搶答系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)原理及接口課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 搶答系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)名稱： 電子信息工程 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 2014年 1月?lián)尨鹣到y(tǒng)設(shè)計(jì) * （信息工程學(xué)院） 摘要：本文介紹基于單片機(jī)的6人搶答器設(shè)計(jì)，采用AT89C51單片機(jī)，用中斷方式，獨(dú)立式鍵盤掃描，哪個(gè)按鍵先按下，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示該號(hào)碼，并且閃爍5次，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，之后所有數(shù)碼管亮該號(hào)碼，經(jīng)過調(diào)試使得系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該設(shè)計(jì)的不足之處就是按鍵不夠靈敏，優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，功能齊全，操作方便。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；搶答器；中斷1 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)本設(shè)計(jì)主要是在proteus+keil軟件仿真軟件設(shè)計(jì)的一種基于51系列單片機(jī)的一種六位

2、的搶答器。六路搶答器有六個(gè)搶答按鈕，分別為按鍵K1、K2、K3、K4、K5、K6，一個(gè)主持人控制的復(fù)位按鈕K0。在無人搶答時(shí)，6只數(shù)碼管輪流循環(huán)顯示16?；疽螅褐谱饕粋€(gè)6人搶答器，以開關(guān)中的某個(gè)開關(guān)的按下（閉合）作為搶答按鍵。無人搶答時(shí)，6只數(shù)碼管輪流循環(huán)顯示16（跑馬），誰先搶答，數(shù)碼管停止跑馬，6個(gè)數(shù)碼管同時(shí)亮誰的編號(hào)，其后再有人按鍵，系統(tǒng)不予響應(yīng)，直到復(fù)位鍵按下，開始下一輪搶答。擴(kuò)展部分：誰先按下，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管亮5次搶答人的編號(hào)，并發(fā)出聲音提示。1.2 設(shè)計(jì)環(huán)境Win7 Keil uVison4 Proteus7.8 普中科技單片機(jī)開發(fā)試驗(yàn)儀2.22 方案論證2.1 按鍵選擇方案1：

3、用獨(dú)立的外接按鍵 方案2：用矩陣鍵盤鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)中通用的輸入設(shè)備，用于向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或控制信息。常用的鍵盤有兩種，分別是獨(dú)立鍵盤和矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤相對(duì)其更加靈敏，并且可擴(kuò)展更多按鍵，適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。獨(dú)立式鍵盤接口電路，它的硬件電路和軟件編程都比較簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占一根I/O口線，在按鍵個(gè)數(shù)較多時(shí)，I/O口線資源浪費(fèi)較大, 故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用該電路。本設(shè)計(jì)所需要的搶答鍵只要6個(gè)，也不算多，雖然矩陣式鍵盤有其較高的靈敏性，但從簡(jiǎn)單編程的角度出發(fā)，最終還是選擇獨(dú)立式鍵盤。2.2 搶答器顯示模塊方案一：采用液晶屏顯示組別號(hào)碼，LCD具有低功耗，畫面效果好，分辨率高等特點(diǎn)，

4、但由于只需顯示組別數(shù)字，信息亮較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各符號(hào)，編程工作量大，成本高方案二：使用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管具有耐老化，防曬等特點(diǎn)，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)精確度高，操作簡(jiǎn)單，采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，價(jià)格便宜等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多數(shù)場(chǎng)合中。本設(shè)計(jì)只需顯示組別，顯示簡(jiǎn)單，通過論證，采用方案二。數(shù)碼管的顯示可分為兩種：動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示的段選和位選均單獨(dú)連接，所以占用的I/O口較多，本設(shè)計(jì)由于用到較多的數(shù)碼管，采用靜態(tài)顯示方式，將所有LED的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)八位IO口控制，而位選線分別由相應(yīng)的IO口線控制。要想每位顯示不同的字符，必須采用動(dòng)態(tài)掃描

5、顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間，位選控制IO口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平、共陽(yáng)極送高電平）以保證該位顯示相應(yīng)字符，段選控制IO口輸出相應(yīng)字符段選碼。如此輪流，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符，并保持延時(shí)一段時(shí)間，以造成視覺暫留效果。不斷循環(huán)送出相應(yīng)的段選碼、位選碼，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。由人眼的視覺特性，每一位LED在一秒鐘內(nèi)點(diǎn)亮不少于30次，其效果和一直點(diǎn)亮相差不多。本設(shè)計(jì)采用共陰型數(shù)碼管，引腳圖2-2所示。 圖2-2 數(shù)碼管引腳2.3 蜂鳴器模塊蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、汽車電子設(shè)備、

6、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來放大電流就可以了。如圖2-3所示。 圖2-3 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)模塊2.4 中斷1）、MCS51系列中不同型號(hào)單片機(jī)的中斷源數(shù)量是不同的（511個(gè)），最典型的8051單片機(jī)有5個(gè)中斷源（外部中斷0、1，內(nèi)部定時(shí)器中斷0、1，串口中斷），具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。與中斷系統(tǒng)有關(guān)的特殊功能寄存器有中斷允許寄存器IE、中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP、中斷控制寄存器TCON和SCON中有關(guān)位。MCS51單片機(jī)基本的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。 2）、中斷控制寄存器TCO

7、N的各位（可位尋址）： IT0 0，外部中斷0程控為電平觸發(fā)方式，當(dāng)P3.2輸入低電平時(shí)，置位IE0。IT0 1，外部中斷0程控為邊沿觸發(fā)方式，相繼的兩次采樣，一個(gè)周期中采樣到為高電平，接著的下個(gè)周期中采樣到為低電平，則置1 IE0。3） 、中斷允許寄存器IE MCS51的CPU對(duì)中斷源的開放或屏蔽，即每一個(gè)中斷源是否被允許中斷，是由內(nèi)部的中斷允許寄存器IE（IE為特殊功能寄存器，它的字節(jié)地址A8H，可位尋址）控制的，其格式如下：4） 、在 CPU接收到同樣優(yōu)先級(jí)的幾個(gè)中斷請(qǐng)求源時(shí)，一個(gè)內(nèi)部的硬件查詢序列確定優(yōu)先服務(wù)于哪一個(gè)中斷申請(qǐng)，這樣在同一個(gè)優(yōu)先級(jí)里，由查詢序列確定了優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)先級(jí)別

8、排列如下（最高到最低）：外部中斷0定時(shí)器T0中斷外部中斷1定時(shí)器T1中斷串行口中斷5） 、中斷服務(wù)程序及例程 使用MCS51的中斷，要為使用到的中斷源編寫中斷服務(wù)程序。C51為中斷服務(wù)程序的編寫提供了方便的方法。C51的中斷服務(wù)程序是一種特殊的函數(shù)，它的說明形式為：void 函數(shù)名(void) interrupt n using m 函數(shù)體語(yǔ)句 這里，interrupt和using是為編寫C51中斷服務(wù)程序而引入的關(guān)鍵字，interrupt表示該函數(shù)是一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，interrupt后的整數(shù)n表示該中斷服務(wù)函數(shù)是對(duì)應(yīng)哪一個(gè)中斷源。 每個(gè)中斷源都有系統(tǒng)指定的中斷編號(hào)：外部中斷0 中斷編號(hào)為0

9、；定時(shí)器T0中斷編號(hào)為1； 外部中斷1中斷編號(hào)為2；定時(shí)器T1中斷編號(hào)為3；串行口中斷中斷編號(hào)為4； using指定該中斷服務(wù)程序要使用的工作寄存器組號(hào)，m為03。關(guān)鍵字interrupt和using只能用于中斷服務(wù)函數(shù)的說明而不能用于其它函數(shù)。程序中的任何函數(shù)都不能調(diào)用中斷服務(wù)函數(shù)，中斷服務(wù)函數(shù)是由系統(tǒng)調(diào)用的。3 硬件設(shè)計(jì)電路包括以下六個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)，晶振電路，搶答按鍵電路，6位數(shù)碼管顯示，復(fù)位開關(guān)電路及聲音提示電路。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)復(fù)位開關(guān)，但是只是內(nèi)部自帶的，而設(shè)計(jì)的要求就是自編程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)位功能，所以還得附加一個(gè)復(fù)位開關(guān)電路。圖3-0 總設(shè)計(jì)框圖3.1 AT89C51控制電路AT89C5

10、1是最常用的單片機(jī)芯片，該芯片有40個(gè)引腳，其中P0P3為數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，XTAL1和 XTAL2用于外接晶體；RESET用于復(fù)位信號(hào)輸入；ALE是地址鎖存允許控制位，其輸出頻率是時(shí)鐘振蕩頻率的16；，程序存儲(chǔ)器允許；，該引腳的接法決定著程序存儲(chǔ)器的00000FFFH 這4KB地址范圍是在單片機(jī)內(nèi)部還是外部。 圖3-1 時(shí)鐘電路MCS-51系列單片機(jī)有四組8位并行I/O口，記作P0、P1、P2和P3。每組I/O口內(nèi)部都有8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器、8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器及數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)等電路。當(dāng)系統(tǒng)沒有擴(kuò)展外部器件時(shí)，I/O端口用作雙向輸入輸出口；當(dāng)系統(tǒng)作外部擴(kuò)展時(shí)，使用P0、P2口作系統(tǒng)地址和數(shù)據(jù)總線

11、、P3口有第二功能，與MCS-51的內(nèi)部功能器件配合使用。本設(shè)計(jì)中各引腳接法如下：P0口外接LED顯示屏用于顯示；由于P0 口內(nèi)部無上拉電阻, 為保證按鍵斷開時(shí)I/O口線有確定的高電平, 所以在P0 口外部要接上拉限流電阻。P0口接的是段選；P1口的6個(gè)端口分別與6個(gè)BUTTON按鍵相連，所以在編程的時(shí)候要分別定義；P2口接位選；P3.2接復(fù)位鍵，另一端接地，所以是低電平有效；P3.7與揚(yáng)聲器相連；如圖3-1所示的單片機(jī)模塊里面左上部分的電路構(gòu)成晶振電路，于產(chǎn)生時(shí)鐘頻率；左半邊的中間電路是復(fù)位電路，采用了手動(dòng)復(fù)位與自動(dòng)上電復(fù)位結(jié)合的形式，復(fù)位可靠，電路簡(jiǎn)單；復(fù)位信號(hào)是系統(tǒng)內(nèi)部初始化所需的，當(dāng)系

12、統(tǒng)加電開始工作時(shí)，或工作過程中出現(xiàn)故障無法正常工作時(shí)，都需要復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)能重新開始工作。此設(shè)計(jì)采用片內(nèi)RAM空間，故電路里將ALE和引腳懸空處理，將 接地。 4 軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)基本思路：當(dāng)運(yùn)行開關(guān)一打開， 6只數(shù)碼管輪流循環(huán)顯示16，開始循環(huán)跑馬，接著就開始判斷是否有人搶答，所以就要設(shè)計(jì)跑馬的程序，并在跑馬里面就要添加鍵盤掃描語(yǔ)句。判斷是否有人搶答，為了不能重復(fù)搶答所以得添加一個(gè)標(biāo)志位flag禁止在他人搶答的基礎(chǔ)上再次搶答?；竟δ芫褪窃趽尨鸷?個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示搶答者的號(hào)碼，將位選設(shè)為全部顯示即可。擴(kuò)展功能就是搶答后在相應(yīng)的位管顯示相應(yīng)的號(hào)碼及聲音提示，所以只要分別給為選和段選送相應(yīng)的位碼，

13、并連接一個(gè)揚(yáng)聲器在有人搶答的時(shí)候取反即可。 圖9 搶答程序流程圖4.1 亮滅變化聲音提示設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管亮5次搶答人的編號(hào)，并發(fā)出聲音提示。在子函數(shù)void display（）里面，beep就是揚(yáng)聲器，高電平就能發(fā)出聲音提示。先送位選，并用for語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)5次循環(huán)，剛開始段選為0，即滅，在每一次for語(yǔ)句的循環(huán)里面都是實(shí)行一滅一亮，所以只要5次。程序如下14void display() P2=weinum; for(c=0;c5;c+) beep=0; P0=0x00; delay(500); beep=1; P0=duannum; delay(500); flag1=1; while(flag

14、1) P2=weinum; P0=duannum; delay(10); 4.2 搶答按鍵電路及復(fù)位按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵是一個(gè)機(jī)械開關(guān)，鍵的按下和放開是利用機(jī)械觸點(diǎn)的閉合和斷開來實(shí)現(xiàn)的。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合及斷開瞬間均有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為510ms。為了確保按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，必須消除抖動(dòng)的影響。 在本設(shè)計(jì)中，定義了子函數(shù)scan()進(jìn)行鍵盤掃描，并對(duì)K1到K6的搶答按鍵都進(jìn)行了消抖和鎖存編程，那個(gè)鍵按下就賦值對(duì)應(yīng)的按鍵數(shù)，避免受其他按鍵按下的影響，其實(shí)就相當(dāng)于鎖存起的功能，部分程序如下：if(K1=0) delay(10); if(K1

15、=0) while(K1); num=0; flag=0; 復(fù)位按鍵就只有K0，復(fù)位的目的就是將前面運(yùn)行的結(jié)果清零，并從頭開始跑馬，所以要進(jìn)行復(fù)位鍵是否按下的判斷，如果按下，就顯示搶答的號(hào)碼。在按鍵掃描的時(shí)候要進(jìn)行判斷，哪個(gè)鍵先按下，哪個(gè)優(yōu)先級(jí)就最高，避免顯示多人同時(shí)搶答。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要設(shè)置一個(gè)搶答標(biāo)志位flag，一開始跑馬的時(shí)候flag=1表示可以開始搶答，而當(dāng)有搶答鍵按下的時(shí)候就flag=0關(guān)掉開始搶答標(biāo)志，使得按其他5個(gè)搶答鍵系統(tǒng)都不會(huì)響應(yīng)。外部中斷0控制復(fù)位，定義的num是為了防止其他按鍵的影響，掃描按鍵程序就相當(dāng)于一個(gè)鎖存器，誰按下就把對(duì)應(yīng)的數(shù)字鎖存起來，除非有復(fù)位鍵按下使系統(tǒng)

16、又可以重新開始搶答。5 功能調(diào)試及結(jié)果分析（1） 調(diào)試方法：利用Keil軟件和proteus軟件分別編寫程序和設(shè)計(jì)電路并運(yùn)行。（2）調(diào)試結(jié)果：通過仿真調(diào)試和改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了跑馬，搶答，復(fù)位的功能，改變延時(shí)的參數(shù)，使得數(shù)碼管顯示和跑馬有序，延遲的時(shí)間越小，其送位選的速度就越快。（3）結(jié)果分析：經(jīng)過調(diào)節(jié)及更改程序里面的延遲函數(shù)參數(shù)，使得數(shù)碼管的顯示更加有序，并達(dá)到了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。不過搶答器的按鍵有時(shí)候不是很靈敏，這主要是與程序里面的延時(shí)函數(shù)有關(guān)，當(dāng)運(yùn)行延時(shí)程序時(shí)，按鍵不能檢測(cè)，所以應(yīng)盡量減小延時(shí)。 （4）調(diào)試現(xiàn)象基本要求：當(dāng)電源開始鍵按下的時(shí)候，搶答器就開始從16跑馬，當(dāng)K3按下的時(shí)候，6位數(shù)碼管全顯示3

17、。若有人再搶答系統(tǒng)也不會(huì)給予響應(yīng)，直到復(fù)位鍵按下。 擴(kuò)展要求：當(dāng)K5按下的時(shí)候，第五位數(shù)碼管就開始閃爍，先滅后亮，最后停在5。若有人再搶答系統(tǒng)也不會(huì)給予響應(yīng)，直到復(fù)位鍵按下，又開始下一輪的跑馬搶答。 圖5-0 proteus 電路連接6硬件仿真使用普中科技單片機(jī)試驗(yàn)儀2.2進(jìn)行仿真，P0（JP10）控制數(shù)碼管的段選（JP12），P2控制數(shù)碼管的位選（JP16），P1.0P1.5接留個(gè)獨(dú)立按鍵，P3.7控制蜂鳴器，實(shí)驗(yàn)電路圖如圖5-0，連接圖如圖6-0所示。 圖6-0 實(shí)驗(yàn)連接圖 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和軟件仿真一樣，見附錄的視頻。7 設(shè)計(jì)總結(jié)7.1該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）使用簡(jiǎn)單的元器件，簡(jiǎn)易的程序就可以實(shí)現(xiàn)搶答

18、，聲音提示及復(fù)位的功能。（2）使用子函數(shù)使得主程序更加明了簡(jiǎn)潔。由于程序里多次要進(jìn)行按鍵掃描，判斷是否有人搶答，而按鍵掃描又要消抖，又有6個(gè)，語(yǔ)句比較長(zhǎng)，所以調(diào)用子函數(shù)顯得很有必要。（3）只需要通過允許搶答標(biāo)志位的設(shè)定可以使搶答器實(shí)現(xiàn)有一人搶答后，系統(tǒng)不再響應(yīng)他人的搶答。7.2該系統(tǒng)的缺點(diǎn)（1）由于循環(huán)語(yǔ)句程序中的延時(shí)的使用，導(dǎo)致?lián)尨鸢存I顯示電路在搶答的時(shí)候，會(huì)有延時(shí)效應(yīng)，導(dǎo)致?lián)尨疰I一按下，不能立馬顯示有人搶答。雖然盡量減小和減少延時(shí)可以使得搶答按鍵更加靈敏，但是在循環(huán)送數(shù)顯示的時(shí)候，還是要設(shè)定一個(gè)合適的值，使得閃爍顯示和跑馬能夠逐一顯示，不然設(shè)置小了，跑馬就會(huì)更快。（2）中斷只能在搶答結(jié)束，

19、按下復(fù)位鍵才復(fù)位，不是很實(shí)用，沒有做到隨時(shí)按下隨時(shí)復(fù)位。8設(shè)計(jì)心得 本設(shè)計(jì)在深入理解單片機(jī)原理的基礎(chǔ)理論上，主要設(shè)計(jì)了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的模塊，最終實(shí)現(xiàn)了搶答器的功能。在這次課程設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，更加鞏固了知識(shí)和對(duì)理論有了更深的理解，在設(shè)計(jì)程序之前，要有一個(gè)較為清晰的思路和程序流程圖，不能妄想一次就做好整個(gè)程序，而要一個(gè)一個(gè)模塊的去實(shí)現(xiàn)功能，最后經(jīng)過反復(fù)的修改，整合成整個(gè)程序。在設(shè)計(jì)過程中，掌握了分析單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，調(diào)試簡(jiǎn)單C51程序以及撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告的能力提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，做到將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中。程序編寫的過程其實(shí)就是不斷修正的過程，編出來

20、的東西有時(shí)候不一定能實(shí)現(xiàn)最終的功能，都要通過修改運(yùn)行才能看到最終結(jié)果。附錄程序：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar duan=0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d; /數(shù)字16 uchar wei=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf; /位選sbit k1=P10; /定義按鍵K1K6sbit k2=P11;sbit k3=P12;sbit k4=P13;sbit k5=P14;sbit k6=P15;sbit beep=P37; /蜂鳴器位定義uint i,j,num,a,b,c,k;uchar flag=1,flag1=1; void delay(uint z) /延時(shí)函數(shù) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);void scan()/鍵盤掃描；送搶答號(hào)，不允許再次搶答 if(k1=0) delay(30); if(k1=0) while(k1); num=0;flag=0; if(k2=0) delay(30); if(k2=0) wh