器是否通畅。

3.3软件设计

3.3.1程序功能描述与设计思路

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。

软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。

从软件的功能来看可分为两大类：

一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。

这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。

软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义）。

在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。

各执行模块规划好后，就可以监控程序了。

首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。

相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。

这如同当一名操作工人比较容易，而当一个厂长就比较难了。

软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。

整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。

后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。

也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。

3.3.2程序流程图

图11程序流程图

3.3.3无线模块软件设计

本系统中的无线数据传输主要由无线数据收发器nRF905、C8051F单片机和显示部分组成。

nRF905收发器与单片机之间通过SPI口进行通信。

因此，软件设计过程中的重点是nRF905数据的发送和接收过程。

nRF905的数据发送过程

发送数据时的工作流程如图4所示。

当MCU有遥控数据节点时，接收点的地址（TX-address）和有效数据（Tx-payload）将通过SPI接口传送给nRF905。

设计时应使用协议或MCU来设置接口速度。

可用MCU设置TRX-CE，并使TX-EN为高电平来激活nRF905的ShockBurst传输。

通过nRF905的ShockBurst可使无线系统自动上电，并完成数据包（应加前导码和CRC校验码）的数据码发送。

图（11）发射数据流程

nRF905的数据接收过程

当系统接收数据时，其接收数据流程图如图5所示。

系统的工作过程如下：

首先，在650μs以后，nRF905将不断监测空中的信息。

当nRF905发现有和接收频率相同的载波时，其载波检测（CD）被置为高电平；此后，当nRF905接收到有效地址时，地址匹配（AM）被置为高电平；当nRF905接收到有效的地址包（CRC校验正确）时，nRF905将去掉前导码、地址和CRC位，同时将数据准备就绪位（DR）置为高电平，并用MCU设置TRX-CN为低电平，以进入standby模式，从而使MCU能够以合适的速率通过SPI接口读出有效的数据；当所有的数据读出，nRF905将AM和DR设置为低电平，以便使nRF905准备进入ShockBurstRX、ShockBurstTX或Powerdown模式。

图（12）接收数据流程图

第四章设计结论

本文研究与设计的八路多功能抢答器采用了通用的电子元器件，利AT89S51单片机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。

计分接收的单片机部分利用汇编语言编写。

设计时，首先通过在线编程，然后具体安装，仿真，完全实现了设计功能。

本设计中，利用常规的单片机扫描识别的方法。

通过系统的仿真研究得出。

由于采用汇编语言设计电路，所以本设计在编程成功后，硬件电路基本上不需要调试就可正常使用。

整个设计通过了软件的仿真。

我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。

在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。

对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题。

而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。

它才是一个设计的灵魂所在。

因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。

很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。

因此可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。

心得体会

通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。

使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

在这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。

我在老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助。

整个设计从一开始的构思到现在完成的时间段中，在设计开始前老师的指导下以及过程中的帮助下，完成了本次设计。

通过理论与实践的紧密结合，更加的锻炼到了自身的动手能力，也更领略到了专业技能的重要性，同时，对一些问题的看法也更加客观了。

回顾整个设计所经历的一切，付出了很多，也收获了很多，通过自己的初步构思以及进一步的查找资料，验证设计的可行性，都是很锻炼自身的过程。

善于观察、积极思考、态度认真，坚持做好每一件事，无论自己的设计做的怎么样，总是自己的的努力，不管收获多少，只要自己不断的汲取知识，总会成功。

在此，衷心感谢老师以及许多同学的指导和支持。

我会继续努力的学习，大胆创新，使自己得到更大的提升。

致谢

在这次设计的施行过程中首先要感谢的就是我的指导老师刘老师。

从设计任务下达前，刘老师就在一定程度上针对我提出来的设计方向有了一定程度上的讲解，让我对自己的目标有了清楚地认识。

他为人随和