帶時(shí)間限制及聲光提示的搶答器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、基于STC89C52單片機(jī)的帶時(shí)間及聲光提示的搶答器設(shè)計(jì)組長：常松 組員：高強(qiáng)摘要：本系統(tǒng)是基于ST89C52單片機(jī)帶時(shí)間和聲光提示的搶答器，它由控制核心ST89C52單片機(jī)、選手按鍵、主持人按鍵、聲光提示和LED數(shù)碼顯示等部分組成。選手按鍵和主持人按鍵均由獨(dú)立按鍵構(gòu)成，采用掃描方式工作；聲光提示部分由無源蜂鳴器提供聲音提示，光提示由發(fā)光二極管提供。LED數(shù)碼顯示部分則是由普通發(fā)光二極管構(gòu)成的數(shù)碼管。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī) 按鍵 無源蜂鳴器 發(fā)光二極管一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)智力競賽搶答器，可同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)參加比賽，編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、8，各用一個(gè)

2、按鈕。（2） 給節(jié)目主持人設(shè)置5個(gè)控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始及各種時(shí)間的調(diào)節(jié)控制。（3） 搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能、顯示功能和聲光提示功能。（4） 主持人可以通過兩個(gè)時(shí)間調(diào)節(jié)鍵來調(diào)節(jié)搶答限制時(shí)間和答題時(shí)間限制時(shí)間。需在主持人按下?lián)尨痖_始后方可開始，且各個(gè)環(huán)節(jié)有相應(yīng)的時(shí)間限制。（5） 顯示部分用LED組成的模擬數(shù)碼管來顯示數(shù)字。二、 方案設(shè)計(jì)與論證 2.1 總體方案設(shè)計(jì)方案一：基于邏輯數(shù)字電路搶答器的設(shè)計(jì)定時(shí)搶答器的總體框圖如下圖2.1所示，它由主體電路和擴(kuò)展兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，能顯示選手的編號(hào)，同時(shí)能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶

3、答。擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答的功能。圖 方案一結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)各部分采用中小規(guī)模集成數(shù)字電路，用機(jī)械開關(guān)按鈕作為控制開關(guān)，完成搶答輸入信號(hào)的觸發(fā)。該方案的特點(diǎn)是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，性能可靠，能方便的完成選手搶答的基本功能，但是由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路連接集成電路相對較多，而且過于復(fù)雜，并且制作過程比較繁瑣，使用不方便。方案二：基于ST89C52單片機(jī)控制的搶答器的設(shè)計(jì)器 搶答器的控制核心是STC89C52單片機(jī)，用查詢式鍵盤進(jìn)行搶答。通過搶答按鍵模塊，連接按鍵進(jìn)行搶答。實(shí)現(xiàn)功能的框圖如下所示，按下開始按鈕，此時(shí)進(jìn)入搶答狀態(tài)，選手的輸入采用掃描式的輸入，之后由相關(guān)的信息由單片機(jī)處理，送到

4、顯示部分顯示。此時(shí)如果有人第一個(gè)按下相應(yīng)的按鍵，經(jīng)過單片機(jī)的處理選擇，顯示相應(yīng)的號(hào)碼，并鎖存，不再響應(yīng)其它按鍵輸入。主持人系統(tǒng)有開始按鍵，限時(shí)開始按鍵，搶答時(shí)間調(diào)節(jié)按鍵，限時(shí)時(shí)間調(diào)節(jié)按鍵。選手系統(tǒng)有搶答按鈕，計(jì)時(shí)顯示，聲光提示等。 ST89C52控制器復(fù)位電路主持人按鍵聲光提示選手按鍵數(shù)碼顯示 圖 方案二結(jié)構(gòu)圖由以上可知，方案一結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，成本過高，而方案二編程簡單，易于制作。所以選用方案二。2.2各個(gè)模塊方案設(shè)計(jì) 核心控制器（1）方案一由CPLD、FPGA來作主控制器。其特點(diǎn)是具有用戶可編程的特性，其可靈活的配置IO端口，方便的進(jìn)行硬件功能設(shè)置。具有靜態(tài)可重復(fù)編程或在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性，使硬件的

5、功能象軟件一樣通過編程來修改，不僅使設(shè)計(jì)修改和產(chǎn)品升級(jí)變得十分方便，而且極大地提高了電子系統(tǒng)的靈活性和通用能力。（2）方案二 由單片機(jī)STC89C52進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash ，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，還可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。編程容易實(shí)現(xiàn)，外圍電路較為簡單。 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，基于成本及控制功能的考慮，最終選擇了STC89C52這個(gè)比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 按鍵模塊（1）方案一 獨(dú)立鍵

6、盤，鍵盤接口中使用多少根IO線，鍵盤中就有幾個(gè)按鍵，這種類型的鍵盤，在按鍵比較少和IO口資源不緊張時(shí)使用。在工作中鍵盤的各個(gè)按鍵互不干擾。因此可以根據(jù)實(shí)際需要對鍵盤中的按鍵靈活的編碼。如圖.1 圖.1 （2）方案二 采用矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點(diǎn)上，編程實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，但占用IO口較少。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)IO口的利用率，適用于按鍵輸入多的情況，如圖.2。圖.2 矩陣鍵盤顯示模塊 （1）方案一 采用點(diǎn)陣組成的LED屏，亮度高而且組裝也容易，但編程復(fù)雜，需要較多的驅(qū)動(dòng)芯片，因而成本高，不適合一般的制作。 （2）

7、方案二 采用普通發(fā)光二極管按一定順序排列構(gòu)成數(shù)碼管，雖然構(gòu)成的LED燈數(shù)目多，但結(jié)構(gòu)還是較簡單，制作也較容易而且單片機(jī)控制也方便，成本也不是很高，因而出于成本和控制的考慮，選用方案二。三、 硬件單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1單片機(jī)控制電路 圖3.1 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)控制部分的電路圖如上，晶振頻率為12M，P0口接上拉電阻。3.2按鍵電路 圖3.2 按鍵電路 按鍵部分如上圖所示，選手按鍵由P1口控制，共有8個(gè)按鍵；主持人按鍵有四個(gè)按鍵，由P3口控制。全部按鍵采用獨(dú)立式鍵盤。3.3聲光提示電路 圖3.3 聲光提示電路 聲音提示部分由無源蜂鳴器和PNP三極管構(gòu)成，給其1個(gè)脈沖，它就會(huì)發(fā)出聲響；光

8、提示部分由發(fā)光二極管和限流電阻構(gòu)成。3.4數(shù)碼顯示電路 圖3.4 數(shù)碼顯示電路 此部分如上圖所示，由140個(gè)發(fā)光二極管和28個(gè)構(gòu)成，每兩列二極管由單片機(jī)的一個(gè)口控制。3.5 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算在軟件編程過用到了定時(shí)/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)/計(jì)數(shù)1，定時(shí)器1控制有人按下?lián)尨鹌鲿r(shí)“嘟”的哪一聲響，其他的則由定時(shí)器0處理。定時(shí)器0和1的定時(shí)溢出時(shí)間都為20毫秒。定時(shí)/計(jì)數(shù)器0和1都工作在方式1，即16加1計(jì)數(shù)器，分為兩個(gè)8位的寄存器，定時(shí)20毫秒的計(jì)算公式為TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256;TH1=(65536-2000)/256;TL1=(65536-200

9、0)%256;TH0和TH1分別表示定時(shí)器0和1在工作方式1時(shí)的高8位寄存器，TL0和TL1則為低8位寄存器，因?yàn)槎〞r(shí)器0和1是加1計(jì)數(shù)器，是一直加到65536溢出，變?yōu)?，所以給寄存器裝入的是和65536相差2000的初值，晶振為12M，12分頻后，頻率為1M，也就是周期為1微秒，即為單片機(jī)每執(zhí)行1條指令所用的時(shí)間，執(zhí)行2000次加1，則就是2000乘以1微秒等于20毫秒。四、 軟件設(shè)計(jì)與流程圖 上電復(fù)位后顯示模塊顯示“F”，程序開始對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。開始搶答后，若沒有選手按動(dòng)搶答按鈕則開始9秒的倒計(jì)時(shí)，直到搶答限制時(shí)間到，進(jìn)入下一輪的搶答。若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，并在顯示模塊選

10、手的編號(hào)，且伴隨聲音提示。在開始鍵沒按下時(shí)，有人按了搶答器，則該人違規(guī)，數(shù)碼管顯示號(hào)碼，與此同時(shí)LED亮，表示有人違規(guī)。其他人再按下時(shí)則不響應(yīng)，優(yōu)先響應(yīng)第一個(gè)。有人違規(guī)及有人搶答時(shí)會(huì)發(fā)出“嘟”的一聲。當(dāng)搶答時(shí)間或答題時(shí)間快到時(shí)會(huì)響3下。程序流程圖如下：開始初始化開始鍵按下？調(diào)時(shí)鍵按下？倒計(jì)時(shí)時(shí)間到選手按鍵按下判斷是哪位選手先按下，顯示選手號(hào)并給出聲音提示選手是否作答？按下復(fù)位鍵加1S選手違規(guī)？聲光報(bào)警并顯示違規(guī)選手號(hào)按開始鍵按下限時(shí)開始鍵開始計(jì)時(shí)時(shí)間到Y(jié)NNYNNYNYY 圖四 程序流程圖 五、 總電路原理圖及元器件清單5.1總原理圖 總原理圖如下： 圖5.1 系統(tǒng)總原理圖5.2 PCB圖圖5

11、.2 系統(tǒng)整體PCB圖5.3 整體電路仿真圖以及仿真結(jié)果分析 仿真開始后，由發(fā)光二極管組成的顯示電路顯示“F”，當(dāng)開始鍵按下后，便開始依次顯示倒計(jì)時(shí)90，如果有選手鍵按下，則顯示是幾號(hào)按下。按下限時(shí)開始鍵后，便是倒計(jì)時(shí)9秒；在開始鍵沒按下時(shí)，有人近按了搶答器，則也顯示違規(guī)的號(hào)碼。有人違規(guī)及有人搶答時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出“嘟”的一聲。當(dāng)搶答時(shí)間或答題時(shí)間快到時(shí)會(huì)響3下。如果不在三極管的基極加上一個(gè)電阻，則單片機(jī)的IO口無法輸出電平，無法控制三極管的導(dǎo)通或截止；當(dāng)三極管的C極和E極反過來時(shí)，LED燈的亮度很暗，這是因?yàn)槿龢O管的反向電流比較小的緣故。 圖5.3 系統(tǒng)仿真圖5.4 元件清單表5-4 帶時(shí)間及聲

12、光提示的搶答器元器件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量/個(gè)用途元件名稱型號(hào)數(shù)量/個(gè)用途單片機(jī)STC89C521控制核心按鍵8選手輸入晶振12M1晶振電路按鍵5主持人輸入，復(fù)位鍵電容30pF2晶振電路排阻10K1上拉電阻電阻10K1復(fù)位電路發(fā)光二極管143電源指示電路，顯示電路電阻2001蜂鳴器控制電路電解電容10uF/16V1復(fù)位電路電阻4702光提示電路電解電容220uF/25V1濾波電路電阻4701電源指示電路六、 安裝與調(diào)試電路使用覆銅板焊接和安裝，由于元器件都安裝在同一面，需要屏蔽掉電阻和三極管等器件；調(diào)試分軟件調(diào)試和硬件調(diào)試，軟件調(diào)試使用Keil軟件，使用該軟件可單步調(diào)試，軟件調(diào)試一般包括分塊調(diào)試

13、和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩個(gè)階段。程序的分塊調(diào)試一般在單片機(jī)開發(fā)板上運(yùn)行，也可配合相應(yīng)的硬件模塊單獨(dú)運(yùn)行某個(gè)程序塊，然后檢查是否正確，如果不是預(yù)期的結(jié)果，可以通過單步運(yùn)行或設(shè)置斷點(diǎn)的方法，查出原因并加以改正，直到結(jié)果正確為止。聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將已調(diào)好的完整的程序在全部的硬件電路上運(yùn)行?？词欠窠Y(jié)果是否正確，如不正確，則檢查軟件是否能實(shí)現(xiàn)所需要的功能，重新修正，直到結(jié)果正確為止。硬件調(diào)試主要檢查電路是否連接正確，在保證電路無錯(cuò)連，開路，斷路的情況下和軟件配合調(diào)試，看是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。七、 性能測試與分析1 上電復(fù)位后，顯示部分顯示字符“F”，按下開始鍵后，有9秒的搶答時(shí)間，如果無人搶答，則恢復(fù)顯示“F”。2 如

14、果上電后沒按開始鍵，這時(shí)如果有人按下?lián)尨鹌?，則是違規(guī)，也顯示違規(guī)的號(hào)碼，與此同時(shí)黃燈亮。3 搶答時(shí)間和限時(shí)時(shí)間由搶答時(shí)間調(diào)節(jié)鍵和限時(shí)時(shí)間調(diào)節(jié)鍵調(diào)節(jié)，可從09調(diào)節(jié)。4 第一個(gè)選手搶答后，單片機(jī)會(huì)鎖存這個(gè)編號(hào)，不再響應(yīng)其他選手的搶答。5 有人搶答成功后，在顯示部分顯示相應(yīng)的號(hào)碼，按下限時(shí)開始鍵，將會(huì)進(jìn)行最大為9秒的倒計(jì)時(shí)。6 開始鍵、答題限時(shí)鍵按下，有人違規(guī)及有人搶答時(shí)會(huì)發(fā)出“嘟”的一聲。7 當(dāng)搶答時(shí)間或答題時(shí)間快到時(shí)會(huì)間斷響3下。 實(shí)物如圖所示。八、 結(jié)論與心得 通過這次課程設(shè)計(jì)，無論是在硬件方面還是軟件方面我都得到了不少的收獲。經(jīng)過這一個(gè)月的努力，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾

15、一度熱情高漲。從開始時(shí)滿盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無不令我回味無長。 多和同學(xué)討論，在做課程設(shè)計(jì)的過程中要不停的討論問題，這樣，可以盡可能的獲取更多的想法，這樣就不會(huì)使自己在做的過程中不會(huì)迷失方向，并且這樣也是為了方便最后程序和硬件結(jié)合在一起。討論不僅是一些思想的問題，還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使處自己處理問題要快一些。在整整一個(gè)月的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，有時(shí)軟件仿真出來了，硬件也不一定可以實(shí)現(xiàn)，只有

16、理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 對我而言，知識(shí)上的收獲重要，結(jié)果不一定是最重要。九、 參考文獻(xiàn) 1楊居義等 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) 北京：清華大學(xué)出版社 2009.9:233-2452Proteus教程電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真/朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩 編著。-北京：清華大學(xué)出版社，2008.9十、 致謝特別感謝我的指導(dǎo)老師彭建盛，在本系統(tǒng)開發(fā)中給予我悉心指導(dǎo)，從系統(tǒng)開發(fā)到結(jié)束中過程遇到很多困難都

17、是他給我鼓勵(lì)與指引，使我能夠克服重重困難，將系統(tǒng)做完成，在此謹(jǐn)向彭建盛老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在班里同學(xué)和朋友，感謝你們在我遇到困難的時(shí)候幫助我，給我支持和鼓勵(lì)，感謝你們，謝謝！十一、 程序清單#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intchar s;uchar num=0;char time=9;/搶答時(shí)間char datitime=9;/答題限時(shí)時(shí)間uint tt,t1;/T0,T1定時(shí)器定一秒bit flag,s_flag=1,b_flag,fall_flag;/標(biāo)

18、志位bit K_startcountflag,K_timecountflag;/時(shí)間調(diào)整標(biāo)志位sbit K0=P30;sbit beep=P37; /蜂鳴器sbit rled=P31;/指示燈sbit K1=P10;sbit K2=P11;sbit K3=P12;sbit K4=P13;sbit K5=P14;sbit K6=P15;sbit K7=P16;sbit K8=P17;sbit K_Time=P32;/答題計(jì)時(shí)鍵sbit K_startcount=P33;/開始搶答時(shí)間調(diào)整鍵sbit K_timecount=P34;/答題計(jì)時(shí)時(shí)間調(diào)整鍵void delay(uchar ms)uch

19、ar y;for(;ms>0;ms-)for(y=120;y>0;y-);uchar code tabledu=0X80,/*0*/ 0Xf2,/*1*/ 0X48,/*2*/ 0X60,/*3*/ 0X32,/*4*/ 0X24,/*5*/ 0X04,/*6*/ 0Xf0,/*7*/ 0X00,/*8*/ 0X20,/*9*/ 0x1c,/*F*/;/共陽數(shù)碼管編碼void T0_Init(void)TMOD=0X01; /定時(shí)器的工作方式TH0=(65536-2000)/256; /定時(shí)20毫秒TL0=(65536-2000)%256;TH1=(65536-2000)/256;

20、TL1=(65536-2000)%256;ET0=1;ET1=1;EA=1;P0=0;void Key_Scan(void)/開始鍵掃描if(K0=0)delay(5);if(K0=0)while(!K0);TR0=1;s=time;tt=0;flag=1;s_flag=1;b_flag=1;num=0;beep=1;rled=1;fall_flag=0;/清除違規(guī)標(biāo)志位K_startcountflag=0;K_timecountflag=0;void Scan(void)/八路熱鍵掃描(哪個(gè)鍵先按下,哪個(gè)優(yōu)先級(jí)最高)if(K1=0)delay(5);if(K1=0)while(!K1);nu

21、m=1;/數(shù)碼管顯示1號(hào)"1"TR0=0;/關(guān)閉定時(shí)器0,時(shí)間停止TR1=1;/打開定時(shí)器1,使揚(yáng)聲器響一聲s_flag=0;/關(guān)閉開始鍵標(biāo)志位,使再按其他七個(gè)鍵不會(huì)響應(yīng)if(K2=0)/下面七個(gè)鍵的處理同上delay(5);if(K2=0)while(!K2);num=2;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;/重要if(K3=0)delay(5);if(K3=0)while(!K3);num=3;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;if(K4=0)delay(5);if(K4=0)while(!K4);num=4;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;if

22、(K5=0)delay(5);if(K5=0)while(!K5);num=5;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;if(K6=0)delay(5);if(K6=0)while(!K6);num=6;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;if(K7=0)delay(5);if(K7=0)while(!K7);num=7;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;if(K8=0)delay(5);if(K8=0)while(!K8);num=8;TR0=0;TR1=1;s_flag=0;void display(void)if(flag=1)/開始鍵按下,開始計(jì)時(shí)搶答if(num!=0

23、)/如果有人搶答,則顯示相應(yīng)的幾號(hào)P2=tabledunum;/顯示幾號(hào)搶到了delay(250); if(K_Time=0) num=0;else/否則沒人搶答,則前面不顯示幾號(hào) delay(2); P2=tabledus; delay(250); else/如果開始鍵沒有按下,則顯示F (若有違規(guī)者,則顯示違規(guī)號(hào)碼)或時(shí)間調(diào)整if(fall_flag=1)/違規(guī)顯示if(num!=0)P2=tabledunum;/顯示幾號(hào)違規(guī)了delay(250);elseP0=0XFF;else/沒有人違規(guī)才顯示調(diào)整時(shí)間if(K_startcountflag=1)P2=tabledutime;delay

24、(250);else if(K_timecountflag=1)P2=tabledudatitime;delay(250);else/否則顯示F P2=tabledu10;delay(250);void Time_Scan(void)/調(diào)整時(shí)間鍵掃描if(K_startcount=0)/搶答時(shí)間調(diào)整delay(5);if(K_startcount=0)while(!K_startcount);time+;if(time=10)time=0;K_startcountflag=1;/將搶答時(shí)間標(biāo)志位置1K_timecountflag=0;/同時(shí)關(guān)閉答題時(shí)間標(biāo)志位if(K_timecount=0)/答題時(shí)間調(diào)整delay(5);if(K_timecount=0)while(!K_timecount);datitime+;if(datitime=10)datitime=0;K_timecountflag=1;K_startcountflag=0;void main(void)T0_Init();while(1)Key