單片機與八人搶答器仿真設計與制作

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業(yè)摘 要本文介紹了數(shù)碼顯示八路搶答器電路的組成、設計及功能，該搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有計時和報警的功能。主持人通過時間預設開關預設供搶答的時間，系統(tǒng)將完成自動倒計時。若在規(guī)定的時間有人搶答，則計時將自動停止，若在規(guī)定的時間無人搶答，則系統(tǒng)中的蜂鳴器將發(fā)響，提示主持人本輪搶答無效，實現(xiàn)報警功能，若超過搶答時間則搶答無效。關鍵詞：蜂鳴器 報警 計時 STC89C51ABSTRACTThis article introduces the composition, design and function of the digital displ

2、ay eight-channel answering machine. In addition to the basic answering function, the answering device also has the functions of timing and alarm. The host uses the time preset switch to preset the time for the answer, and the system will complete the automatic countdown. If there is someone answerin

3、g at the specified time, the timing will stop automatically. If there is no answering at the specified time, the buzzer in the system will sound to remind the host that the current round of answering is invalid and realize the alarm function. The answer is invalid.Keywords：Buzzer, Alarm, Timing , ST

4、C89C511.概 述隨著社會的不斷進步,電子技術也飛速的向前發(fā)展.特別是大規(guī)模集成電路的發(fā)展,把我們帶進了電子化時代。電子產(chǎn)品的日益增多,也讓我們的生活越來越方便。特別是計算機的發(fā)展，真可謂是突飛猛進。自從1946年世界上第一臺計算機的誕生以來，還不到六十年的時間，計算機就取得了舉世矚目的成績。特別是在通信領域，實現(xiàn)了信息一體化的時代。作為大學生的我們，更需要加強實踐能力的培養(yǎng)。畢業(yè)設計在一定程度上反映了我們對理論知識的理解程度，是理論與實踐的橋梁。它不僅能鍛煉我們的動手能力，而且能夠培養(yǎng)我們對問題的思考能力以及對知識的進一步了解。當你能把你所學到知識化作為現(xiàn)實的東西時，我們能力就提升到一個

5、新臺階。很多人都認為學習是枯燥無味的，有時覺得與現(xiàn)實太遙遠。在學習之余，我們?nèi)匀豢梢哉业揭稽c有趣的事情，比如說做一個聲控燈泡、數(shù)字鐘等等。生活中我們要找到自己感興趣的東西。這次綜合畢業(yè)設計中，我制作了八路搶答器。搶答器是為智力競賽參賽者答題時進行搶答而設計的一種優(yōu)先判決器電路，廣泛應用于各種知識競賽、文娛活動等場合。能夠?qū)崿F(xiàn)搶答器功能的方式有多種，可以采用前期的模擬電路、數(shù)字電路或模擬與數(shù)字電路相結合的方式，但這種方式制作過程復雜，而且準確性與可靠性不高，成品面積大，安裝、維護困難。本節(jié)介紹一種利用51單片機作為核心部件進行邏輯控制及信號產(chǎn)生的八路搶答器。近年來，隨著單片機檔次的不斷提高，功能

6、的不斷完善，其應用日趨成熟、應用領域日趨擴大，特別是工業(yè)測控、尖端武器和日用家電等領域更是因為有了單片機而生輝增色。單片機應用技術已成為一項新的工程應用技術。本次畢業(yè)設計我們做的是無線八路搶答器，我們采用STC89C51單片機實現(xiàn)搶答功能，采用紅外遙控收發(fā)實現(xiàn)無線信號的搶答，性能更穩(wěn)定，更易操作調(diào)試。2.系統(tǒng)設計內(nèi)容2.1 系統(tǒng)設計依據(jù) 搶答器由計數(shù)器、寄存器、集成定時器和譯碼顯示等組合、無線傳輸與接收、時序電路組成。可分為搶答電路，定時電路，報警電路，無線電路等幾個單元部分。每個單元電路分別可以處理一些搶答競賽中的基本問題。 本次畢業(yè)設計設計的是一個多路定時無線搶答器，是一個多于兩位選手參賽

7、的一個搶答器，具有鎖存和顯示功能。同時有主持人控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。搶答開始后，若有任何一名選手按動搶答按鈕，搶答器就會顯示該選手編號直至系統(tǒng)被主持人清零，并有揚聲器發(fā)出提示，同時其他人再搶答就無效了。這次設計的搶答器還有自動定時功能，主持人可以設定選手答題的時間。當主持人啟動“開始”鍵后，定時器會自動減計時，這個會顯示在顯示器上。選手只有在搶答時間內(nèi)搶答才有效，若在答題時間內(nèi)沒有選手答題，時間到時，報警電路就會發(fā)出警報亮燈并且禁止搶答。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、搶答模塊和無線模塊組成。工作時，該系統(tǒng)通過矩陣鍵盤輸入搶答信號，經(jīng)單片機

8、的處理后，輸出控制信號，利用一個4位數(shù)碼管來完成顯示功能并伴隨蜂鳴器報警，用按鍵來讓選手進行搶答，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。圖2-1 系統(tǒng)結構圖2.2 設計任務和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2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S，該開關由主持人控制。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

9、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；7）設計出軟件編程方法，并寫出源代碼；8）主機與從機實現(xiàn)無線搶答9）用PROTEUS進行仿真；10）論文格式要符合學院的統(tǒng)一規(guī)定，結構要合符邏輯，表達要得體。2.3 設計目的通過設計學習單片機最小系統(tǒng)的基本設計方法，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

10、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。2.4 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

11、。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關系，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構化、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。為配合軟件的靈活設計，硬件電路是采用結構化系統(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

12、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.單元電路設計與分析3.1 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，單片機在民用和工業(yè)測控領域得到最廣泛的應用，早已深深地融入人們的生活中。簡單的說，用單片機系統(tǒng)來設計搶答器，實現(xiàn)兩組的搶答時間即使是相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先

13、答題。P0端口（P0.0-P0.7）：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。STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，

14、512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位 /計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。圖3-1 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、

15、PWM等模塊。（一）STC89C51主要功能、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；（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）STC89C5

16、1單片機的引腳說明：VCC：供電電壓。 GND：接地。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在

17、外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（三）STC89C51單片機最小系

18、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/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單且可靠。用STC89C52單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，結構如圖3-2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。圖3-2 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

19、內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖3-3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)，就構成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)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。圖3-3 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))

20、。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)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3-4。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10k。圖3-4 STC89C51復位電路（3） STC89C51中斷技術概述中斷技術主要用于實時監(jiān)測與控制，要求單片機能及時地響應中斷請求源提出的服務請求，并作出快速響應

21、、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。圖3-5 STC89C51中斷技術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。3.2 搶答器的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。

22、主持人沒有按下開始搶答按紐，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重新?lián)尨?。主持人按下開始搶答按紐，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），最后五秒倒計時警報。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、搶答開關模塊、蜂鳴器音頻輸出模塊。由于仿真中沒有無線芯片，所以選手搶答用按鍵代替如下圖：圖3-5 搶答器原理總圖3.3 功能模塊電路3.3.1開始搶答電路圖3-6 開始搶答電路3.3.2 選手搶答鍵圖3-7 選手搶答電路3.3.3 顯示與顯示驅(qū)動電路當一個

23、問題結束主持人后按下復位開關后進行下一題的準備。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。由于仿真中沒有無線芯片，所以選手搶答用按鍵代替如下圖。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，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的上拉電

24、阻，保證正常壓降，驅(qū)動數(shù)碼管更亮。圖3-8顯示驅(qū)動電路圖3-9數(shù)碼管顯示電路3.3.4 蜂鳴器音頻輸出電路通過控制不同頻率的矩形脈沖來控制蜂鳴器發(fā)聲。此次設計中只需要一些簡單的提示聲音和稍微顯眼的燈控，有搶答違規(guī)，開始搶答，搶答時間結束和回答時間到得提示聲和亮燈提醒。圖3-10蜂鳴器音頻輸出電路4.軟件設計4.1 Keil開發(fā)平臺介紹八路搶答器程序編寫是基于Keil平臺的。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上更有明顯的優(yōu)勢。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個

25、功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：Vision IDE集成開發(fā)環(huán)境C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標文件生成器以及 Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)。可以說，單片機系統(tǒng)開發(fā)設計離不開Keil平臺。4.2 系統(tǒng)流程圖由于基于51單片機的八路搶答器設計為作者原創(chuàng)設計,現(xiàn)已刪除以下幾個內(nèi)容:(1) 系統(tǒng)流程圖;(2) 參考文獻(3) 附錄1:仿真總電路圖;(4) 附錄2:原理圖;(5) 附錄3:PCB圖;(6) 附錄5:C程序;取得下面所示的所有文件，請Subscribe the WeChat Public Num

26、ber: 交院小智。My扣扣is:232，7603，104。我的圍脖：蔣宇智喲。資源分享如下：4.3 搶答成功流程圖5. 系統(tǒng)仿真5.1 Proteus仿真平臺世界上著名的EDA仿真軟件Protues擁有其自身的獨立特點，例如從原理圖布線圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路的協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，都能實現(xiàn)從概念設計到產(chǎn)品仿真的完整功能。同時也是目前世界上唯一能將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持的類型也非常廣泛，例如8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，該軟件在2

27、010年又同時增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他類型系列的處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能分別有：原理布線圖；PCB自動或人工布線；SPICE電路仿真；從軟件的誕生到如今，Protues作出了很大的改革，這些改革使其成為如今最受歡迎的仿真軟件之一：1)互動的電路仿真；用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2)仿真處理器及其外圍電路；可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流

28、單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。3)豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；4)智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；5)智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；6)支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；7)可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用；5.2 仿真結果分析加載“八路搶答器.hex”文件到51單片機，點擊運行。八路搶答器程序初始化后，數(shù)碼管顯示：-。等待主持人按鍵輸入。圖5-1 數(shù)碼管初始界面按下“主持人”鍵，數(shù)碼管顯示：00-0。此時，可以通過“計時+”和“計時-”鍵，設置計時時間。本例中，我們設置計時時間為30秒。圖5-2 設置搶答器計時時間再次按下“主持人”鍵，蜂鳴器嗶的一聲，倒計時開始，8位選手可以開始進行搶答。假設3號選手，在計時時間內(nèi)搶答成功。此時，計數(shù)停止，數(shù)碼管顯示剩余計時數(shù)和當前選手號，其對應的3號LED燈點亮。圖5-3 3號選手搶答成功示意圖倒計時，還剩5秒時，若仍沒有選手搶答，此時蜂鳴器發(fā)出連續(xù)提示音。若計時結束，無人搶