基于单片机的无线八路抢答器设计毕业设计.docx
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基于单片机的无线八路抢答器设计毕业设计
编号:
单片机课程设计报告
题目:
八路抢答器设计制作
院(系):
电子工程系
专业:
电子信息工程技术
学生姓名:
学号:
指导教师单位:
姓名:
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2013年7月3日
毕业论文(设计)诚信声明
本人声明:
所呈交的毕业论文(设计)是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果,论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注,论文中的结论和成果为本人独立完成,真实可靠,不包含他人成果及已获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文(设计)作者签名:
日期:
年月日
毕业论文(设计)版权使用授权书
本毕业论文(设计)作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文(设计)的复印件和电子版,允许论文(设计)被查阅和借阅。
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本人离校后发表或使用该毕业论文(设计)或与该论文(设计)直接相关的学术论文或成果时,单位署名为。
论文(设计)作者签名:
日期:
年月日
指导教师签名:
日期:
年月日
摘要
随着社会的不断进步,电子技术也飞速的向前发展.特别是大规模集成电路的发展,把我们带进了电子化时代。
电子产品的日益增多,也让我们的生活越来越方便。
特别是计算机的发展,真可谓是突飞猛进。
自从1946年世界上第一台计算机的诞生以来,还不到六十年的时间,计算机就取得了举世瞩目的成绩。
特别是在通信领域,实现了信息一体化的时代。
作为大学生的我们,更需要加强实践能力的培养。
课程设计在一定程度上反映了我们对理论知识的理解程度,是理论与实践的桥梁。
它不仅能锻炼我们的动手能力,而且能够培养我们对问题的思考能力以及对知识的进一步了解。
当你能把你所学到知识化作为现实的东西时,我们能力就提升到一个新台阶。
很多人都认为学习是枯燥无味的,有时觉得与现实太遥远。
在学习之余,我们仍然可以找到一点有趣的事情,比如说做一个声控灯泡、数字钟等等。
生活中我们要找到自己感兴趣的东西。
这次综合课程设计中,我制作了八路抢答器。
抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路,广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。
能够实现抢答器功能的方式有多种,可以采用前期的模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式,但这种方式制作过程复杂,而且准确性与可靠性不高,成品面积大,安装、维护困难。
本节介绍一种利用51单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的八路抢答器。
近年来,随着单片机档次的不断提高,功能的不断完善,其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大,特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色。
单片机应用技术已成为一项新的工程应用技术。
本次课程设计我们做的是八路抢答器,我们采用STC89C51单片机实现抢答功能,性能更稳定,更易操作调试。
关键词:
多路数字抢答器STC89C51PROTEUS
·引言
随着电子技术的飞速发展,基于单片机的控制系统已经广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业。
微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心,代替了传统的控制系统的常规电子线路。
同时楼宇智能化的发展与成熟,也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。
电子智能抢答器在抢答过程中,为了知道哪一组或哪一位选手先回答问题,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以分辨出使哪组优先回答问题。
抢答组数可以在八组以内任意使用,本系统设计为模块主机与从机实现无线连接,系统工作原理本系统采用STC89C51单片机作为核心。
控制系统的五个模块分别为:
单片机最小系统、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、无线传输模块。
多路数字抢答器在各种智力竞赛中经常用到。
在各校举行的各种竞赛中我们也经常看到有抢答的环节,举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权,这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。
为解决这个问题,我准备借本次课程设计的机会制作一个八路数显抢答器。
一方面加深我们对所学习的知识的了解,巩固模拟、数字电路知识,也提升我们解决日常生活中常见问题的能力,掌握一般设计方法与设计步骤。
积累实际设计制作经验,为走向更复杂更实用的应用领域奠定基础。
控制系统主要由单片机控制电路、存储器接口电路及显示电路组成。
具体以单片机为系统工作核心,负责控制各个部分协调工作。
在其外围接上了复位电路、上拉电阻、数码管、无线模块、按钮及扬声器,其中用到了KEIL软件,集成调试环境,集成编辑器、编译器、调试器,支持软件模拟等。
同时也用到了PROTEUS软件,通过仿真可完全实现对所设计系统的功能的模拟。
·绪论
单片机作为计算机的一个重要分支,其应用范围很广,发展也很快,它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术,应用范围十分广泛。
对于计算机专业的学生来说,即使暂时没有从事单片机的应用与开发,学习单片机也有很重要的意义。
学习它,不仅为将来可能从事该方面的开发打下基础,另一方面,由于单片机作为微型计算机的一个种类,麻雀虽小,五脏俱全,可以把它当作微型计算机的一个简化模型来看待,学习单片机可以加深对微型计算机工作原理的理解,更加清楚计算机的脉络。
同时,提供了一个实际应用手段。
21世纪,是一个信息技术飞速发展的时代,智力竞赛是一种形式比较活泼的教育方式,是人们休闲娱乐生活的一部分。
这些竞赛一方面充实了人们的娱乐生活,另一方面也提高了人们努力汲取相关领域的知识的兴趣。
智力竞赛,也就是几个参赛选手之间在规定的时间,规定的地点相互竞争的比赛。
抢答是各种竞赛常用的一种形式。
在抢答赛中,往往要有主持人宣布抢答的开始,还要确定是哪个选手抢到了答题权,具体答题的时间有时也要设定。
这些如果仅凭主持人的主观判断,很容易出现误判的情况。
因此,在竞赛中,抢答器就扮演了一个非常重要的角色。
第1章系统设计内容
1.1系统设计依据
抢答器由计数器、寄存器、集成定时器和译码显示等组合、无线传输与接收、时序电路组成。
可分为抢答电路,定时电路,报警电路,无线电路等几个单元部分。
每个单元电路分别可以处理一些抢答竞赛中的基本问题。
本次课程设计设计的是一个多路定时无线抢答器,是一个多于两位选手参赛的一个抢答器,具有锁存和显示功能。
同时有主持人控制系统的清零和抢答的开始。
抢答开始后,若有任何一名选手按动抢答按钮,抢答器就会显示该选手编号直至系统被主持人清零,并有扬声器发出提示,同时其他人再抢答就无效了。
这次设计的抢答器还有自动定时功能,主持人可以设定选手答题的时间。
当主持人启动“开始”键后,定时器会自动减计时,这个会显示在显示器上。
选手只有在抢答时间内抢答才有效,若在答题时间内没有选手答题,时间到时,报警电路就会发出警报亮灯并且禁止抢答。
1.2设计任务和要求
以单片机为核心,设计一个8位竞赛抢答器。
1)抢答器同时供8名选手或2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30s等)。
当主持人启动“开始”按键后,定时器进行减计时,同时扬声器发出短暂的声响,声响持续时间为0.5s左右。
5)参赛选手在设定时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器上显示选手编号和抢答时间,并保持到主持人将系统清除为止。
6)如果定时时间到,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;
7)设计出软件编程方法,并写出源代码;
8)主机与从机实现无线抢答
9)用PROTEUS进行仿真;
10)论文格式要符合学院的统一规定,结构要合符逻辑,表达要得体。
1.3设计目的
通过设计学习单片机最小系统的基本设计方法,掌握单片机应用系统的开发调试过程。
(1)学习单片机开发工具功能、特点和使用方法。
(2)学会单片机控制系统程序的编制和编制和调试方法。
(3)设计单片机抢答器硬件电路,绘制出电路原理图。
(4)编制并调试出键盘扫描程序和显示驱动程序。
(5)掌握单片机定时器的基本用法,编制出定时器的中断程序。
1.4设计要点
根据控制系统的工作原理和执行装置,可以将系统设计分为硬件和软件两大部分。
硬件设计部分,包括编写电路原理图、合理选择元器件、焊接各个元器件,然后对硬件性能进行调试、测试,以达到设计要求。
软件设计部分,首先在设计之前完成系统总框图和确定各个功能模块,然后进行具体设计,包括各模块的流程图,选择合适的编程语言和软件应用程序,进行
编程设计等;最后是通过软件对程序进行调试、测试,以及仿真,以达到性能的最优化。
下面是软硬件设计方法确定的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系,本系统由于是采用51系列单片机,因此使用KeilC语言进行开发。
此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。
本系统软件设计采用模块化系统设计方法,先编写各个功能模块子程序,然后进行组合与调整,经过调试后,可以进行仿真测试,已达到设计功能要求。
为配合软件的灵活设计,硬件电路是采用结构化系统设计方法,该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机,再确定与之配套的外围芯片,使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计可以在焊接元器件之前画出详细电路图,标出芯片的型号、器件参数值,根据电路图在仿真软件上进行调试,发现设计错误时立即修改,高效,准确地完成硬件设计。
第2章硬件设计
2.1系统工作介绍
本系统采用单片机作为整个控制核心。
控制系统主要由:
显示模块、控制模块、报警模块、抢答模块和无线模块组成。
工作时,该系统通过矩阵键盘输入抢答信号,经单片机的处理后,输出控制信号,利用一个4位数码管来完成显示功能并伴随蜂鸣器报警,用按键来让选手进行抢答,在数码管上显示哪一组先答题,从而实现整个抢答过程。
当主持人按下开始键时,向单片机P3.2引脚输入一个低电平信号,表示整个电路开始工作,此时数码管前两位显示选手编号(无人抢答显示00),后两位显示倒计时剩余时间。
若在25秒内仍然无人抢答,蜂鸣器在最后5秒发出连续报警,提示抢答时间快要结束;若在30秒内有人抢答,并且抢答成功,则将选手编号显示在数码管前两位上,后两位显示抢答剩余时间,同时蜂鸣器发出一声报警,提示其他没有抢答的选手此题已被人抢答成功。
若在抢答过程中遇见特殊情况,主持人则可以通过时间加,时间减按键来进行时间调节。
若要开始新的一轮抢答,主持人按下复位键再按开始键即可。
此次用单片机控制的抢答器思路简单明了,可操作性强,可靠性高,扩展功能强,能够完全实现普通抢答器的基本功能。
图2-1单片机抢答器设计方案
2.2单片机控制原理
单片机(SCM)是单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)的简称。
它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上,构成一个完整的微型计算机。
它的最大优点是体积小,可放在仪表内部。
但存储量小,输入输出适配器简单,功能较低。
目前,单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用,早已深深地融入人们的生活中。
简单的说,用单片机系统来设计抢答器,实现两组的抢答时间即使是相差几微秒,也可分辨出哪组优先答题。
P0端口(P0.0-P0.7):
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1端口(P1.0-P1.7):
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高电平,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2端口(P2.0-P2.7):
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3端口(P3.0-P3.7):
P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入端时,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)。
STC89C51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。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C51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。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,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。
另外STC89X51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,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz,6T/12T可选。
图2-2STC89C51单片机引脚图
单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。
片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块。
(一)STC89C51主要功能、性能参数如下:
(1)内置标准51内核,机器周期:
增强型为6时钟,普通型为12时钟;
(2)工作频率范围:
0~40MHZ,相当于普通8051的0~80MHZ;
(3)STC89C51RC对应Flash空间:
4KB;
(4)内部存储器(RAM):
512B;
(5)定时器\计数器:
3个16位;
(6)通用异步通信口(UART)1个;
(7)中断源:
8个;
(8)有ISP(在系统可编程)\IAP(在应用可编程),无需专用编程器\仿真器;
(9)通用I\O口:
32\36个;
(10)工作电压:
3.8~5.5V;
(11)外形封装:
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。
(二)STC89C51单片机的引脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据,而是把端口锁存器的内容读入到内部总线,经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。
这是由硬件自动完成的,不需要我们操心,1然后再实行读引脚操作,否则就可能读入出错,为什么看上面的图,如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1,该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1,也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。
若先执行置1操作,则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入,由于在输入操作时还必须附加一个准备动作,所以这类I/O口被称为准双向口。
89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
(三)STC89C51单片机最小系统:
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件,能使单片机始终处于正常的运行状态。
电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件,可以将最小系统作为应用系统的核心部分,通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等,使单片机完成较复杂的功能。
STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用STC89C52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,结构如图2-3所示,由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图2-3单片机最小系统原理框图
(1)时钟电路
STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生:
一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。
内部时钟方式如图2-4所示。
在STC89C51单片机内部有一振荡电路,只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振),就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振,电容值在5~30pF,典型值为30pF。
晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择,典型值为12MHz和6MHz。
图2-4STC89C51内部时钟电路
(2)复位电路
当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态)。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST(9)端与电源Vcc接通而实现的。
按键手动复位电路见图2-5。
时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF,R取10kΩ。
图2-5STC89C51复位电路
(3)STC89C51中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制,要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求,并作出快速响应、及时处理。
这是由片内的中断系统来实现的。
当中断请求源发出中断请求时,如果中断请求被允许,单片机暂时中止当前正在执行的主程序,转到中断服务处理程序处理中断服务请求。
中断服务处理程序处理完中断服务请求后,再回到原来被中止的程序之处(断点),继续执行被中断的主程序。
图2-6为整个中断响应和处理过程。
如果单片机没有中断系统,单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。
采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象,大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
2.3抢答器的原理
抢答器的工作原理是采用单片机最小系统,用程序查询方式采用动态显示组号。
主持人按下开始抢答键才可以抢答。
主持人没有按下开始抢答按纽(P3.0),有人抢答则抢答违规,报警并显示组号,主持人按下开始抢答开关重新抢答。
主持人按下开始抢答按纽(P3.0),蜂鸣响声提示,数码管30秒倒计时抢答,蜂鸣器响声提示并显示他的组号,30秒内有人抢答则开始60秒倒计时(60秒内必须回答完问题),最后五秒倒计时警报。
单片机最小系统、抢答按键模块(四位并行数码显示)、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、蜂鸣器音频输出模块。
由于仿真中没有无线芯片,所以选手抢答用按键代替如下图:
图2.3抢答器总原理图
2.4功能模块电路
2.4.1开始抢答电路
在此次课程设计电路中当一个问题结束主持人后按下复位开关后进行下一题的准备。
图2.4.1开始抢答电路
2.4.2选手抢答键
89C51的P1口做一个为选手抢答的输入按键引脚,P1.0至P1.7轮流输出低电位,给每一个选手编号1至8,当选手按下按钮时,P1口个端口的电平变化从P1口输入,经单片机处理后从P0输出由数码管显示抢答者编号。
由于仿真中没有无线芯片,所以选手抢答用按键代替如下图:
图2.4.2选手抢答电路
2.4.3显示与显
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- 基于 单片机 无线 八路 抢答 设计 毕业设计
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