本科畢業(yè)論文基于單片機(jī)的數(shù)字式競賽搶答器的設(shè)計

1、本科生畢業(yè)設(shè)計題目基于單片機(jī)的數(shù)字式競賽搶答器的設(shè)計姓名耿艷磊學(xué)號201010730203院 系物理系專業(yè)物理學(xué)指導(dǎo)教師 王 新 智2014 年 06 月目 錄內(nèi)容摘要3關(guān) 鍵 詞1Abstract1Keywords11. 序論21.1 單片機(jī)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用21.2 單片機(jī)搶答器的背景及意義21.3 本設(shè)計的方案21.4 本設(shè)計中搶答器的主要功能32. 硬件電路設(shè)計42.1 AT89C51單片機(jī)42.2 鍵盤電路62.3 顯示驅(qū)動電路82.4 蜂鳴報警器電路92.5 電源電路103. 軟件部分113.1 單片機(jī)內(nèi)部信號分析113.2 主要程序流程114. 軟件仿真與硬件調(diào)試134.1 軟件

2、仿真134.2 硬件調(diào)試145. 結(jié)論14參考文獻(xiàn)16致謝17附錄1 整機(jī)電路18附錄2 源程序19 內(nèi)容摘要：隨著搶答競賽節(jié)目的涌現(xiàn)，搶答器也形形色色，但是基于單片機(jī)的數(shù)字式搶答器因為其諸多優(yōu)點而越來越被人們重視。本設(shè)計就是利用單片機(jī)為核心部件的，主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括單片機(jī)、驅(qū)動器、顯示屏、報警器以及操作按鍵，這些共同構(gòu)成了搶答器的身體；軟件部分給予了搶答器生命，這要歸功于匯編語言，本設(shè)計使用了單片機(jī)匯編語言和C語言。本設(shè)計可以顯示搶答、犯規(guī)選手號和搶答、答題倒計時，可以犯規(guī)報警，還可以鎖存選手號碼。電路簡單、功能齊全是本設(shè)計的特色，單片機(jī)價格低且能對競賽過程進(jìn)行精準(zhǔn)控

3、制，綜合來說本設(shè)計性價比較高。關(guān) 鍵 詞：單片機(jī) 搶答器 報警器Abstract：With the emergence of competition program Responder, Responder also diverse, but the microcontroller-based digital answering device because of its many advantages and has been growing attention. This design is the use of the microcontroller core components, m

4、ainly by hardware components and software components. The hardware includes a microcontroller, drives, displays, alarms and keys, which together constitute the Responder body; software is a compilation of some of the major languages, including microcontroller assembly language and C language, assemb

5、ly language is both soul Responder make fresh technology. The design of the LED display can show answer, and the answer fouls player number, answer the countdown; alarm alarm can answer fouls and timeouts alarm latch also has an automatic latch, set, clear function. Circuit is simple, functional des

6、ign is characteristic of the low price and can Microcontroller precise control of the contest process, to sum up the higher cost of the design.Keywords：SCMResponderalarm1. 序論1.1 單片機(jī)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用單片機(jī)的發(fā)展分為以“48系列單片機(jī)的推出”為標(biāo)志的單片機(jī)形成階段、以“51系列單片機(jī)的推出”為標(biāo)志的結(jié)構(gòu)成熟階段和以“AT89C51單片機(jī)的推出”為標(biāo)志的性能提高階段。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常之廣，究其原因不外乎三個方面：

7、第一，由于單片機(jī)價格低，適合于大批量低成本的產(chǎn)品設(shè)計且單片機(jī)的品種和型號多；第二，因為單片機(jī)的引腳少、體積小、從而電路板減小，使產(chǎn)品小巧精致；第三，在種類繁多的電子類產(chǎn)品中，單片機(jī)的性價比之高令人震驚。應(yīng)用單片機(jī)的領(lǐng)域很多，例如智能儀器儀表等。利用單片機(jī)可以提高精準(zhǔn)度和功率且方便他們的產(chǎn)品更新；打印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用單片機(jī)更是廣泛；像溫度指控、自動生產(chǎn)線等產(chǎn)品中采集控制電流、電壓、溫度等物理量的參數(shù)也廣泛的應(yīng)用了單片機(jī)及其技術(shù)，能大量的提高生產(chǎn)速度和效率 李全利. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)M. 北京：高等教育出版社，2009：2-7.。1.2 單片機(jī)搶答器的背景及意義1971年1月，由Inte

8、l公司的特德·霍夫于日本商業(yè)通信公司合作研制的臺式計算機(jī)中，首次使用了集成電路芯片，其中將經(jīng)典結(jié)構(gòu)中的運(yùn)算器和控制器壓縮在了一個芯片中，這就是所謂的“微處理器”。微處理器、存儲器和I/O接口電路構(gòu)成微型計算機(jī)。本設(shè)計中所應(yīng)用的單片機(jī)正是微型計算機(jī)的一種，它是將微處理器、存儲器、I/O接口電路集成在一片電路芯片中，它具有體積小、價格低、可靠性高和易于嵌入式應(yīng)用等特點，可以使產(chǎn)品升級換代，易于維修。在本設(shè)計中，同樣應(yīng)用到了單片機(jī)，設(shè)計的搶答器具有一定的特色。而在搶答競賽中的搶答環(huán)節(jié)上，如果靠基本的電源、開關(guān)、導(dǎo)線、鬧鈴組成的串并聯(lián)電路或者靠人體感知器官不容易說得清哪一組或哪一位選手獲得搶

9、答權(quán)，不能使比賽達(dá)到公平、公正、公開，利用單片機(jī)程序設(shè)計搶答器可以迅速的判斷出獲得搶答權(quán)的選手以及實現(xiàn)其他的一些功能，這在后文中會重點介紹。1.3 本設(shè)計的方案本設(shè)計采用了80C51系列中的AT89C51單片機(jī)作為整個搶答器的靈魂，就像人類的大腦一樣。這樣利用了將微處理器、存儲器、I/O接口電路集成在一片電路芯片中的單片機(jī)，能使電路結(jié)構(gòu)精簡1。這樣整個搶答器就包括單片機(jī)、LED驅(qū)動器、LED顯示屏、蜂鳴報警器以及操作按鍵，其中操作按鍵包括主持人控制鍵盤和選手搶答鍵盤。本設(shè)計的工作原理是“輸入信號-信號分析-信號輸出”，輸入信號是通過主持人操作鍵鈕（“開始”鍵、“停止”鍵、“復(fù)位”鍵）和選手操作

10、按鈕（搶答鍵）操控，單片機(jī)通過匯編語言來分析信號，通過LED顯示屏、蜂鳴報警器來輸出信號。設(shè)計方案如1.3圖所示。鍵盤輸出電路LED顯示屏A T 8 9 C 5 1單 片 機(jī)時鐘電路LED顯示器驅(qū)動電路復(fù)位電路蜂鳴（報警）電路電源電路圖1.3 單片機(jī)搶答器設(shè)計方案簡圖1.4 本設(shè)計中搶答器的主要功能本設(shè)計可以實現(xiàn)選手搶答功能，供八名選手使用。在搶答的基礎(chǔ)上，還可以顯示獲得搶答權(quán)的選手號以及違規(guī)的選手號以及搶答、答題剩余時間，所謂“違規(guī)”就是違反搶答規(guī)定，本輪搶答或答題開始，主持人會按動“復(fù)位”、“開始”按鈕，并宣布開始搶答，此時八位選手才能按動“搶答”按鈕，如果提前按動，則視為違規(guī)。開始因為本

11、設(shè)計具有時鐘電路，所以還可以對搶答過程和答題過程進(jìn)行時間限制。當(dāng)?shù)竭_(dá)時間后，會通過報警電路報警，同樣，當(dāng)選手具有違規(guī)操作時，報警電路會發(fā)聲報警。搶答器還有一個重要的功能就是“鎖存”，是通過單片機(jī)中鎖存器來完成的，所謂“鎖存”指當(dāng)有選手搶答成功后，系統(tǒng)會自動將這名選手號鎖住，其他選手在按動搶答按鈕則不被系統(tǒng)識別，即使相差幾微妙也能區(qū)分開來，這樣就實現(xiàn)了搶答的公正性和精準(zhǔn)性。2. 硬件電路設(shè)計2.1 AT89C51單片機(jī) 本設(shè)計使用AT89C51。通過圖2.1所示的單片機(jī)引腳圖我們可以看出：AT89C51單片機(jī)引腳相對較多，總共有40個,分別有雙向I/O端口、外中斷口、可編程定時計數(shù)器、全雙工串行

12、通信口。因為AT89C51單片機(jī)內(nèi)含有可擦寫的Flash存儲器，所以在進(jìn)行軟件編程上，可以采用在線編程，也適用于常規(guī)編程1。2.1.1 單片機(jī)時鐘電路AT89C51單片機(jī)內(nèi)有高增益反相放大器，其頻率范圍為1.2MHz12MHz，輸入引腳和出入引腳分別為為XTAL1（引腳號19）和XTAL2（引腳號18）。引腳XTAL1接地；XTAL2接外部振蕩源。本設(shè)計時鐘采用內(nèi)部方式產(chǎn)生，電路如圖2.1.1所示。XTAL1和XTAL2接由C1、C2、石英晶體（晶振）并聯(lián)成的諧振，這樣連接會使電路自動激發(fā)震蕩。C1和C2可以微調(diào)頻率。2.1.2 單片機(jī)復(fù)位電路復(fù)位，顧名思義，恢復(fù)到初始位置、初始狀態(tài)并從初狀態(tài)

13、工作。AT89C51復(fù)位結(jié)構(gòu)如圖2.1.2（a）所示， 在復(fù)位的外部電路中，在振蕩器正在運(yùn)行的情況下，要想實現(xiàn)復(fù)位功能，必須靠在RST/VPD引腳（引腳號9）加連續(xù)2個周期即24個振蕩周期的高電平。內(nèi)部復(fù)位是在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個周期執(zhí)行，復(fù)位開始以后每過一個周期都有一次復(fù)位，直至RST端隨著電容充電電流的減少， RST的電位逐漸下降最終變低電平 朱永金，成友才單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)M北京：中國勞動社會保障出版社，2007：153-167.。復(fù)位分為兩種方式：第一種方式是上電自動復(fù)位如圖2.1.2（b）所示，但是這種復(fù)位方式因為不能低抗干擾容易出現(xiàn)故障；第二種復(fù)位方式是人工按鍵復(fù)位

14、方式，要想采取后者復(fù)位方式，則只需要在復(fù)位電路中并聯(lián)一個按鈕，按一下按鈕，RST引腳出現(xiàn)高電平，則實現(xiàn)一次復(fù)位，安全可靠。本設(shè)計復(fù)位電路采取的是人工按鍵復(fù)位方式，如圖2.1.2（c）所示2.2 鍵盤電路在現(xiàn)代高科技迅速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品普及的時代，“鍵盤”發(fā)揮了重要的作用，例如手機(jī)上、電腦上、各類機(jī)器機(jī)床上均安裝有鍵盤，雖然隨著科技的更新，有些產(chǎn)品將鍵盤更新成觸摸屏，但是鍵盤仍然起到了不可或缺的重要作用。本設(shè)計上就采用了鍵盤來實現(xiàn)某些功能。2.2.1選手搶答電路本設(shè)計是為8名選手或者8個參賽隊設(shè)計的數(shù)字搶答器，所以選手要想實現(xiàn)搶答目的，就通過按自己座位上的搶答按鈕（即選手搶答鍵盤）來實現(xiàn)。8名

15、選手或參賽隊的搶答鍵盤（分別為S0S8）各自獨立互不影響，每個鍵盤都獨立接入輸入/輸出（I/O）端口（如圖2.2.1所示），這樣各輸入/輸出（I/O）端口將不會彼此影響。這樣，當(dāng)有某名選手或參賽隊按動搶答按鍵時，輸入/輸出（I/O）端口的電平就會發(fā)生變化，所以檢測輸入/輸出（I/O）端口的電平狀態(tài)我們就能發(fā)現(xiàn)最先按動搶答按鍵的選手了。2.2.2主持人控制電路本設(shè)計中的許多功能是由主持人控制的，例如主持人宣布搶答開始以及答題開始后，由主持人按動“開始”按鍵、答題時間或搶答時間到達(dá)后的“停止” 按鍵以及對答題時間或搶答時間的調(diào)整、答題結(jié)束后主持人按動“復(fù)位”按鍵都是有主持人控制的，這就需要有“主持

16、人控制電路（如圖2.2.2所示）”來幫助主持人實現(xiàn)以上功能。2.3 顯示驅(qū)動電路在“1.4 本設(shè)計中搶答器的主要功能”中已經(jīng)講到搶答器的相關(guān)功能，提到了LED顯示屏可以顯示獲得搶答權(quán)的選手號以及違規(guī)的選手號以及搶答、答題剩余時間，這個顯示功能需要顯示及驅(qū)動才能實現(xiàn)。三個由“八根二極管”組成的“八段數(shù)碼顯示管”組成了“LED顯示屏” ，“八段數(shù)碼顯示管”分別編號a - h。顯示屏的電路連接有兩種方法：一是將各LED陽極接顯示管上引腳a - h，將所有陰極連起來，此種接法叫做“共陰極鏈接”（如圖2.3.1所示）； 二是將各LED陰極接顯示管上引腳ah，將所有陽極連起來，此種接法叫做“共陽極鏈接”

17、（如圖2.3.2所示）。我們知道，在各引腳加上不同的電壓a - h八段管會顯示不同的字形，例如在a引腳處加上+5V電壓，八段管會顯示“”字，若各引腳都加+5V電壓，八段管會顯示“”字。在單片機(jī)中一般用“1”表示+5V，用“0”表示0V。因此，將幾只數(shù)碼管的a - h分別連在一起與單片機(jī)段碼控制端P0口連在一起，由AT89C51的P0通過鎖存器與反相放大器來完成在八個引腳送0或1的任務(wù)，就可以形成不同的數(shù)字。（如圖2.3.3所示）。2.4 蜂鳴報警器電路報警器電路大致包括兩種：一種是由振蕩器、電磁鐵、振動膜片構(gòu)成的電磁式蜂鳴器，其中振蕩器的作用是產(chǎn)生的音頻信號電流，當(dāng)有電流流過時，電磁鐵中的電磁

18、線圈會有音頻信號電流通過并產(chǎn)生磁場，因為電磁鐵會使振動膜片振動，從而振動膜片會發(fā)聲，并且發(fā)出的蜂鳴聲具有周期性；另一種就是本設(shè)計采用的報警電路壓電式蜂鳴器，由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等夠成 劉博. 淋浴收費(fèi)控制器設(shè)計J. 電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2009，5(3)：1619-1621.。本設(shè)計采用壓電式蜂鳴器，利用P3.6-輸入輸出（I/O）口向揚(yáng)聲器送高電平來控制揚(yáng)聲器發(fā)聲（如圖2.4所示）。2.5 電源電路考慮到本設(shè)計中采用的AT80C51單片機(jī)所需要的工作電壓很小，一般情況下電壓在+4.5V到+6V（直流電）范圍內(nèi)就可以正常工作，所以有兩種方式可以為本設(shè)計提供電

19、壓。一種就是采用三節(jié)干電池串聯(lián)起來為其供電，我們知道，一節(jié)干電池的電壓大約為1.5V，這樣三節(jié)串聯(lián)起來后就是4.5V。第二種方式就是采用市電220V電源，但是因為AT80C51單片機(jī)需要的電壓范圍在+4.5V到+6V之間，而且需要的是直流電，所以我們要想辦法把市電轉(zhuǎn)變成我們所需要的規(guī)格。這就需要將市電整流、濾波、穩(wěn)壓三個過程，經(jīng)過這三個過程后輸出穩(wěn)定的+5V的直流電為單片機(jī)供電（如圖2.5所示）。穩(wěn)壓器采用可以將220V電壓穩(wěn)定在+5V左右的CW7805。電路中，若讀寫器的電源接通發(fā)光二極管亮，若讀寫器的電源接沒有接通發(fā)光二極管不亮。3. 軟件部分3.1 單片機(jī)內(nèi)部信號分析單片機(jī)分析的信號是主

20、持人指令或者搶答選手的搶答指令。當(dāng)搶答過程需要復(fù)位、開始時，或者主持人調(diào)節(jié)搶答時間或調(diào)節(jié)允許的答題時間（如果實際需要的搶答時間和允許的答題時間符合本設(shè)計的默認(rèn)值，則不再需要調(diào)整相應(yīng)時間）時，主持人按動“復(fù)位” 、“開始” 、調(diào)節(jié)時間按鈕以給出指令，單片機(jī)會對主持人下發(fā)的指令進(jìn)行分析掃描并執(zhí)行。這時如果在搶答過程或答題過程中，因為某些原因主持人需要搶答器停止計時，則按動“停止” 按鈕，計時停止，同時搶答器自動準(zhǔn)備就緒，準(zhǔn)備開始或下一輪的搶答開始。如果主持人還沒有宣布搶答開始，有選手按動搶答按鈕時，蜂鳴報警器會發(fā)出報警聲音，并且將犯規(guī)的選手號顯示在LED顯示屏上 林春方電子線路學(xué)習(xí)指導(dǎo)與實訓(xùn)M北京

21、：電子工業(yè)出版社，2004：135-137.。在整個環(huán)節(jié)中，蜂鳴報警器還會對搶答、答題的時間發(fā)出報警提示，通知主持人和選手“時間到”。若規(guī)定的時間內(nèi)沒有選手參與搶答，則蜂鳴報警器會自動發(fā)出聲音，搶答器自動進(jìn)入初始狀態(tài)。搶答器還有一個重要的功能就是“鎖存”，所謂“鎖存”指當(dāng)有選手搶答成功后，系統(tǒng)會自動將這名選手號鎖住，其他選手在按動搶答按鈕則不被系統(tǒng)識別。3.2 主要程序流程3.2.1系統(tǒng)主程序流程搶答器中樞單片機(jī)系統(tǒng)會由系統(tǒng)主程序控制，并按本設(shè)計的操作運(yùn)行，它體現(xiàn)了搶答器工作的流程，搶答器工作后，形同會進(jìn)入電路初始化。初始化程序會單片機(jī)中寄存器進(jìn)行設(shè)定所示。3.2.2 中斷程序流程中斷程序是指

22、當(dāng)CPU對信號進(jìn)行分析的時候，主持人給出指令要求CPU去分析其他信號，這是CPU暫時中止正在分析的信號，而轉(zhuǎn)去分析主持人多給的其他信號，當(dāng)完成其他信號的分析并完成輸出后，CPU再返回到原來的信號分析（中斷流程如圖3.2.2（a）所示）。本設(shè)計中，需要的“中斷程序”是在主持人的“時間調(diào)節(jié)操作”。主持人在有需要的情況下通過按“主持人控制鍵盤”上的“搶答時間調(diào)節(jié)”鍵或“答題時間調(diào)節(jié)”鍵進(jìn)入中斷流程，按鍵的這一刻稱為“中斷點”，主程序中斷進(jìn)入時間調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時可以按動“加1”鍵或者“減1”鍵進(jìn)行時間加減調(diào)整，此時“時間LED”上顯示的時間為調(diào)節(jié)后的新時間。具體中斷時間流程如圖3.2.2（b）所示。4.

23、 軟件仿真與硬件調(diào)試4.1 軟件仿真打開軟件keil uVision2，鼠標(biāo)左鍵單擊主菜單project，選擇new project，彈出“Create new project”對話框，用鼠標(biāo)選擇文件夾保存 魯杰爽. 單片機(jī)Keil軟件仿真與調(diào)試技巧J. 電子制作，2010，12(8)：50-52.。在彈出的窗口中選擇AT89C51。然后建立源文件夾，在彈出的“編輯工作模式”窗口中輸入源程序。將源程序加入工程。4.2 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試需要硬件調(diào)試軟件，在這里我們采用ProteusISIS軟件，在電路圖畫在原理圖編輯區(qū)內(nèi)并設(shè)置正確參數(shù)，導(dǎo)入hex文件，最后按照本設(shè)計的預(yù)想方案進(jìn)行硬件調(diào)試。經(jīng)過

24、調(diào)試，在本設(shè)計1.4和3.1中提到的各種功能均能實現(xiàn)。5. 結(jié)論連續(xù)將近三個月的時間設(shè)計這個“基于單片機(jī)的數(shù)字式搶答器”在心情無比激動的此時此刻終于畫上了一個句號，耗費(fèi)了我無數(shù)的心血，經(jīng)歷了辛酸苦辣。在論文開題時就想過小結(jié)應(yīng)該如何去寫，但現(xiàn)在設(shè)計完成了，卻無從下筆。現(xiàn)在我從以下幾個方面來對我的設(shè)計進(jìn)行一下總結(jié)：首先，是心態(tài)方面，通過這次畢業(yè)設(shè)計，讓我知道要想成功的完成一件事，心態(tài)是何等的重要。大學(xué)課程中開設(shè)了單片機(jī)原理與接口技術(shù)一門課程，雖然對單片機(jī)很感興趣，但由于剛剛接觸，所以在課程學(xué)習(xí)過程中還是一知半解。但在論文擬題過程中，我還是選擇了這個有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用的搶答器設(shè)計，我認(rèn)為只要自己認(rèn)認(rèn)真真的請教指導(dǎo)老師、查閱資料、認(rèn)真構(gòu)造，熟悉相關(guān)知識，就一定會出色的完成這個設(shè)計。開始要想在這個設(shè)計中應(yīng)該重點注意什么，應(yīng)該想好自己的設(shè)計較其他類型的搶答器有什么優(yōu)點，并怎樣將這些優(yōu)點設(shè)計在自己的搶答器中。在設(shè)計的前幾個星期內(nèi)，也經(jīng)常去找指導(dǎo)老師詢問相關(guān)問題，例如對單