单片机控制数字抢答器的设计_本科毕业论文.doc

1、1安 徽 机 电 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文单片机控制数字抢答器的设计系 （部） 电气工程系 专 业 机电一体化技术 班 级 机电 3112 班 2摘 要本论文着重介绍了数码显示八路抢答器电路的组成、设计及功能，电路采用51 系列常用集成电路进行设计。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：它采用 74L

2、S148 来实现抢答器的选号，采用 74LS279 芯片实现对号码的锁存，采用 74LS192 实现十进制的减法计数，采用 555 芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能，采用74LS121 单稳态芯片来实现报警信号的输出。通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。关键词: 89C51系列单片机 八路抢答器 编码 译码 定时 报警3目 录摘 要 .2引言 .5第 1 章 绪 论 .61.1 抢答器研究的背景及意义 .61.2 抢答器的分类 .61.3 设计的主要目标任务 .7第 2 章 硬件电路的设计 .82.1 功能要求 .82.2 系统功能框图 .82.3 硬件

3、主要组成电路 .82.4 电路工作的基本原理 .82.5 主控电路的设计 .82.5.1 关于 AT89C51 单片机 .82.5.2 振荡器电路的设计 .102.5.3 复位电路的设计 .112.6 按 键 电 路 的 设 计 .112.7 显 示 电 路 的 设 计 .122.7.1 LED 显示器件简介 .122.7.2 显示部分的设计 .132.8 报警电路的设计 .132.8.1 蜂鸣器的介绍 .132.8.2 报 警 电 路 .142.9 总 电 路 图 .14第 3 章 软 件 的 设 计 .163.1 语 言 选 择 .163.2 软 件 总 体 设 计 .163.3 系统程序

4、 .17第 4 章 仿真及调试 .2844.1 仿真软件介绍 .284.1.1 Proteus 软件介绍 .284.1.2 keil 软件介绍 .284.2 仿真过程 .284.2.1 仿真过程的操作 .28422 仿真结果 .29谢 辞 .31参 考 文 献 .325引 言进入 21 世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们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。人们于是开始寻求一种能不依人的主

5、观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加

6、。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的 74LS 系列集成电路芯片和 555 芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。6第 1 章 绪 论1.1 抢答器研究的背景及意义无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目,都会举办各种各样的智力竞赛,都会用到抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器,但绝大多数是早期设计的,以模拟电路、 数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。这

7、部分抢答器已相当成熟,但功能越多的电路相对来说就越复杂,且成本偏高,故障高,显示方式简单(有的甚至没有显示电路) ,无法判断提前抢按按钮的行为,不便于电路升级换代。近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月异。本设计就是利用微电脑芯片(单片机)作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生,用单片机本身的优势使竞赛真正达到公正、 公平、 公开。1.2 抢答器的分类1.2.1 电 子 抢 答 器图 1-2 电 子 抢 答 器电 子 抢 答 器 的 中 心 构 造 一 般 都 是 由 抢 答 器 由 单 片 机 以 及 外 围 电 路 组 成 ，其 搭 配 的 配

8、件 不 同 又 分 为 ， 非 语 音 非 记 分 抢 答 器 和 语 音 记 分 抢 答 器 。按 钮 多 适 用 于 学 校 和 企 事 业 单 位 举 行 的 简 单 的 抢 答 活 动 。 非 语 音 记 分 抢 答 器 构 造 很 简 单 ， 就 是 一 个 抢 答 器 的 主 机 和 一 个 抢 答 按 钮组 成 ， 在 抢 答 过 程 中 选 手 是 没 有 记 分 的 显 示 屏 。语 音 记 分 抢 答 器 是 有 一 个 抢 答 器 的 主 机 和 主 机 的 显 示 屏 和 选 手 的 记 分 显示 屏 。 1.2.2 电 脑 抢 答 器电 脑 抢 答 器 又 分 为 无

9、 线 电 脑 抢 答 器 和 有 线 电 脑 抢 答 器 。 无 线 电 脑 抢 答 器的 构 成 是 由 ： 主 机 和 抢 答 器 专 用 的 软 件 和 无 线 按 钮 。7图 1-2 无 线 电 脑 抢 答 器 和 有 线 电 脑 抢 答 器无 线 电 脑 抢 答 器 利 用 电 脑 和 投 影 仪 ， 可 以 把 抢 答 气 氛 活 跃 起 来 ， 一 般 多使 用 于 电 台 等 大 型 的 活 动有 线 电 脑 抢 答 器 也 是 由 主 机 和 电 脑 配 合 起 来 ， 电 脑 在 和 投 影 仪 配 合 起 来 ，利 用 专 门 研 发 的 配 套 的 抢 答 器 软 件

10、， 可 以 十 分 完 美 的 表 现 抢 答 的 气 氛 。1.3 设计的主要目标任务通过此次设计，理解抢答器的基本原理，掌握单片机在该系统中的应用，掌握 LED 显示的工作原理，掌握 89C51 的接口分配，并能设计出合理的电原理图，并仿真成功。8第 2 章 硬件电路的设计2.1 功能要求本次设计要求在熟练使用 51 系列单片机的基础上，设计出相关的外围电路，并利用所选用的常用芯片设计出抢答器，要求可通过软件实现调整抢答器的答题或抢答时间，LED 显示器可显示抢答或答题时间的倒计时，在时间快要用尽或者有人犯规的情况下，蜂鸣器可发出声音报警。2.2 系统功能框图图 2-2 系统功能框图开始键

11、按下后，抢答倒计时开始，同时系统扫描选手抢答按钮，选手按下按钮，显示器显示选手号，同时进入答题计时，答题计时结束后，系统自动复位，显示器显示“FFF”。2.3 硬件主要组成电路硬件电路主要由 AT89C51 单片机及其外围电路（包括复位电路、外部晶振）按键电路、显示电路、蜂鸣器报警电路。2.4 电路工作的基本原理整个电路由按键控制，当按下相应的按键时，单片机开始工作，抢答倒计时开始，同时系统扫描选手抢答按钮，选手按下按钮，显示器显示选手号，同时进入答题计时，答题计时结束后，系统自动复位，显示器显示“FFF”。2.5 主控电路的设计2.5.1 关于 AT89C51 单片机AT89C51 是 一

12、种 带 4K 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 （ FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory） 的 低 电 压 ， 高 性能 CMOS 8 位 微 处 理 器 ， 俗 称 单 片 机 。 该 器 件 采 用 ATMEL 高 密 度 非 易 失 存 储器 制 造 技 术 制 造 ， 与 工 业 标 准 的 MCS-51 指 令 集 和 输 出 管 脚 相 兼 容 。 由 于 将9多 功 能 8 位 CPU 和 闪 烁 存 储 器 组 合 在 单 个 芯 片 中 ， ATMEL 的 AT89C51 是 一

13、种 高 效 微 控 制 器 。 AT89C51 单 片 机 为 很 多 嵌 入 式 控 制 系 统 提 供 了 一 种 灵 活 性高 且 价 廉 的 方 案 。其主要特性是与 MCS-51 兼 容 、 4K 字 节 可 编 程 闪 烁 存 储 器 、 寿 命 是1000 写 /擦 循 环 、 数 据 保 留 时 间 10 年 、 全 静 态 工 作 0Hz-24MHz、 三 级 程 序存 储 器 锁 定 、 1288 位 内 部 RAM、 32 可 编 程 I/O 线 、 两 个 16 位 定 时 器 /计数 器 、 5 个 中 断 源 、 可 编 程 串 行 通 道 、 低 功 耗 的 闲

14、置 和 掉 电 模 式 、 片 内 振 荡器 和 时 钟 电 路 ， 其 中 由 于 其 具 有 32 个 I/O 口 ， 可 以 满 足 此 次 设 计 的 需 要 ，不 用 在 其 外 部 扩 展 I/O 口 。管 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 8 个 TTL 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

15、 /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 4 个 TTL 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

16、。 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

17、 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

18、， 它 们 被 内 部 上 拉 为 高 电 平 ， 并 用 作 输入 。P3 口 也 可 作 为 AT89C51 的 一 些 特 殊 功 能 口 ， 如 下 表 所 示 ：各 管 脚 备 选 功 能 ：10P3.0 RXD（ 串 行 输 入 口 ）P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ）P3 口 同 时 为 闪 烁 编 程 和 编 程 校 验 接 收 一 些 控 制 信 号 。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 。/EA/VPP： 当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 此 期 间 访

19、 问 外 部 程 序 存 储 器(0000H-FFFFH)， 不 管 是 否 有 内 部 程 序 存 储 器 。 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 访 问 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 。2.5.2 振荡器电路的设计晶振是晶体振荡器的简称，在电

20、气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般 IC 的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为 15p 或 30p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个 22p 的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。