1、基于51单片机的抢答器的设计论文本科学位论文 学生毕业论文（设计）题 目： 基于51单片机的抢答器的设计 毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非
2、赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书
3、、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘要：随着科学技术的发展，人们对科学技术以及知识的学习手段多种
4、多样，而抢答器作为一种工具，已广泛应用于知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的制作复杂，有的可靠性低。且抢答器往往因长期存放而损坏，再购置的及时性就会影响活动的开展，故利用所学设计了本抢答器。本设计是以六路抢答为基本理念。利用80C51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；抢答限定时间和回答问题的时间可在1-99s设定，正确按键后有音乐提示，抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定
5、，在有效状态下，按非法。关键词： 80C51单片机；LED数码管；抢答器；计时器ABSTRACT: With the contious development of science and technology, promote learning science and technology, knowledge of the variety of means. With a tool for Qiangda which has been widely used in all kinds of knowledge contests occasions. But Qiangda is used
6、for frequency, and some production complex or low reliability, and because of the long-term storage (electronic deevices) Qiangda for damage to the purchase of the timelines of activities, The development will be affected, so this Qiangda is designed. This design is six road Qiangda as the basic con
7、cept. Which uses 80C51 microcontroller and extreal interface of Qiangda system, and uses SCM time /countr timing and the number of mind Principe, the software and hardware organically combined, which could allow the right to conduct time. In Qiangda and which only begins after the Qinagda only effec
8、tive, if at the beginning of Qiangda before Qiangda invalid; Qiangda limited time to answer questions and the time can be set in the 1-99 s; , right after the music keys tips; Qiangda time to time and answer questions Dao ji shi, over time, the system automatically reset control and mandatory reduct
9、ion; keys locked in an active state, the key is invalid illegal. Key words: 80C51; alphanumeric display; Qiangda; time alarm目 录摘要 IABSTRACT II第一章 绪论 21.1单片机抢答器的相关背景 21.2 单片机抢答器的意义 21.3 抢答器的应用 2第二章 系统主要硬件及功能介绍 42.1 80C51特殊功能寄存器 42.2 80C51单片机的功能 52.3 80C51单片机 52.4 抢答器的优点和组成 62.5 系统的工作流程 7第三章 硬件电路设计 83
10、.1总体设计 83.1.1总体原理图 83.2按钮输入电路的设计 93.3显示电路的设计 103.4复位电路的设计 103.5 时钟频率的设计 113.6发声 11第四章 软件电路设计 124.1抢答流程图 124.2系统程序 134.2.1 查询程序 144.2.1正常抢答处理程序 154.2.3显示程序 164.2.4 非法抢答处理程序 174.2.5犯规抢答程序 184.2.6 抢答时间调整程序 184.2.7 倒计时程序 204.2.8发声程序 214.2.9加减时间延时 22第五章 调试及性能分析 23结束语 24参考文献 25第一章 绪论1.1单片机抢答器的相关背景抢答器是一种应用
11、非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时等功能，本课题利用8 0 C 5 1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和选手号码。扬声器发生提示。系统达到要求:在抢答中，只有开始后抢答限定时间和回答问题的时间可是在1-99s抢答才有效，如果在开始抢答前抢
12、答为无效；设定；正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。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题的，从而实现整个抢答过程。在知识比赛中， 特别是做抢答题目的时候， 在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，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
13、相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用80C51单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、语音模块、抢答开关模块。该抢答器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。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
14、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，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构。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）、现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。（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
15、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）、电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第二章 系统主要硬件及功能介绍2.1 80C51特殊功能寄存器特殊功能寄存器是80C51单片机中各功能部件对应的寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令，状态或数据。它是80C51单片机中最具有特色的部分，现在几乎所有80C51系列功能的增加和扩展都是通
16、过增加特殊功能寄存器来达到目的的。英文缩写为SFR，对于80C51系列中的80C51，共定义了21个特殊功能寄存器，如表2-1所示。表2-1MCS51单片机的特殊功能寄存器符号地址功能介绍BF0HB寄存器AccE0H累加器PswD0H程序状态存储器IpB8H中断优先级控制寄存器P3B0HP3口锁存器IeA8H中断允许控制寄存器P2A0HP2口锁存器SBUF99H串行口锁存器SCON98H串行口控制寄存器P190HP1口锁存器TH18DH定时器/计数器1（高8位）TH08CH定时器/计数器0（高8位）TL18BH定时器/计数器1（低8位）TL08AH定时器/计数器0（低8位）TMOD89HT0、
17、T1定时器/计数器方式控制寄存器Tcon88HT0、T1定时器/计数器控制寄存器DPH83H数据地址指针（高8位）DPL82H数据地址指针（低8位）SP81H堆栈指针P080HP0口锁存器2.2 80C51单片机的功能80C51单片机内部由CPU、4KB的ROM ，256B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。单片微机内部最核心的部分是CPU。CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译
18、码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。其功能框图如2-2所示。 图2-2 80C51单片机的基本组成结构2.3 80C51单片机80C51是一种低功耗、高性能的存储器，80C51采用了CMOS技术制造而成，且保留了MCS-51单片机的所有特性，内部组成基本相同，但却比MCS-51系列集成度高，速度快，功耗低，并增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。其最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现单片机完善的控制功能。（
19、1）80C51单片机的主要性能包括：片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器，主电源引脚为VCC和VSS，VCC是电源端，工作电源和编程校验是+5V。VSS是接地端。80C51的存储组织结构可以分为3个不同的存储空间，分别是64KB程序存储器（ROM）包括片内ROM和片外ROM；64KB外部数据存储器（外RAM）；256B内部数据存储器（内RAM）。中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。（2）80C51单片机的I/O口：P0、P1、P2和P3。P0口（P0.0-P0.7）是一个8位漏极开路型的双向I/O口。第2功能是在访问外部存
20、储器时，分别提供低8位地址线和8位双向数据总线。在对片内ROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。P1口（P1.0-P1.7）：是一个内部带提升电阻的准双向I/O口。在对片内ROM编程校验时，P1口用于接收低8位地址信号。P2口（P2.0-P2.7）：是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。第2功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址信号。在对片内ROM进行编程和校验时，P2口用作接收高8位地址和控制信号。P3口（P3.0-P3.7）：是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。在系统中，这8个引脚都有各自的第2功能。引脚如图2-3所示图2-3 40引脚双列直插封装图2.4 抢答器的
21、优点和组成在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，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，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用AT89C51单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、语音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过开关电路六个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；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
22、抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制数码管和语音芯片工作。在数码管上显示哪一组先答题，并通过语音系统读出第N组请答题，从而实现整个抢答过程。2.5 系统的工作流程抢答器的基本工作原理:在抢答竞赛时，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、语音电路等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，基本流程如下：1、如果想调节抢答时间或答题时间,按加一键或减一键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或
23、回答时间值,如想加一秒按一下加1s键,如果想减一秒按一下减1s键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为099s, 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。2、主持人按抢答开始键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设15s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设10s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按停止按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按抢答开始进入下次抢答计时。4、如果主持人未按抢答开始键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个
24、不停，直到按下停止 键为止。第三章 硬件电路设计3.1总体设计本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。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，
25、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80C51单片机。(4) 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。3.1.1总体原理图如图3-
26、1-1，P1.0为开始抢答，P1.7为停止，P1.1-P1.6为六路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。P3.2为时间加1调整，P3.3为时间减1调整。图图3-1-1 系统原理图3.2按钮输入电路的设计抢答器的输入按钮使用常开开关，如图3-2所示。图3-2 抢答按键这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就可以了。这里采用最常用的方法即延时法，其的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里取10ms
27、)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。3.3显示电路的设计显示电路使用了七段数码管7SEG-MPX4-CC，它是共阴极的，由高电平点亮。如图3-1-3所示。图3-3 显示数码管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,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图2-3-2所示:图3-1-2复位电路在方案中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位可使寄存器及存储器的值都恢复到初始值,而前面的功能提到了倒计时间需要有记忆功能,该功能实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能
28、。软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就可以了。这里采用最常用的方法即延时法，其的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里取10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。3.5 时钟频率的设计单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部
29、的各个单元,决定单片机的工作速度。图3-5外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。单片机在工作时,由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。电路中两个电容 C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C1,C2的典型值为30PF。3.6发声这里能利用程序来控制单片机P3.6口线反复输出高电平或低电平，即在该口线上产生一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出一定频率的声音，再利用延时程序控制“高”“低”电平
30、的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使扬声器发出不同的声音。第四章 软件电路设计4.1抢答流程图流程图是使用图形表示算法的思路是一种极好的方法，不论采用何种程序设计方法，程序总体结构确定后，一般以程序流程图的形式对其进行描述。总体框图中的各个子模块或各个子任务也应该结合具体的教学模型和算法画出较详细的程序流程图，供后面编写具体程序和阅读程序使用。流程图是由一些图框和流程线组成的，其中图框表示各种操作的类型，图框中的文字和符号表示操作的内容，流程线表示操作的先后次序。流程图的基本结构为顺序结构，分支结构（又称选择结构），循环结构。为便于识别，绘制流程图的习惯做法是：方框表示：要执行的处理
31、（Process）平行四边型表示：代表资料输入（Input） 不规则图形代表资料输出（Output）或报表输出（Print） 菱形表示：决策或判断（例如：If.Then.Else） 4.2系统程序P1.0为开始抢答，P1.7为停止，p1.1-p1.6为六路抢答输入数码管段选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.6口。程序代码如下：OK EQU 20H ;抢答开始标志位 RING EQU 22H ;响铃标志位 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0SUB ORG 000BH AJMP T0INT ORG 0013H AJMP INT1SUB ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040HMAIN: MOV R1,#0FH ;初设抢答时间为15s MOV R2,#0AH ;初设答题时间为10s MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0
