1、 论文 （设计） 题目： 基于单片机的八路抢答器设计 学 院： 电子工程学院 专 业： 电子信息工程 学 号： 201212701017 姓 名： 王 鹏 指导老师姓名及职称： 邱森辉 目 录【内容摘要】 .3【关键词】 .3第 1 章 引 言 .41.1 课题研究背景 .41.2 抢答器的介绍 .41.3 研究目标与内容 .5第 2 章 系统总体方案设计 .62.1 系统主要功能 .62.2 系统工作流程 .6第 3 章 系统硬件设计 .73.1 总体设计 .73.2 时钟频率电路的设计 .83.3 键盘扫描电路的设计 .83.4 复位电路的设计 .93.5 发声电路的设计 .103.6 综
2、合 PCB 板的设计 .113.6.1 布局的原则 .113.6.2 布线 .113.6.3 焊盘 .12第 4 章 系统软件设计 .144.1 软件任务分析 .144.2 主程序系统结构图 .144.3 程序流程图 .15第 5 章 系统综合调试 .175.1 系统实现的功能 .175.2 系统运行效果 .17第 6 章 总结 .22致谢 .22参考文献 .22基于单片机的八路抢答器设计专业：电子信息工程 学号：201212701017 学生：王鹏 指导老师：丘森辉【内容摘要】近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测日新月异更新。本文介绍一种用 AT89C51
3、 作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的单片机技术和 C 语言编程设计的 8 路数字抢答器。文章对抢答器的背景与现状、硬件设计、软件设计都做了详细的介绍，使我们不仅元器件的原理及设计有了深入的了解，也对单片机的设计研发过程有了更加深刻的体会。本设计主要采用单片机控制，采用手动抢答的方式，有人抢答后，系统自动封锁其他人的抢答按钮，使其不能再抢答，从而实现抢答功能。该系统还增加了抢答倒计时和答题对错判断功能，另外抢答倒计时的时间可以调整。若有人在主持人按下开始按钮之前按下抢答按钮，系统不会显示选手的号码，只有在开始按钮被按下之后，选手才可以有效的抢答，使抢答达到公平、公开的效果。【关键词】 单片机；
4、抢答器；STC89C51；LCD1602 液晶第 1 章 引 言1.1 课题研究背景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。抢答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，实现起来就更为困难。因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了数码管显示电路实现了其他功能。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。1.2 抢答器的介绍在 2007 年以前，抢答器作为一种竞赛设备，一直没有得到多大的提高，在
5、使用过程中只起到抢答作用，而且在设计上基本是采用模拟电路的方式，抢答的精确度不够高，而且要受到线路和距离的限制。随着电脑的普及率在大幅提高，在新的信息化时代中，各类竞赛活动也发生了一些大的变化，不再是现场主持人念题，选手回答，这种固定的、单调且死板的方式。现场要求有更多互动和更多娱乐的效果。活动的策划者们在不断的思考和在活动环节上进行设计。电脑抢答器的出现解决了策划者们面对的难题，电脑抢答器是以电脑做为操作平台，控制器方面采用了数字电路和单片机的方式和电脑进行通信，这样设计使知识竞赛长期以来固定的模式被打破。活动中出现了更多的设计和新玩法，使知识竞赛走向了新的方向。以电脑做为平台的抢答器系统，
6、可以通过竞赛软件控制抢答器，答题器，记分屏，灯光效果等等。通过知识竞赛软件可以做到各个环节中的题目显示，选手可以通过手中的抢答器抢答，抢答结果会显示在大屏幕上和分数会显示在 LED 记分屏中。选手还能通过答题器对题目进行按键回答，在显示设备上显示出每位选手答题的情况，这样的方式很大程度的提高了比赛的档次和娱乐性。除了电脑抢答器外还有数字电路式、单片机式的抢答器。对数字电路式的抢答器来说电路复杂，且成本偏高，故障率高，显示方式简单，电脑抢答器不够便携。随着单片机的应用不断深入，以单片机为核心的抢答器不断出现。利用单片机的优点，使抢答器具有结构简单、功能强大、性能可靠等特点。1.3 研究目标与内容
7、本系统采用模块化设计抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。主持人有开始和结束、复位键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为 10s，回答问题时间为10s。通过加键和减键修改上述时间，改完后确认键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示选手号和抢答时间倒计时，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。第 2 章 系统总体方案设计2.1 系统主要功能本系统是以单片机为主控芯片的八路抢答器，它包括了 8
8、路抢答按钮、计时显示、倒计时提示、开始与复位控制按钮、加时减时控制按钮。在抢答比赛中八路抢答按钮分别对应一组选手。计时显示以及其他的各种显示功能都由 LCD1602 液晶实现。倒计时即将结束时蜂鸣器会响铃提示。开始、复位、加时、减时按钮都由主持人控制。在主持人按下开始键后才能开始抢答，在抢答时选手的抢答犯规、抢答成功都会视为犯规蜂鸣器持续响并显示在液晶屏幕上。一轮抢答结束之后由主持人按下复位键复位。有 10 秒抢答时间，10 秒内无人抢答则本轮抢答结束，由主持人复位。在倒计时最后 5 秒时，每一秒蜂鸣器都会响铃提示。总结其系统的需求分析如下：1、在抢答时只有主持人按下开始后才能抢答。在此之前前
9、抢答视为犯规。2、可以显示抢答成功的选手和抢答犯规的选手。3、显示倒计时，倒计时将要结束时有响铃提示。4、抢答成功后锁定按键，使其他选手的按键无效。6、主持人复位后进入下一轮抢答。2.2 系统工作流程一次具体的抢答过程如下：主持人按下开始键，进入抢答时间。在此之前有选手抢答判定为犯规，屏幕显示犯规选手编号，主持人按下复位键进入下一轮抢答。进入抢答阶段，有选手率先抢答时倒计时停止，屏幕显示抢答成功的选手编号，并锁定键盘，使其他选手的抢答无效。此时抢答成功的选手进行答题，之后由主持人按复位键进行下一轮抢答。如一直无人抢答，在最后 5 秒倒计时的每一秒会响铃提示，直到倒计时结束还无人抢答，则屏幕显示
10、无人抢答，主持人复位进入下一轮抢答。第 3 章 系统硬件设计3.1 总体设计本设计包含了硬件设计和软件设计两部分，两者紧密结合，不可分离。硬件设计是这个系统运行的基础，没有硬件一切都无从谈起。软件设计是系统正常运转的核心，在硬件的基础上软件控制着系统的运作，实现系统的功能。随着技术的发展，硬件电路的集成度越来越高，各种功能强大的芯片降低了硬件设计的复杂程度。本次设计的总体硬件电路原理图如图 3-1 所示。图 3-1 硬件电路原理图图 3-1 中主控制器为 STC89C52RC 单片机，显示模块为一块集成的 LCD1602 液晶。由于采用并行传输数据，液晶模块的 DB0-DB7 接单片机 P0
11、口。 RS 脚接 P2.0、R/W 脚接P2.1、E 脚接 P2.2。所有的按键全部在接在 P3 口。LS1 为蜂鸣器，作为系统中的响铃提示功能。3.2 时钟频率电路的设计单片机与其他微机一样，它的各种操作都是按着节拍有序的工作的。89C51 内部有一个高增益反响放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为XTAL2，两断跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳点的自己振荡器。时钟电路如图 3-2所示。图 3-2 外部震荡源电路C1 和 C2 通常取 30pF 左右，可以稳定频率并对震荡频率有微调作用 i。震荡脉冲频率范围为 fosc=024MHz，我们所用的震荡频率为 12M
12、Hz。3.3 键盘扫描电路的设计键盘是单片机应用中必不可少的硬件之一，由于其设计方法多种多样，所以在应用系统设计时，应根据整个系统的硬件结构、软件设计等信息综合考虑，设计出稳定可靠、结构紧凑、成本低廉、简单易用、性能优良的人机键盘界面 ii。键盘是进行人机交互的主要设备。在单片机应用中主要是独立键盘和矩阵键盘。其中独立键盘结构简单，程序设计也较为简单，一般用于对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘在硬件结构上较为复杂，程序算法上也比独立键盘复杂得多，但是矩阵键盘更加能够节省端口资源，适合在按键较多的电路中使用。在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有 8 个抢答按键输入，一个开始按键、一
13、个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。按键电路如图 3-3 所示。图 3-3 按键电路在图 3-3 中 8 个抢答按键分别接入单片机的 P1.0P1.7 端口，单片机通过读取 P1.0P1.7 的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个。抢答时间调整和回答时间调整接到单片机的 P3.3 和 P3.4 界面，加一及减一按键接到单片机的 P3.5 和 P3.6 界面。开始及结束按键接到单片机的 10、11 脚，这里用到了单片机 10、11 脚复合功能中的 IO 端口功能，单片机通过读取 10、11 脚的 P3.0、P3.1 的 IO 端口值来判断当前是
14、否处于抢答开始状态或抢答结束状态。按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于 5ms，例如取 10-20ms。如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。3.4 复位电路的设计单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端，只要将该端持续 4 个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机
15、的各状态都恢复到初始化状态，复位电路如图 3-4 所示。图 3-4 复位电路复位电路主要由电解电容 C3、电阻 R1、按键 S1 组成。由于单片机是高电平复位，所以当复位键按下时候，单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢放电，单片机的 9 脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9 脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从 0000H 开始执行。3.5 发声电路的设计蜂鸣器是众多电子产品中常用的发声器件，本设计中也使用蜂鸣器作为发声装置，本设计中的发声电路如图 3-5 所示。图 3-5 发声电路我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高” “低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。
