51单片机三路抢答器.docx
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51单片机三路抢答器
单片机开发与设计工程师
考试文档
设计题目:
抢答器
学校:
湖南人文科技学院
系别:
通信与控制工程系
专业:
电子信息工程
班级:
07级电信一班
学生姓名:
龙丽婷、董文
学号:
********、********
起止日期:
2010年6月12日~2010年6月25日
摘要
本设计是以抢答为基本理念。
考虑到依需设定限时回答的功能,利用STC89C52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。
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,相应犯规灯亮;开始后抢答,即正确按键后,相应成功指示灯亮,并开始倒计时,回答问题的时间限定为10秒,满时后系统计时自动复位及主控复位;按键锁定,在有效状态下,按键无效非法。
关键词:
STC89C52;LED灯;数码管;抢答器;计时
抢答器
设计要求
1、一位主持人与3位抢答者,复位后,甲乙丙的绿、红灯全亮,开始键、复位键的指示灯全暗;主持人按复位键则仅复位指示灯亮,其他都暗,准备开始;主持人按开始键,开始灯亮,允许甲乙丙抢答,此时优先者则相应成功指示灯亮,如允许前抢就相应犯规灯亮;答题开始进行倒计时,到规定时间不允许答题,并返回复位状态。
2、具有抢答控制和倒计时显示功能。
3、控制器应有复位控制、开始控制、抢答控制和状态指示等功能,并有答题时间控制和显示功能。
1方案
采用宏晶公司的STC89C52作为系统控制器的CPU方案。
原理框图如图1所示:
图1原理方框图
2系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的抢答器,包括3路抢答按钮、开始按钮、复位按钮,指示灯显示,倒计时显示部分。
用中断0和中断1的控制按钮做复位与开始控制。
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,相应犯规灯亮;主持人按键开始后,选手开始抢答为有效,相应成功指示灯亮,并开始倒时,回答问题的时间限定为10秒,满时后系统计时自动复位及主控复位。
3抢答器的硬件设计
3.1STC89C52简介
STC89C52引脚图如图2所示:
图2STC89C52引脚图
主要性能:
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
功能特性描述:
STC89C52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。
使用宏晶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,亦适于常规编器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52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。
STC89C52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,STC89C52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。
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出
电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P1.0T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5MOSI(在系统编程用)
P1.6MISO(在系统编程用)
P1.7SCK(在系统编程用)}
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为STC89S52特殊功能(第二功能)使用,。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
P3.0RXD(串行输入)
P3.1TXD(串行输出)
P3.2INT0(外部中断0)
P3.3INT0(外部中断0)
P3.4T0(定时器0外部输入)
P3.5T1(定时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器写选通)
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当STC89C52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3、2LED灯
LED灯示意图如图3所示:
图3LED灯示意图
单片机的P1.0~P1.7分别接到D4-D11这8个LED灯。
3.38255接口芯片
单片机系统里常用的8255[1]芯片是一个典型的可编程通用并行接口芯片,用来扩展单片机的端口,它具有3个8位的并行口,有三种工作方式,可作为单片机与各种外部设备连接的接口电路。
8255的引脚图如图4所示。
图48255的引脚图
8255引脚功能说明:
RESET:
复位输入线,当该输入端外于高电平时,所有内部寄存器(包括控制寄存器)均被清除,所有I/O口均被置成输入方式。
PA0~PA7:
端口A输入输出线,一个8位的数据输出锁存器/缓冲器,一个8位的数据输入锁存器。
PB0~PB7:
端口B输入输出线,一个8位的I/O锁存器,一个8位的输入输出缓冲器。
PC0~PC7:
端口C输入输出线,一个8位的数据输出锁存器/缓冲器,一个8位的数据输入缓冲器。
端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口,每个4位的端口包含一个4位的锁存器,分别与端口A和端口B配合使用,可作为控制信号输出或状态信号输入端口。
CS:
片选信号线,当这个输入引脚为低电平时,表示芯片被选中,允许8255与CPU进行通讯。
RD:
读信号线,当这个输入引脚为低电平时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息,即CPU从8255读取信息或数据。
WR:
写入信号,当这个输入引脚为低电平时,允许CPU将数据或控制字写8255。
D0~D7:
三态双向数据总线,8255与CPU数据传送的通道,当CPU执行输入输出指令时,通过它实现8位数据的读/写操作,控制字和状态信息也通过数据总线传A0,A1:
地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。
当A0=0,A1=0时,PA口被选择;
当A0=0,A1=1时,PB口被选择;
当A0=1,A1=0时,PC口被选择;
当A0=1.A1=1时,控制寄存器被选择。
在本次设计中,8255芯片用来扩展系统的外部接口,将8255的PA、PB、PC口给数码管、键盘使用。
3.4数码管显示模块
数码管原理图如图5所示:
图5数码管原理图
在本次设计中,数码管的8段是由芯片8255的PB口控制亮灭,每个数码管的公共脚分别由8255的PA0-PA5经三极管扩流后进行控制,且数码管是共阳极的。
当公共脚接上电源正极,笔画脚通过一个220欧姆电阻接负极,对应的笔画就会点亮。
要在某位数码管上显示一个数字,首先把待显示数字的显示码送给8255的PB口,接着选中要显示的位。
3.5按键模块
按键示意图如图6所示:
图6按键示意图
在单片机系统中键盘中按钮数量较多时,为了减少I/O口的占用,常常将按钮排列成矩阵形式,在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按钮加以连接。
这样,一个端口(如P1口)就能组成4*4=16个按钮,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就能组成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。
由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式键盘的按钮识别办法确定矩阵式键盘上何键被按下,介绍一种“行扫描法”。
行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按钮识别办法。
判断键盘中有无键按下将全部列线置高电平,然后检测行线的状态。
只要有一行的电平为高,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于高电平线与4根列线相交叉的4个按钮之中。
若所有行线均为低电平,则键盘中无键按下。
判断闭合键所在的位置:
在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。
其办法是:
将全部列线置为高电平,在确定某根行线位置为高电平后,再逐列对列线置高再检测先前返回高电平的行线的电平状态。
若此行返回为高,则该列线与返为高电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮。
本次设计虽只用到其中三个按键但考虑到以后对系统升级,所以采用了矩阵式键盘。
3.6外部中断0和外部中断1
外部中断0和外部中断1示意图如图7所示:
图7外部中断0和外部中断1示意图
在单片机上有两个引脚,名称为INT0、INT1,也就是P3.2、P3.3这两个引脚。
在单片机内部的TCON寄存器中有四位是与外中断有关的。
IT0:
INT0触发方式控制位,可由软件进和置位和复位,IT0=0,INT0为低电平触发方式,IT0=1,INT0为负跳变触发方式。
IE0:
INT0中断请求标志位。
当有外部的中断请求时,这位就会置1(这由硬件来完成),在CPU响应中断后,由硬件将IE0清0。
IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。
按键0接单片机P32脚,按键1接单片机的P33脚。
本次设计用到了外中断1和外中断0,需接上跳帽W1和W2。
4抢答器的软件设计
4.1主程序流程及分析
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8所示,下面予以介绍。
1、主持人按复位键,复位指示灯亮,进入准备状态,主持人出题。
3、主持人按开始键,进入抢答部分,有人抢答就开始回答倒计时,抢答人在此限定时间内做出回答,计时完毕后停止做答并返回复位状态。
无人抢答则主持人根据实际情况做出处理后可进入下一轮抢答。
4、如果主持人未按开始键,而有人按了抢答按键,犯规抢答,相应犯规灯亮。
主持人根据实际情况做出处理后可进入下一轮抢答。
图8工作流程图
4.2总程序模块
在本次设计中,总程序可分为主程序部分,显示部分,延时部分,键盘部分,计时部分,定时器工作模式设定及初始化部分,中断程序部分。
主程序:
main()
{unsignedcharflag=0;
light=0xc0;
Timer1_Init();
while
(1)
{GInt_Init();
P1=light;
display(6,second);
if(second==0)
{second=0x09;
TR1=0;
light=0x7f;
}
flag=keyboard();
if(light==0x3f)
{switch(flag)
{case1:
light=0xfd,TR1=1;break;
case2:
light=0xf7,TR1=1;break;
case3:
light=0xdf,TR1=1;break;
default:
light=0x3f;}
}
if(light==0x7f)
{switch(flag)
{case1:
light=0xfe;break;
case2:
light=0xfb;break;
case3:
light=0xef;break;
default:
light=0x7f;}
}
}
}
打开中断及相应的设定:
voidGInt_Init(void)
{EA=1;
EX0=1;
IT0=1;
EX1=1;
IT1=1;
ET1=1;
}
外中断0:
voidISR_Ex0(void)interrupt0{light=0x7f;}
外中断1:
1voidISR_Ex1(void)interrupt2
{light&=0xbf;}
定时器工作模式设定及初始化:
voidTimer1_Init(void)
{TMOD=0x10;
TH1=(65535-50000)/256;
TL1=(65535-50000)%256;
}
1秒时间的设定:
voidISR_Timer1(void)interrupt3
{Timer_Count++;
if(Timer_Count==20)
{Timer_Count=0;
second--;}
Timer1_Init();}
延时部分:
voiddelay(unsignedintx)
{unsignedchari,j,k;
while(x--)
{for(i=0;i<=5;i++)
for(j=0;j<=10;j++)
;}
}
显示部分:
#include"reg51.h"
#include"ABSACC.H"
#definea8255_PAXBYTE[0xD1FF]
#definea8255_PBXBYTE[0xD2FF]
#definea8255_PCXBYTE[0xD5FF]
#definea8255_CONXBYTE[0xD7FF]
unsignedcharconstnum_table[16]={
0xA0,/*0*/
0xBB,/*1*/
0x62,/*2*/
0x2A,/*3*/
0x39,/*4*/
0x2C,/*5*/
0x24,/*6*/
0xBA,/*7*/
0x20,/*8*/
0x28,/*9*/
0x30,/*A*/
0x25,/*B*/
0xE4,/*C*/
0x23,/*D*/
0x64,/*E*/
0x74,/*F*/};
voiddisplay(unsignedcharplace,unsignedcharnumber){a8255_CON=0x89;
a8255_PA=0xff;
a8255_PB=0xff;
a8255_PA=~(0x01<<(place-1));
a8255_PB=num_table[number];
}
键盘部分:
unsignedcharkeyboard()
{unsignedcharPC_data;
unsignedcharj;
unsignedchary=0;
a8255_CON=0x89;
a8255_PA=0xf1;
a8255_PB=0xff;
delay
(1);
PC_data=a8255_PC;
for(j=0;j<4;j++)
{if((PC_data&(1< y=j+1;} return(y);} 完整总程序见附录。 5调试结果及分析 本设计主要是在编写的程序编译通过后,用下载软件将编写的程序下载到实验开发板上,验证结果是否满足设计要求。 主要通过按键部分进行控制,通过数码管和LED灯部分进行观察。 经验证,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,相应犯规灯亮;主持人按键开始后,选手开始抢答为有效,相应成功指示灯亮,并开始倒时,回答问题的时间限定为10秒,满时后系统计时自动复位及主控复位,满足设计要求。 参考文献 [1]张鑫编著.《单片机原理及应用》[M].北京: 电子工业出版社,2005.8.105—136. [2]陈家骏,郑滔主编.《程序设计教程》[M].北京: 机械工业出版社,2004.8.41—92. [3]余文俊主编.《8051C语言实习》[M].北京: 中国水利水电出版社,2002.10.50—89. [4]孙育才编著. 《新型AT89S52系列单片机及其应用》[M].北京: 清华大学出版社,2005.5.1—63. 附录一: 总体原理图 总体原理图如图9所示: 图9总体硬件连接原理图 图中U1为单片机STC89C52,U2为芯片8255,单片机的P1.0~P1.7分别接到D4-D11这8个LED灯。 复位按键与开始按键分别接到单片机的P3.2、P3.3脚,单片机的P0.0-P0.7脚接8255芯片D0-D7脚,8255的PA0-PA5分别接6个数码管的位选,同时PA0-PA3接键盘的四列,PC3-PC0接键盘的四行,PB0接数码管引脚11,PB1接数码管引脚10,PB2接数码管引脚7,PB3接数码管引脚1,PB4接数码管引脚2,PB5接数码管引脚3,PB6接数码管引脚4,PB7接数码管引脚5。 附录二: 总程序 #include"reg51.h"//包括一个51标准内核的头文件 #include"ABSACC.H"//库函数 #definea8255_PAXBYTE[0xD1FF]/*PA口地址*/ #definea8255_PBXBYTE[0xD2FF]/*PB口地址*/ #definea8255_PCXBYTE[0xD5FF]/*PC口地址*/ #definea8255_CONXBYTE[0xD7FF]/*控制字地址*/ unsignedcharTimer_Count=0;//定义变量 unsignedcharsecond=9; unsignedcharlight; unsignedcharconstnum_table[16]={ 0xA0,/*0*/ 0xBB,/*1*/ 0x62,/*2*/ 0x2A,/*3*/ 0x39,/*4*/ 0x2C,/*5*/ 0x24,/*6*/ 0xBA,/*7*/ 0x20,/*8*/ 0x28,/*9*/ 0x30,/*A*/ 0x25,/*B*/ 0xE4,/*C*/ 0x23,/*D*/ 0x64,/*E*/ 0x74,/*F*/ }; voidTimer1_Init(void);//函数声明 voidGInt_Init(void); voiddelay(unsignedintx); voiddisplay(unsignedcharplace,unsignedcharnumber); unsignedcharkeyboard(); main()//主程序 {unsignedcharflag=0; light=0xc0; Timer1_Init();定时器工作模式设定及初始化 while (1)//主程序循环 {GInt_Init();//函数调用(打开中断及相应的设定) P1=light; display(6,second); if(second==0) {second=0x09; TR1=0; light=0x7f; } flag=keyboard(); if(light==0x3f)
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