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毕业设计论文张丽
编号:
昆山登云科技职业学院
毕业设计(论文)
基于单片机实现电子抢答器的设计
教学系:
信息系
专业班级:
应用电子11-3
学生姓名:
张丽
指导教师:
罗俊杰
2014年5月5日
摘要
抢答器是由扩展电路好人主体电路构成的。
在显示器上输出的参赛队的输入信号是由优先编码电路、锁存器和译码电路等生成的;扩展电路是在显示器上输出实现计时功能,由定时电路、译码电路将秒脉冲产生的信号构成。
主体电路是由控制电路、主持人开关启动报警电路构成。
抢答器成形是经过布线、调试和焊接等工作。
单片机为了使外围电路的实现更加简单,,简化了外围硬件电路,把很多任务都交给了软件编程。
单片机不仅应用方便,而体积小价格低,还很稳定可靠。
如果说应用程序赋予了单片机新的“生命”,那么抢答系统“身躯”是由单片机系统的硬件给予了,这样就使其在一班的抢答器面前具有成本低、电路简单和运行可靠等优点。
抢答器是选手做抢答题时便于选手进行抢答的,抢到题的选手便要回答问题。
抢答器不仅考验选手应该具备足够的知识方面还考验选手的反应速度同时还需要一定的勇气和技巧。
对选手们都是公平公正的,因为他们都站在同一个起跑线上。
关键词:
定时电路抢答电路报警电路
2.3要求知识点.........................................................4
第三章硬件设计介绍
3.1总电路原理........................................................5
3.2复位电路的可靠性设计...............................................6
3.374LS47译码器......................................................8
3.4LM358.............................................................9
3.5硬件部分工作原理..................................................10
3.6倒计时的处理......................................................12
第四章软件设计介绍
4.1主程序流程图......................................................13
4.2INT0中断服务程序框图............................................14
4.3中断..............................................................15
第五章程序及电路图
5.1程序及分析.........................................................20
5.2电路图.............................................................31
第六章结论..............................................................32
参考文献................................................................34
第一章绪论
1.1单片机抢答器的背景
20世纪跨越了三电的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过,
这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一
类计算机,大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称
微控制器)。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单和控
制。
因为它体积小,通常都藏在被控机的内部。
他在整个装置中,起着有如人类头脑的作
用,它出了毛病,整个装置都瘫痪了。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能
仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机,就能
起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能洗衣机
等。
现在有些工厂的技术人员或其他业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,
就是功能太简单极易被仿制。
究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其他可编程逻辑
器件上。
在知识竞赛中,特别是做抢答器时,在抢答过程中,为了更确切的知道那一组或哪
一位选手先抢到题,必须要有一个系统来完成这个任务。
若在抢答中,只靠人的视觉或者
听觉是很难判断出那一组或哪一个选手先抢到提的。
利用单片机编程来设计抢答器,可以
使以上问题得以解决,即使两个组的抢答时间相差几微秒,也能轻松分辨那一组或哪一位
选手先抢到题的,本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计,以及它的实际用途。
1.2单片机抢答器的意义
本系统采用单片机作为整个控制核心。
控制系统的四个模块为:
显示模块、存储模
块、语音模块、抢答开关模块。
该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号;利用一个数
码管来完成显示功能;用按键来让选手进行抢答,在数码管上显示哪一组先答得,从而实
现整个抢答过程。
在知识竞赛中,特别是做题目的时候,在抢答过程中,为了知道哪一组
选手先答题,必须要设计一个系统来完成任务。
如果在抢答中,靠视觉是很难判断出那组
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,也可以辨出那组选手先答题。
本文主要介绍了单片机抢答器设计的工作原理,以
及它的实际用途。
系统工作原理本系统采用89C51单片机作为核心。
控制系统的四个模块
分别为:
显示模块、存储模块、语音模块、抢答开关模块。
该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号;利用一个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,单片机控制的智能抢答器设计。
1.3抢答器的应用
随着我国经济和文化事业的发展,在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决,诸如
证券、股票交易及各种智力竞赛等,因此出现了抢答器。
驱动器一般是由很多电路组成的,
线路复杂,可靠性不高,功能也比较简单,特别是当抢答路数很多时,实现起来更为困难。
因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器,在保留了原始抢答器的基本功能的
同时又增添一系列的实用功能简化其电路结构。
抢答器又称为第一信号鉴别器,其主要应
用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。
传统普通抢答器主要存在以下缺陷:
(一)、再一次抢答过程中,当出现超前违规抢答时,只能处理违规抢答信号,而对
没有违规的有效抢答信号不能进行处理,因而使该次抢答过程变为无效。
(二)、当有多个违规抢答时,普通抢答器或采用优先编码电路选择其中一个,或利
用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。
对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元
件被固定。
各路抢答信号的“竞争”能力也被固定,因而本质上也有优先权。
普通抢答器
存在不公平性。
(三)、当有多个违规抢答时,普通抢答器只能“抓住”其中一个而出现“漏洞”。
第二章抢答器的概述
2.1系统设计的功能
1.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。
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。
在这段(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。
2.2本设计任务
以单片机为控制核心的智能型抢答器。
它对采样获得的各种抢答信号进行分析,识别
超前违规信号。
并对它们进行处理,使每一次抢答过程都有效。
利用存储器记忆多个违规
信号,克服“漏洞”现象,当同时出现多个抢答信号时,利用程序软件随机选择其中一个
十分平并具有倒计时功能、验键、违规显示等功能。
基于AT89C52单片机设计制作一个抢答器,晶振采用12MHZ。
具体要求如下:
(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,编号为、0、1、2、3、4、5、6、7各用一个按钮。
(2)给节目主持人设置一个控制开关,用来控制系统的清零和抢答的开始。
(3)抢答器具有数据锁存功能、显示功能和声音提示功能。
抢答开始后,若有选手按动抢答按钮,编号立即锁存,并在LED数码管上显示选手的编号,同时灯亮且伴随声音提示。
此外,要封锁输入电路,禁止其他选手抢答,最先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零。
2.3要求知识点
本项目需要通过学习和查阅资料,掌握和了解如下知识:
(1)+5V电源原理设计。
(2)单片机复位电路工作原理及设计。
(3)单片机晶振电路工作原理及设计。
(4)按键电路的设计。
(5)数码管特性及使用。
(6)AT89C52单片机引脚。
(7)单片机汇编语言及程序设计。
第三章硬件设计介绍
3.1总电路原理
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)RAM空间,AT89S51内部RAM不多,当要增强软件数据处理功能时,往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM,则建议多留一些空间。
如选用8155作I/O接口,就可以增强
256字节RAM.如果有大批数据需要处理,则应配置足够的RAM,如6264,62256等。
随着
软件设计水平的提高,往往只要改变或增加软件中的数据处理算法,就可以使系统功能提
高很多,而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
只要在硬件电路设计初期考虑
到这一点,就应该为系统将来升级留足够的RAM空间,哪怕多设计一个RAM的插座,暂不
插芯片也好。
(5)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。
P2.4为开始抢答[9],P2.5为加分,P2.6为减分,P1.0-P1.7为六八抢答输入,数码
管段选P0口,位选P2口低3位,蜂鸣器输出为P2.7口。
3.1-1八路抢答器
3.2复位电路的可靠性设计
计算机在启动运行是都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一
个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
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的复位电路。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST,它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引
脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平。
使器件复位,只要RST保持
高电平,MCS-51保持复位状态。
此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。
RST
变为低电平后,退出复位,CPU从初始状态开始工作。
复位以后内部寄存器的初始状态为
(SP=07,P0、P1、P2、P3为0FFH外,其它寄存器都为0。
在RST复位端接一个电容至VccHE
一个电阻至Vss,就能实现上电自动复位,对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可。
如图,在加电瞬间,电容通过电阻充电,就在RST端出现一定时间的高电平,只要高电平
时间足够长,就可以使MCS-51有效地复位。
RST端在加电时应保持的高电平时间包括Vcc
的上升时间和振荡器起振时间,Vcc上升时间若为10ms,振荡器起振时间和频率有关。
10MHz
时间约为1ms,1MHz时约为10ms,所以一般为了可靠地复位,RST在上电时应保持20ms
以上的高电平。
图2.5中,RC时间常数越大,上电时RST端保持高电平的时间越长。
当振
荡频率为12MHZ时,典型值为C=10uF,R=8.2kΩ.
图3.2-1
3.374LS47译码器
3.3-1引脚图
7447为4-7线译码驱动器,使其与数码管各个管脚相连接显示数字,如:
输出1001臵7447
则数码管则显示9,其具体设定详见图3—3和表3—1。
具体连接时使其使能端全部接电
源。
3.3-27447真值表
3.4LM358
3.4-1LM358管脚图
LM358为一电流放大元件,在此电路中用于为声音报警提供所需电流。
其管脚如图3—4所示
3.5硬件部分工作原理
本设计采用AT89C51单片机作为控制核心。
AN0~AN7为8个抢答键。
P0.0~P0.7为8路抢答信号输入端。
当有抢答键按下时,对应输入端为低电平“0”反之为高电平“1”。
AN8为抢答启动键。
在抢答开始时,按动一下AN8键,向单片机申请一次INTO中断单片机在中断服务程序中对抢答信号进行采样和识别处理。
采用二位LED共阳数码管以动态扫描方式对抢答键号、违规抢答键号、倒计时时间等信息进行显示,倒计时时间由选择开关K2进行选择。
本设计共有4个时间档供选择(15S、30S、60S、99S)AN10为违规显示器。
按动AN10键,可对一次抢答过程中出现的所有超前违规抢答的键号进行显示。
K为验键功能选择开关,当需要验键时,将K闭合,可检验各抢答键能否正常工作,验键完毕将K打开。
LED1为违规指示灯。
当一次抢答过程存在违规抢答信号时,LED1发出多个第一有效抢答信号的处理。
1、第一有效抢答信号的处理
在抢答过程中往往会出现多个抢答键同时按下,或者时间差非常短。
单片机无法识别它们之间的时间差,此时R2中会出现多个为1的位,既出现多个第一有效抢答信号。
但每次抢答过程只能输出显示一个第一有效抢答信号,公正处理这个问题的方法是随机地挑选其中的一个。
本设计采用一种随机定位查找方法:
将R2中各位的查找顺序排成一个环,如图3—5然后找一个随机数x从第x位开始按上述查找顺序环规定查找顺序找R2中为1的位。
3.5-1随机查找示意图
第一个被找到为1的位其对应的抢答信号作为被选择的第一有效抢答信号。
本设计抢答键的权目为8个随机权数可选择为0~7。
例如:
假设x=3,R2=01010001B即出现三个第一有效抢答信号。
(对应AN6.AN4.AN0三个键)根据上述方法,则从D3位开始查找第一个找到为1的位是D4因而抢答键AN4被选中。
2、违规抢答信号的记录
抢答开始按动AN8键单片机开始INT0中断服务程序,先采样P0口并将采样值送入工作寄存器R0使LED显示“AA”字形提示开始,显然R0中寄存了抢答开始前最后一瞬间各路抢答输入信号。
若无违规抢答,R0值为FFH;若有违规抢答,R0值不为FFH。
R0中为0的位对应的抢答键属违规。
若R0=10111110B表示AN0和AN6二路抢答键违规出现R0时表示八路抢答器全部违规,LED显示“UU”延时5s后返回主程序需重新抢答。
所谓“有效抢答信号”是指从LED显示“HH”字形提示抢答开始之后的抢答信号,在抢答提示之前的抢答信号属于“违规信号”。
最先到达的有效抢答信号称为“第一有效信号”。
3、第一有效抢答信号的处理
抢答提示之后,单片机再采样P0口,用于检测抢答信号,将采样值送入工作寄存器R1。
若采样值为FFH表示还没有抢答,继续采样P0口。
若R1值不为FFH表示有人按下抢答键。
但还应判断是否由违规抢答所导致,这只需将R1值与R0值进行比较。
若R1和R0值相同表示是由违规抢答所导致,则继续采样P0口。
若R1和R0值不同,则表示存在有效抢答,不再采样P0口。
此时R1中含有第一有效抢答信号。
为了提取R1中第一有效抢答信号,抛弃其中的违规抢答信号,可进行如下处理:
将R0与R1相“异或”再与R0相“与”,并将运算送工作寄存器R2即(R0⊕R1)〃R0臵R2。
经上述逻辑运算可知,若抢答键产生第一有效抢答信号,则R2中第i位为1(R2i=1)若R2值为0则表示没有效抢答信号,此表为抢答过程中可能出现的4种抢答信号处理过程。
其具体数值详见表3—2
3.5-2抢答信号处理过程表
3.6倒计时的处理
本设计有多个时间档可选择,用于留出抢答选手对抢答的反应。
原设计方案有多档位可以选择,但实际应用中我只做了99秒的倒计时显示用以达到显示的效果,若要修改计时的档位只需要修改软件地址预设的数值即可。
倒计时还为违规抢答的显示留出时间档,以记录和显示违规操作的键号。
第四章软件设计介绍
系统软件由主程序和INT0中断服务组成。
主程序由验键,违规显示,倒计时等功能子程序组成,系统完成初始化后循环检查各个功能当用户使用某个功能时,按下相应的按钮(或开关)单片机进入相应的功能处理。
INT0中断服务程序完成抢答信号采样和识别处理。
4.1主程序流程图
4.2INTO中断服务程序框图
4.3中断
本设计以中断为基础因此这里对中断进行详细的说明。
这是由于中断是一项重要的计算机技术,这一门技术在单片机中得到了充分继承。
中断是工业过程控制及智能化仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。
在通常情况下,单片机执行主程序,只有当正常状态出现故障,或发出中断请求时,单片机才暂停执行主程序,转去执行或处理中断服务程序,执行完中断服务程序后,再返回到主程序继续运行。
基于资源共享原理上的中断技术,在计算机中得到了广泛的应用。
中断技术能实现CPU与外部设备的并行工作,提高CPU的利用率以及数据的输入/输出效率;中断技术也能对计算机运行过程中突然发生的故障作到及时发现并进行自动处理如:
硬件故障、运算错误及程序故障等;中断技术还能使我们通过键盘发出请求,随时对运行中的计算机进行中的计算机进行干扰,而不用先停机处理,然后再重新开机等等。
在单片机中,中断技术主要用于实时控制。
所谓实时控制,就是要求计算机能及时地相应被控对象提出的分析、计算和控制等请求,使被控对象保持在最佳工作状态,以到达预定的控制效果。
由于这些控制参量的请求都是随机发出,而且要求单片机必须作出快速响应并及时处理,对此只有靠中断技术才能实现。
向CPU发出中断请求的来源称之为中断源。
MCS-51是一个多中断源的单片机,以80C51为例有3类共五个中断源,分别是外部中断2个,定时中断2个和串行中断1个。
在MCS-51单片机中,控制寄存器共有4个,即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器及串行口控制寄存器。
这4个控制寄存器都属于专用寄存器之列。
MCS-51的中断优先级控制比较简单,因为系统只定义高低2个优先级。
各中断源的优先级由中断优先级寄存器(IP)进行设定。
从中断相应到转向执行中断服务程序,完成中断所要求的操作任务,是一个很复杂的过程。
中断完成后,TCON或SCON中的中断请求标志应及时清除。
否则就意味着中断请求仍然存在,弄不好就会造成中断的重复查询和相应,因此就存在一个中断请求的撤销问题。
MCS-51是通过只有在一条指令的最后一个机器周期的查询有效才能进行中断相应来实现。
它有一种单步工作方式,所谓单步执行就是由外来脉冲控制程序的执行。
而外来脉冲是通过按键产生的,因此实际上单步执行就是按一次键执行一条指令。
中断系统的控制
1、定时器/计数器的控制寄存器
(1)、定时器控制寄存器(TCON)
TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。
现对其定时功能加以介绍。
其中有关定时的控制位共有4位:
•F0和TF1—计数溢出标志位
当计数器计数溢出(计满)时,该位臵“1”;使用查询方式时,此位作状态位供查询,但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清“0”;使用中断方式时,此位作中断标志位,在转向中断服务程序时由硬件自动清“0”。
•R0和TR1—定时器运行控制位
TRO(TR1)=0停止定时器/计数器工作
TRO(TR1)=1启动定时器/计数器工作
(2)、工作方式控制寄存器(TMOD)
TMOD寄存器是一个专用寄存器,用于设定两个定时器/计数器的工作方式。
但TMOD寄存器不能位寻址,只能用字节传送指令设臵其内容。
各位定义如表4—1:
位序B7B6B5B4B3B2B1B0
位符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0
4.3-1TMOD定义表
从寄存器的位格式中可以看出,它的低半字节定义定时器/计数器0,高半字节定义定时器/计数器1。
M0
•ATE——门控位
GATE=O以运行控制位TR启动定时器
GATE=1以外中断请求信号(1INT或0INT)启动定时器
•C/T——定时方式或计数方式选择位
C/T=0定时工作方式
C/T=1计数工作方式
•M1M0——工作方式选择
M1M0=00方式0
M1M0=01方式1
M1M0=10方式2
M1M0=11方式3
(3)、中断允许控制寄存器(IE)
•EA——中断允许总控制位
•ET0和ET1——定时/计数中断
定时器/计数器提供给用户使用的有:
8位计数器TH和TL,以及有关的控制位。
这些内容只能以软件方法使用。
中断源和中断标志位能够产生中断申请的部件被称为中断源。
8051型单片机提供了五个中断源:
两个外部中断源和三个内部中断源。
每一个中断源都有一个中断申请标志位,但是串行口占有两个中断标志位。
一共有六个中断标志位。
表4—2给出了它们各自的名称。
分类
中断源
SFR的中断申请标志位
中断原因
中断入口
外部中断源
INT0外部中断0
IE0(TCON.1)
P32INT0脚上的信号可以引起中断申请
0003H
INT1外部中断1
IE0(TCON.3)
P33INT0脚上的信号可以引起中断申请
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