四路智能抢答器课程设计.docx

摘 要
近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测日新月异。此次设计提出一种用AT89C52单片机作为核心控制元件与电阻、液晶显示屏、蜂鸣器等构成硬件条件，再利用C语言编程来控制抢答器的功能实现。
本论文对抢答器的背景与现状、硬件设计、软件设计及其仿真都做了详细的介绍,使我们不仅对抢答器的原理及设计有了深入的了解,也对单片机的设计研发过程有了更加深刻的体会。本次设计的系统主要采用单片机控制、采用手动抢答的方式。有人抢答后，系统自动封锁其他选手的抢答按钮，使其不再抢答，从而实现抢答功能。该系统还增加了抢答倒计时功能，可以调整。
通过自主的设计、编程和调试出一个简单的四路抢答并在液晶屏显示抢答成功者号码；熟悉C语言编程；了解单片机仿真系统的使用方法，达到提高综合运用相关知识的能力；进一步熟悉和掌握Proteus7的使用方法；掌握单片机系统设计全部过程的目的。

目录
前言…………………………………………………………3
一.设计目的………………………………………………4
二．设计任务与要求……………………………………4
三．设计方案………………………………………………5
3.1方案一………………………………………………………5
3.2方案二………………………………………………………5
3.3方案比较……………………………………………………7
四．硬件电路设计………………………………………7
4.1显示电路部分………………………………………………7
4.2按键控制电路部分…………………………………………8
五．软件设计………………………………………………10
六．系统调试与结果分析……………………………15
七．心得体会………………………………………………18
八．参考文献………………………………………………19

前言
电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能。并简化其电路结构。控制系统的三个模块为：显示模块、存储模块、抢答开关模块。该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号，利用1602液晶屏来完成显示功能，用按键来让选手进行抢答，在液晶屏上显示抢答最快的号码及时间，从而实现整个抢答过程。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用AT89C52单片机作为核心。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理， 输出控制信号，单片机控制的智能抢答器设计。

一． 设计目的
1．学习智力竞赛抢答器电路的工作原理。
2．学习基于单片机电路的设计、实现和调试方法。
二．设计任务与要求
2.1设计任务
设计一个由四人参加的智力竞赛抢答电路，当主持人宣布“开始”，显示出首先做出判断的参加竞赛者。
功能：
1、清零功能：可用触发器的异步复位端实现，由主持人控制。
2、抢答键控功能：可用触发器和门电路实现。
3、显示功能：可用发光二极管显示，用蜂呜器发声。
2.2设计要求
1、选择适当的元器件，设计该电路。以实现上述功能。
2、利用Proteus绘制其电路原理图。
3、对每个元器件选择合适的封装，形成网络表文件

三． 方案设计
3.1方案一
利用数字电路实现该电路的设计。设计流程图如图一：
秒脉冲
计时控制

抢答控制器
光提示
计时显示
主持人控制

图一
抢答器主要是由F1是四D触发器74LS175，F2是双四输入与非门74LS20；F3是74LS20组成的多谐振荡器；F4是74LS74组成的四分频电路。
工作原理：是当主持人按下抢答开关时，选手能进行抢答，抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开关S，74LS175的输出Q1~~Q4全为0.所有发光二极管的LED均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后，首先做出判断的参赛者立即按下开关，对应的发光二极管点亮，同时，通过的与非门F2送出信号锁住其他三个抢答者的电路，不再接受其他信号，直到主持人再次清除信号为止。
3.2方案二
利用单片机实现该电路设计。设计流程图如图二：

图二
工作原理：抢答模块、修改抢答时间模块、主持人控制模块一共采用8个独立式的键盘作为按键输入，当在主持人按下开始键后有参赛者按键按下时，就会有对应于这个按键的灯亮并且蜂鸣器响一声，其它按键再按也无效。
在规定时间之后如不清除，蜂鸣器就会一直响，超时的LED会点亮，提示已经到时间。修改抢答时间是在按下了修改按键之后就会等待增量、减量的输入以修改时间，直到再一次按下修改键以确定修改完成。
52单片机的端口上电是高电平，而且当外部没有输入时能自动的弹跳到高电平，所以通过按键所接端口的高低电平变化可以判断出哪个按键按下了。
独立按键
P1口电平变化
单片机识别

3.3方案比较
与利用数字电路实现的设计方案相比，利用单片机不仅编程被简化，还有效的利用了各个端口。8052单片机的资源完全够这个系统的要求。所以选择方案二。
四． 硬件电路设计

4.1显示电路部分
根据按键按下的情况LED做出相应的亮灭，蜂鸣器做出相应的反应。
当开始键按下启动后，当S1按下时，则灯D1亮，并蜂鸣器响一声，如果超过规定时间，蜂鸣器一直响，并提示超时LED灯被点亮。如果S1在限定的时间内再次被按下，说明参赛者1已完成回答；当S2按下时，则灯D2亮，并蜂鸣器响一声，如果超过规定时间，蜂鸣器一直响，并提示超时LED灯被点亮。如果S2在限定的时间内再次被按下，说明参赛者2已完成回答；当S3按下时，则灯D3亮，并蜂鸣器响一声，如果超过规定时间，蜂鸣器一直响，并提示超时LED灯被点亮。如果S3在限定的时间内再次被按下，说明参赛者3已完成回答；当S4按下时，则灯D4亮，并蜂鸣器响一声，如果超过规定时间，蜂鸣器一直响，并提示超时LED灯被点亮。如果S4在限定的时间内再次被按下，说明参赛者4已完成回答；抢答完后可以按下主持人的确定键将其初始化。

使用液晶屏显示抢答成功者号码、时间。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。
4.2按键控制电路部分
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
独立式键盘，键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了8根I/O口线，该键盘就有8个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。如图3所示。

图3 独立式键盘原理图
最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样的键盘结
构简单，按键识别容易。
独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用此类型的键盘。

五． 软件设计
本设计的抢答器的程序采用的是C程序设计，C语言的显著特点是用二进制来编写程序,程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此之间相互独立。这种结构化方式可使程序层次清晰, 便于使用、维护以及调试。C语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方便的调用,并具有多种循环、条件语句控制程序流向,从而使程序完全结构化。虽然C语言也是强类型语言，但它的语法比较灵活，允许程序编写者有较大的自由度。本次设计的主程序中包括时钟设计程序，定时器中断子程序，数码管显示程序以及按键控制子程序。抢答器主流程图如图4所示：

图4 抢答器主程序流程图

抢答器定时中断流程图如图5：

图5 抢答器定时器中断流程图
程序代码如下：
ORG 0000H
SJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP TOINT
ORG 001BH
LJMP TIINT
ORG 0050H
MAIN: MOV R3,#00H
MOV R4,#00H
MOV R5,#00H
MOV R6,#00H
MOV P2,#00H
MOV TMOD,#11H
MOV TH0,#3CH
MOV TL0,#0B0H
MOV TH1,#3CH
MOV TL1,#0B0H
MOV IE,#8AH
MOV R1,#10
MOV R7,#0C8H
LOOP1: MOV A,P1
CJNE A,#0FFH,START
SJMP LOOP1
START: CJNE A,#7FH,MATCH
LOOP2: MOV A,P1
CJNE A,#7FH,NUM1
SJMP LOOP2
NUM1: CJNE A,#7EH,NUM2
MOV P2,#11H
SETB TR1
RR1: CJNE R1,#00H,RR1
MOV P2,#01H
CLR TR1
SETB TR0
MOV R3,#01H
LJMP LOOP3
NUM2: CJNE A,#7DH,NUM3
MOV P2,#12H
SETB TR1
RR2: CJNE R1,#00H,RR2
MOV P2,#02H
CLR TR1
SETB TR0
MOV R4,#01H
LJMP LOOP3
NUM3: CJNE A,#7BH,NUM4
MOV P2,#14H
SETB TR1
RR3: CJNE R1,#00H,RR3
MOV P2,#04H
CLR TR1
SETB TR0
MOV R5,#01H
LJMP LOOP3
NUM4: CJNE A,#77H,NEXT3
MOV P2,#18H
SETB TR1
RR4: CJNE R1,#00H,RR4
MOV P2,#08H
CLR TR1
SETB TR0
MOV R6,#01H
LJMP LOOP3
NEXT3:LJMP LOOP1
MATCH: CJNE A,#0BFH,NEXT2
CLR TR0
CLR TR1
LJMP MAIN
NEXT2: LJMP LOOP1
LOOP3: MOV A,P1
CJNE A,#0FFH,LOOP3
LJMP LOOP1
TOINT: MOV TH0,#3CH
MOV TL0,#0B0H
DJNZ R7,NEXT
CJNE R3,#00H,LED1
CJNE R4,#00H,LED2
CJNE R5,#00H,LED3
CJNE R6,#00H,LED4
LED1: MOV P2,#11H
CLR TR0
MOV R7,#0C8H
SJMP NEXT1
LED2: MOV P2,#12H
CLR TR0
MOV R7,#0C8H
SJMP NEXT1
LED3: MOV P2,#14H
CLR TR0
MOV R7,#0C8H
SJMP NEXT1
LED4: MOV P2,#18H
CLR TR0
MOV R7,#0C8H
SJMP NEXT1
NEXT1: MOV R3,#00H
MOV R4,#00H
MOV R5,#00H
MOV R6,#00H
NEXT: RETI
TIINT: MOV TL1,#0B0H
MOV TH1,#3CH
DEC R1
END

六． 系统调试和结果分析
系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。我们设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；软硬件的配人情况以及是否达到设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终开发成实用产品。
硬件调试分单元电路调试和联机调试，单元电路试验在硬件电路设计时已经进行，这里的调试只是将其制成印刷电路板后试验电路是否正确，并排除一些加工工艺性错误（如错线、开路、短路等）。这种调试可单独模拟进行，也可通过开发装置由软件配合进行。硬件联机调试则必须在系统软件的配合下进行。
软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，如果执行结果与预想的不一致，可以通过单步运行或设置断点的方法，查出原因并加以改正，直到运行结果正确为止。这时该 程序功能块已调试完毕，可去掉附加程序段。其它程序功能块可按此法进行调试。程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。在联调中可能会有某些支路上的程序、功能块也因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件、硬件全部调试成功为止。系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。
具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵。具有定时功能，在10S内无人抢答表示所有参赛选手对本题弃权。10S时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。电路中的六个按键从上到下分别是清零键、开始键和四组选手的按键。仿真现象及调试结果如图6、图7、图8所示。1）图6为主持人按下清零键后的截图，此时液晶屏两项均显示0.
6.1运行设计，等待主持人开始。如图6：

图6

6.2主持人按下启动键后的截图，液晶屏显示从10秒开始倒计时。如图7：

图7

6.3选手按下时的截图，显示对应的选手编号，例如3号选手，
如图8：

图8
七． 心得体会
这次课程设计是基于单片机设计多路数字抢答器，让我对单片机学习也有了更深刻的认识，只有打下良好的基础才会学以致用，才会发挥出作用。在本次课程设计过程中遇到了许多困难，PROTEUS做出的仿真效果不符合要求，用C语言编写的程序也出现问题，令人头疼不已，后来在经过查找相关资料，在老师同学的帮助下，终于改正了错误。完成这次课程设计，让我深刻的认识是单片机对于我们专业的重要性，我对单片机的学习还是不够精通，有了这次课程设计的体会，我一定会利用课余时间更深的了解单片机知识 。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准，所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。经过二个星期课程设计制作，过程曲折可谓一波三折，点点滴滴无不令我回味无穷。
没有经过实践永远都不会知道结果是怎样的，当实践的结果证实了你要得到的结论时那种心情真是不知如何表达。我也非常的坚信只要付出了一定会有收获，并且这个过程是很美的享受！汗水预示着结果也见证着收获。通过本次课程设计，我真正感受到了那种快乐和喜悦！并且懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在此我非常要感谢的是我的指导老师刘伟春老师，感谢老师的细心认真的辅导，教给我许多原来不知道的知识。这次课程设计能够顺利的完成，当然有我个人的努力，但同时也离不开指导老师的答疑解惑和同学的帮助。
八． 参考文献
[1] 李泉溪.《单片机原理与应用实例仿真》.北京航天航空大学出版社
[2] 江世明. 《基于Proteus的单片机应用技术》 电子工业出版社
[3] 喻宗泉. 《单片机原理与应用技术》.西安电子科技大学出版社
[4] 万光毅. 《单片机实验与实践教程》. 北京航天航空大学出版社

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