單片機課程設計基于單片機八路搶答器的設計

1、單片機課程設計題 目 八路搶答器 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 信息工程學院 指導教師 完成時間 目 錄1 課程設計的目的.12 課程設計的任務及要求.13 設計方案.23.1 設計要點 .23.2 硬件設計 .24 設計原理及功能說明.34.1 單片機控制原理 .34.2 搶答器原理 .85 單元電路的設計.85.1 開始搶答電路.85.2 選手搶答電路.95.3 顯示驅(qū)動電路 .96 硬件調(diào)試.107 總結(jié).10參考文獻.12附錄 1：總體原理仿真圖.13附錄 2：元器件清單.14附錄 3：實物圖.15附錄 4：源程序.1611 課程設計的目的通過設計學習單片機最小系統(tǒng)的基本設計

2、方法，掌握單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試過程。（1）學習單片機開發(fā)工具功能、特點和使用方法。（2）學會單片機控制系統(tǒng)程序的編制和編制和調(diào)試方法。（3）設計單片機搶答器硬件電路，繪制出電路原理圖。（4）編制并調(diào)試出鍵盤掃描程序和顯示驅(qū)動程序。（5）掌握單片機定時器的基本用法，編制出定時器的中斷程序。2 課程設計的任務及要求以單片機為核心，設計一個 8 位競賽搶答器。（1）搶答器同時供 8 名選手或 8 個代表隊比賽，分別用 8 個按鈕s0-s7 表示。（2）設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān) s，該開關(guān)由主持人控制。（3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，并在優(yōu)先搶答選手的編號一直

3、保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。（4）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定（如 30s 等） 。當主持人啟動“開始”按鍵后，定時器進行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時間為 0.5s 左右。（5）參賽選手在設定時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手編號和搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。（6）如果定時時間到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示 00；23 設計方案3.1 設計要點根據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和執(zhí)行裝置，可以將系統(tǒng)設計分為硬件和軟件兩大部分。硬件設計部分，包括編寫電路原理圖、合理選擇元器件、焊接各個元器件，然后對

4、硬件性能進行調(diào)試、測試，以達到設計要求。軟件設計部分，首先在設計之前完成系統(tǒng)總框圖和確定各個功能模塊，然后進行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和軟件應用程序，進行編程設計等；最后是通過軟件對程序進行調(diào)試、測試，以及仿真，以達到性能的最優(yōu)化。下面是軟硬件設計方法確定的。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用 51 系列單片機，因此使用 keil c語言進行開發(fā)。此編程工具相比匯編語言具有結(jié)構(gòu)化、適用范圍大、可移植性好等特點。本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化系統(tǒng)設計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，可以進行仿真測試，已達到設計功能要求。

5、為配合軟件的靈活設計，硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，再確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統(tǒng)既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計可以在焊接元器件之前畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真軟件上進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設計錯誤時立即修改，高效，準確地完成硬件設計。3.2 硬件設計本系統(tǒng)采用單片機作為整個控制核心?？刂葡到y(tǒng)主要由：顯示模塊、控制模塊、報警模塊、搶答模塊組成。工作時，該系統(tǒng)通過矩陣鍵盤輸入搶答信號，經(jīng)單片機的處理后，輸出控制信號，利用一個 4 位數(shù)碼管3來完成顯示功能并伴隨蜂鳴器報警，用按鍵來讓選

6、手進行搶答，在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題，從而實現(xiàn)整個搶答過程。當主持人按下開始鍵時，向單片機 p3.2 引腳輸入一個低電平信號，表示整個電路開始工作，此時數(shù)碼管前兩位顯示選手編號（無人搶答顯示 00） ，后兩位顯示倒計時剩余時間。若在 25 秒內(nèi)仍然無人搶答，蜂鳴器在最后 5 秒發(fā)出連續(xù)報警，提示搶答時間快要結(jié)束；若在 30 秒內(nèi)有人搶答，并且搶答成功，則將選手編號顯示在數(shù)碼管前兩位上，后兩位顯示搶答剩余時間，同時蜂鳴器發(fā)出一聲報警，提示其他沒有搶答的選手此題已被人搶答成功。若在搶答過程中遇見特殊情況，主持人則可以通過時間加，時間減按鍵來進行時間調(diào)節(jié)。若要開始新的一輪搶答，主持人按下復位鍵再按

7、開始鍵即可。圖 3-1 單片機搶答器設計方案4 設計原理及功能說明4.1 單片機控制原理單片機（scm）是單片微型計算機（single chip microcomputer）的簡稱。它是把中央處理器 cpu、隨機存儲器 ram、只讀存儲器rom、i/o 接口電路、定時/計數(shù)器以及輸入輸出適配器都集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機。它的最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表內(nèi)部。但存儲量小，輸入輸出適配器簡單，功能較低。目前，單片機4在民用和工業(yè)測控領(lǐng)域得到最廣泛的應用，早已深深地融入人們的生活中。ea/vp31x119x218reset9p37/rd17p36wr16p32/int012p33/

8、int113p34/t 014p35/t 115p101p112p123p134p145p156p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen29ale /p30p31/t xd11p30/rx d10gnd20vcc40u1st c89c52圖 4-1 stc89c51 單片機引腳圖單片機是美國 stc 公司最新推出的一種新型 51 內(nèi)核的單片機。片內(nèi)含有 flash 程序存儲器、sram、uart、spi、pwm 等模塊。（一）stc89c51 主要功能

9、、性能參數(shù)如下：（1）內(nèi)置標準 51 內(nèi)核，機器周期：增強型為 6 時鐘，普通型為 12 時鐘;（2）工作頻率范圍：040mhz，相當于普通 8051 的 080mhz;（3）stc89c51rc 對應 flash 空間：4kb;（4）內(nèi)部存儲器（ram)：512b;（5）定時器計數(shù)器：3 個 16 位；（6）通用異步通信口（uart）1 個；（7）中斷源:8 個；（8）有 isp(在系統(tǒng)可編程）iap(在應用可編程),無需專用編程器仿真器；5（9）通用 io 口：3236 個；（10）工作電壓：3.85.5v；（11）外形封裝：40 腳 pdip、44 腳 plcc 和 pqfp 等。（二）

10、stc89c51 單片機的引腳說明：vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0 口：p0 口為一個 8 位漏級開路雙向 i/o 口，每腳可吸收 8ttl門電流。當 p1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。p0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash 編程時，p0 口作為原碼輸入口，當 fiash 進行校驗時，p0 輸出原碼，此時 p0 外部必須被拉高。 p1 口：p1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 口緩沖器能接收輸出 4ttl 門電流。p1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1 口被外部下拉為低電平時，將輸

11、出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 flash 編程和校驗時，p1 口作為第八位地址接收。 p2 口：p2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 ttl 門電流，當 p2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2 口在 flash編程和校驗時接收

12、高八位地址信號和控制信號。 p3 口：p3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 i/o 口，可接收輸出 4 個 ttl 門電流。當 p3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3 口將輸出電流6（ill）這是由于上拉的緣故。 （三）stc89c51 單片機最小系統(tǒng)：最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、a/d 擴展等，使單片機完成較復雜的功能。stc89c51 是片內(nèi)有 rom/epro

13、m 的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用 stc89c52 單片機構(gòu)成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，結(jié)構(gòu)如圖 4-2 所示，由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。時鐘電路復位電路stc89c51單片機端口圖 4-2 單片機最小系統(tǒng)原理框圖(1) 時鐘電路stc89c51 單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖 4-3 所示。在 stc89c51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的 xtal1(18)和 xtal2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)

14、生時鐘脈沖信號。圖中電容 c1 和 c2 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在 530pf，典型值為 30pf。晶振 cys 的振蕩頻率范圍在1.212mhz 間選擇，典型值為 12mhz 和 6mhz。7圖 4-3 stc89c51 內(nèi)部時鐘電路(2) 復位電路當在 stc89c51 單片機的 rst 引腳引入高電平并保持 2 個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài))。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要 vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現(xiàn)

15、自動上電復位。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過rst(9)端與電源 vcc 接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復位電路見圖 4-4。時鐘頻率用 11.0592mhz 時 c 取 10uf,r 取 10k。啟啟動動復復位位調(diào)調(diào)整整搶搶答答時時間間調(diào)調(diào)整整答答題題時時間間加加減減加加減減圖 4-4 stc89c51 復位電路（3）stc89c51 中斷技術(shù)概述中斷技術(shù)主要用于實時監(jiān)測與控制，要求單片機能及時地響應中斷8請求源提出的服務請求，并作出快速響應、及時處理。這是由片內(nèi)的中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)的。當中斷請求源發(fā)出中斷請求

16、時，如果中斷請求被允許，單片機暫時中止當前正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)到中斷服務處理程序處理中斷服務請求。中斷服務處理程序處理完中斷服務請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷點） ，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。如果單片機沒有中斷系統(tǒng)，單片機的大量時間可能會浪費在查詢是否有服務請求發(fā)生的定時查詢操作上。采用中斷技術(shù)完全消除了單片機在查詢方式中的等待現(xiàn)象，大大地提高了單片機的工作效率和實時性。4.2 搶答器原理搶答器的工作原理是采用單片機最小系統(tǒng)，用程序查詢方式采用動態(tài)顯示組號。主持人按下開始搶答鍵才可以搶答。主持人沒有按下開始搶答按紐（p3.0） ，有人搶答則搶答違規(guī)，報警并顯示組號，主持人按下開始搶答開關(guān)

17、重新?lián)尨?。主持人按下開始搶答按紐（p3.0） ，蜂鳴響聲提示，數(shù)碼管 30 秒倒計時搶答，蜂鳴器響聲提示并顯示他的組號，30 秒內(nèi)有人搶答則開始 60 秒倒計時（60 秒內(nèi)必須回答完問題） 。單片機最小系統(tǒng)、搶答按鍵模塊（四位并行數(shù)碼顯示） 、顯示模塊、顯示驅(qū)動模塊、搶答開關(guān)模塊、蜂鳴器音頻輸出模塊。5 單元電路的設計5.1 開始搶答電路在此次課程設計電路中當一個問題結(jié)束主持人后按下復位開關(guān)后進行下一題的準備。9圖 5-1 開始搶答電路5.2 選手搶答電路89c51 的 p1 口做一個為選手搶答的輸入按鍵引腳，p1.0 至 p1.7 輪流輸出低電位，給每一個選手編號 1 至 8，當選手按下按鈕

18、時，p1 口個端口的電平變化從 p1 口輸入，經(jīng)單片機處理后從 p0 輸出由數(shù)碼管顯示搶答者編號。 圖 5-2 選手搶答電路5.3 顯示驅(qū)動電路此電路包括顯示和驅(qū)動，顯示采用數(shù)碼管，驅(qū)動用 p2 口， 違規(guī)者編號、搶答 30 秒倒計時、正常搶答者編號和回答問題時間 60 秒倒計時，10數(shù)碼管采用動態(tài)顯示。驅(qū)動電路 p2 口，查詢顯示程序利用 p0 口做段選碼口輸出 p2 低 3 位做位選碼輸出，當為低電平則能驅(qū)動數(shù)碼管使其顯示數(shù)字。在+5v 電壓下接 1k 的電阻，保證正常壓降。 圖 5-3 顯示驅(qū)動電路6 硬件調(diào)試軟件的設計與調(diào)試實行分模塊實現(xiàn)的方法。本設計軟件調(diào)試中的分模塊包括顯示功能模塊

19、，調(diào)整時間功能模塊，搶答功能模塊以及報警功能模塊。各個獨立模塊功能調(diào)試成功后，將這些模塊程序通過主程序合并在一起，最后再對合并后的總程序進行調(diào)試。各軟件模塊首先要通過pc 和仿真器進行軟件調(diào)試，當仿真效果符合要求后在燒寫進單片機看是否在實際電路板上正常工作。本設計通過利用 proteus 仿真，將所編寫的程序用 wave 軟件編譯，所仿真原理圖見附錄 1。7 總結(jié)隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機的控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、電子、智能樓宇等行業(yè)。微型計算機作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心，代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。同時樓宇智能化的發(fā)展與成熟，也為基于單片機的照明控制系統(tǒng)的

20、普及與應用11奠定了堅實的基礎。多路數(shù)字搶答器在各種智力競賽中經(jīng)常用到。在各校舉行的各種競賽中我們也經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。為解決這個問題，我準備借本次課程設計的機會制作一個八路數(shù)顯搶答器。一方面加深我們對所學習的知識的了解，鞏固模擬、數(shù)字電路知識，也提升我們解決日常生活中常見問題的能力，掌握一般設計方法與設計步驟。積累實際設計制作經(jīng)驗，為走向更復雜更實用的應用領(lǐng)域奠定基礎。控制系統(tǒng)主要由單片機控制電路、存儲器接口電路及顯示電路組成。具體以 stc89c51 單片機為系統(tǒng)工作核心，負責

21、控制各個部分協(xié)調(diào)工作。在其外圍接上了復位電路、上拉電阻、數(shù)碼管、按鈕及揚聲器，其中用到了 wave 軟件，集成調(diào)試環(huán)境，集成編輯器、編譯器、調(diào)試器，支持軟件模擬等。同時也用到了 proteus軟件，通過仿真可完全實現(xiàn)對所設計系統(tǒng)的功能的模擬。12參考文獻1 康華光,鄒壽彬編.電子技術(shù)基礎數(shù)字部分（第四版）m.北京:高等教育出版社,20052 謝自美編.電子線路設計實驗測試 (第二版) m.上海:電子工業(yè)出版社,20013 何立民.mcs-51 系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)m.北京：北京航空航天大學出版社，1999 年4 陸坤,奚大順,李之權(quán)等,電子設計技術(shù)m.成都:電子科技大學出版

22、社 1997年5 5 胡學海.單片機原理及應用系統(tǒng)設計m.北京：京電子工業(yè)出版社，2005年6 林凌,李剛,丁茹,李小霞.新型單片機接口器件與技術(shù)m.西安:西安電子科技大學出版社,2005 年7 李朝青主編,單片機原理與接口技術(shù).北京航天航空大學出版社，1994 年8 何立民主編,單片機應用與設計.北京航天航空大學出版社,1990 年9 鄒逢興編著,計算機硬件技術(shù)基礎實驗教程高等教育出版社,1994 年10 何立民.mcs-51 系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)m.北京：北京航空航天大學出版社，1999 年13附錄 1：總體原理仿真圖14附錄 2：元器件清單序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1萬用板

23、9*1512單片機stc89c5113四位一體數(shù)碼管共陰極14 芯片插座4p15晶振12m16瓷片電容30p27三極管pnp18蜂鳴器5v19自鎖開關(guān)5v110電阻2.2k111電阻10k112電解電容10f113排阻102114電源插座5v115按鍵1416導線若干17錫焊若干18電源線usb1 15附錄 3：實物圖16附錄 4：源程序void main() init();if(k=0) /主持人按下開始鍵timer();delay(10);while(!k);while(1)dis();m=0;n=0;if(second=10)beep=1;delay(500);beep=0;if(sec

24、ond=0) tr0=0;n=1;if(k=0) beep=1;delay(500);beep=0;second=29;tr0=1;m=1; if(n=0) if(k1=0) delay(5);if(k1=0);while(!k1);t=1; else if(k2=0) delay(5);if(k2=0);while(!k2);t=2;17 else if(k3=0) delay(5);if(k3=0);while(!k2);t=3; else if(k4=0) delay(5);if(k4=0);while(!k2);t=4; else if(k5=0) delay(5);if(k5=0);

25、while(!k2);t=5; else if(k6=0) delay(5);if(k6=0);while(!k2);t=6; else if(k7=0) delay(5);if(k7=0);while(!k2);t=7; else if(k8=0) delay(5);if(k8=0);while(!k2);t=8; else if(k=0) delay(5);if(k=0);while(!k);t=0;i=0;second=29;beep=1;delay(500);beep=0;tr0=1;if(a1=0) /選手 1 的分數(shù)second=score1;dis(); if(m1=0) del

26、ay(5);if(m1=0);while(!m1);beep=1;delay(100);beep=0;score1+=1;if(score1=99)score1=60; else if(m2=0) delay(5);if(m2=0);while(!m2);beep=1;delay(100);beep=0;score1-=1;if(score1=0)score1=60;dis(); else if(a2=0) second=score2;dis();if(m1=0) delay(5);if(m1=0);while(!m1);beep=1;delay(100);beep=0;scor18e2+=1

27、;if(score2=99)score2=60; else if(m2=0) delay(5);if(m2=0);while(!m2);beep=1;delay(100);beep=0;score2-=1;if(score2=0)score2=60;dis(); else if(a3=0)second=score3;dis();if(m1=0) delay(5);if(m1=0);while(!m1);beep=1;delay(100);beep=0;score3+=1;if(score3=99)score3=60; else if(m2=0) delay(5);if(m2=0);while(

28、!m2);beep=1;delay(100);beep=0;score3-=1;if(score3=0)score3=60;second=score3;dis(); else if(a4=0)second=score4;dis(); if(m1=0) delay(5);if(m1=0);while(!m1);beep=1;delay(100);beep=0;score4+=1;if(score4=99)score4=60; else if(m2=0) 19delay(5);if(m2=0);while(!m2);beep=1;delay(100);beep=0;score4-=1;if(sco

29、re4=0)score4=60;second=score4;dis(); else if(a5=0)second=score5;dis();if(m1=0) delay(5);if(m1=0);while(!m1);beep=1;delay(100);beep=0;score5+=1;if(score5=99)score5=60; else if(m2=0) delay(5);if(m2=0);while(!m2);beep=1;delay(100);beep=0;score5-=1;if(score5=0)score5=60;second=score5;dis(); else if(a6=0)second=score6;dis();if(m1=0) delay(5);if(m1=0);while(!m1);beep=1;delay(100);beep=0;sc ore6+=1;if(score6=99)score6=60;else if(m2=0) 20delay(5);if(m2=0);while(!m2);beep=1;delay(100);beep=0;score6-=1;if(score6=0)score6=60; second=score6; dis(); el