第1章-单片机8路抢答器.doc

第1章 单片机8路抢答器1.1 功能要求抢答器是为智力竞赛参赛者大体是进行抢答而设计的一种优先判决器电路,广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。实现抢答器功能的方式有很多种，本项目要求利用51系列单片机作为核心部件设计一个供8名选手参加，能进行逻辑控制及显示的8路抢答器。每名选手有一个抢答按扭，按扭的编号与选手的编号相对应，抢答器具有信号的鉴别和数据的锁存、显示的功能。抢答开始后，若有选手抢答按扭，在数码管上显示相应的编号，蜂鸣器发出音响提示。同时，电路应具备自锁功能，禁止其他选手再抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人按开始答题开始。抢答器具有定时抢答的功能。在主持人发出抢答指令后，定时器立即进行减计时，并在显示器上显示，同时蜂鸣器发出短暂的声响，声响持续0.5s左右。选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器显示选手编号及最后倒计时剩下的时间。主持人按开始答题开始，答题时间开始倒计时。当按复位键后，完成一次抢答流程。系统完成的主要功能：（1）设置一个由主持人控制的系统清除和抢答控制开关，主持人提问后按动启动开关。参加竞赛者要在最短的时间内对问题做出判断，并按下抢答按键回答问题。（2）抢答器具有锁存与显示功能。当第一个人按下按键后，在显示器上显示此竞赛者的编号，扬声器发出短暂声响提示。同时对其它抢答案件封锁，使其不起作用。竞赛者的编号保持到主持人将系统清除为止。（3）系统具有定时抢答功能，定时时间由主持人设定。当主持人启动“开始”键后，倒计时显示定时时间。（4）竞赛者在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示竞赛者的编号和抢答剩余的时间，并保持到主持人将系统清除为止。（5）如在规定的抢答定时时间内无人抢答，则本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。1.2主要器件介绍 LED数码管显示器LED显示器是由发光二极管按一定结构组合起来显示字段的显示器件，也称数码管。在单片机应用系统中通常使用的是8段式LED数码显示器，其外形结构和引脚如图1.1(a)所示。它由8个发光二极管构成，通过不同的组合可显示09、AF及小数点“”等字符。其中7段发光二极管构成7笔的“8”字形，1段组成小数点。数码管有共阴极和共阳极两种结构。图1.1（b）所示为共阴极结构，8段发光二极管的阴极端连接在一起作为公共端，阳极端分开控制。使用时公共端接地，此时当某个发光二极管的阳极为高电平，则此发光二极管点亮。图1.1（c）所示为共阳极结构，8段发光二极管的阳极端连接在一起作为公共端，阴极端分开控制。使用时公共端接电源，此时当某个发光二极管的阴极为低电平（通常接地），则此发光二极管点亮。显然，要显示某种字形就应使此字形的相应字段点亮，即从图1.1（a）中ag引脚输入不同的8位二进制编码，可显示不同的数值或字符。通常称控制发光二极管的8位数据为“字段码”。不同数字或字符的字段码不一样，而对于同一个数字或字符，共阴极连接和共阳极连接的字段码也不一样，共阴极和共阳极的字段码互为反码，表1.1所示为09数字的共阴极和共阳极的字段码。图1.1 LED数码管表1.1 数字的共阴极和共阳极的字段码显示数字共阴顺序小数点暗共阴逆序小数点暗共阳顺序小数点亮共阳顺序小数点暗Dp g f e d c b a 十六进制A b c d e f g Dp十六进制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 060H69HF9H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19H99H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12H92H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02H82H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78HF8H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00H80H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10H90H图1.2 硬件译码电路数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5和0.8，显示的颜色也有多种形式，主要有红色和绿色，亮度强弱可分为超亮、高亮和普亮。数码管的正向压降一般为1.52V，额定电流为10mA，最大电流为40mA。由显示数字或字符转换到相应的字段码的方式称为译码方式。数码管是单片机的输出显示器件，单片机要输出显示的数字或字符通常有两种译码方式：硬件译码方式和软件译码方式。硬件译码方式是指用专门的显示译码芯片来实现字符到字段码的转换。硬件译码电路如图1.2所示。硬件译码时，要显示的一个数字，单片机只须送出这个数字的4位二进制编码，经I/O接口电路并锁存，然后通过显示译码器，就可以驱动LED显示器中的相应字段发光。硬件译码由于使用的硬件较多(显示器的段数和位数越多，电路越复杂)，缺乏灵活性，且只能显示十六进制数，硬件电路较为复杂。软件译码方式就是通过编写软件译码程序（通常为查表程序）来得到要显示字符的字段码。由于软件译码不需外接显示译码芯片，使硬件电路简单，并且能显示更多的字符，因此在实际应用系统中经常采用。1.3 硬件电路设计 根据系统要求的功能，硬件电路可分为抢答电路、显示电路、主持人控制电路、定时电路、报警电路、声音提示电路、键盘控制电路、设置电路及单片机控制电路等。整个硬件电路如图1.3所示。在图1.3中，通过复位键RST使电路进入就绪状态，等待抢答。首先由主持人发布抢答命令，按下S3(启动)键，进入倒计时状态和抢答状态。在电路中“S7S14”为8路抢答器的8个按键，如果有人按下按键，程序就会判断是谁先按下的，然后从P0口输出抢答者号码的七段码值，送到码管显示，并封锁键盘，保持刚才按键按下时刻的时间，禁止其他人按键的输入，从而实现了抢答的功能。如果在设定的时间中没有一个人按下按键，一到时间则产生报警信号已超时，不可以抢答。当主持人按S4(限时开始)键，答题开始，答题时间开始倒计时。如没有按复位键，时间倒计直到0，并报警。当要进行下一次抢答时，由主持人先按一下复位按键S2，电路复位，进入下一次抢答的就绪状态。主持人可以在抢答开始前按“S5”、”S6”分别设置抢答时间，和答题时间。 图1.3 8路抢答器硬件电路图 1.3.1 LED数码管显示电路 在图1.3中，4个数码管选用共阴极数码管。左边的2个数码管作为倒计时显示用，最右边的1个数码管用于显示抢答者的编号，它们中间的那个数码管显示“-”，用于两种信息的分隔。 P0口外接上拉电阻，输出软件译码后的字段码，P2.0 P2.3输出4个数码管的位线，用于控制数码管的动态扫描显示。1.3.2 按键电路在图1.3中，共有13个按键，分别为：复位键S2、功能键S3S6、抢答键S7S14。复位键S2控制单片机的复位引脚RST，4个功能键S3S6分别接单片机的P3.0、P3.2、P3.3、P3.4。它们的功能为：S3键为主持人的抢答开始启动键；S4键是限时答题启动键；S5键是抢答时间调整键；S6键是限时时间调整键。8个抢答按键S7S14分别为1号至8号抢答者的按键，接单片机的P0口。当主持人按“S2开始”键时，抢答电路和定时电路进入正常抢答状态。当参赛选手按动抢答键时，蜂鸣器声响，抢答电路和定时电路停止工作。主持人按“答题开始”键时，定时电路进入答题时间倒计时状态。1.3.3 声音提示电路声音提示电路由一个10K的电阻，一个三级管和一个蜂鸣器组成，如图1.4所示。1. 蜂鸣器电路蜂鸣器根据结构不同可分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器，而两种蜂鸣器又分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。这里的源特指振荡源。有源蜂鸣器直接加电就可以响起，无源蜂鸣器需要提供振荡源，理想的振荡源为一定频率（1.52.5KHZ）的方波。工作电源为1.515V。在图1.4中采用的是无源蜂鸣器，三极管用于驱动，接在三极管基极的10K电阻为限流电阻，利用晶体管的高电流增益，以达到电路快速饱和的目的。由于系统采用了无源蜂鸣器，所以需要通过编程来控制P3.7口的翻转来产生一定频率的方波。图1.4 声音提示电路2. 声音提示电路功能声音提示电路在主持人发出可以抢答信号时、在有人按下抢答按键时、在倒计时时间到时等3种情况下发出蜂鸣声。抢答器具有定时抢答功能，并且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动总控制的启动键后，定时器进行抢答倒计时，并在显示器上显示。参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，并在LED数码管上显示选手的编号，同时扬声器发出报警声响，提示主持人。同时其他人在按就无效，并一直保持到主持人将系统清除为止。当在设定的时间内没有人抢答，倒计时完毕后蜂鸣器也会发出短时间的叫声，提示本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示0，并发出一段时间的报警声。1.3.4 单片机电路单片机电路根据键盘输入控制数码管显示或声音提示。通过读取P1.0P1.7的状态读取按键的情况；通过读取P3.0的状态读取抢答是否开始的信息；通过读取P3.2的状态读取答题倒计时是否开始的信息；通过读取P3.3的状态来确定是否要修改抢答时间；通过读取P3.4的状态来确定是否要修改答题的时间；通过P2.0P2.3控制显示模块以显示抢答者的编号和倒计时所剩时间；通过P3.7控制蜂鸣器。1.4 程序设计 系统的工作过程如下：l 设定抢答的时间已设置好，默认为20秒。主持人发布抢答命令，按下S3按键后，蜂鸣器响一声，开始倒计时。4个数码管的高两位显示倒计时时间，最低一位显示“0”。l 如有抢答者率先在规定时间内按键，则蜂鸣器响一声，4个数码管的最低一位显示抢答者的编号。l 如在主持人未按下抢答启动键或抢答限时结束后有选手抢答，则此时蜂鸣器响一声，最低一位数码管显示犯规者的编号，最高两位数码管显示“FF”以指示有人犯规。l 如在规定时间内无人抢答，4个数码管显示“FF F”。l 抢答时间调整时，4个数码管高两位显示抢答预置时间，低两位显示“- -”。答题时间调整时，4个数码管高两位显示答题预置时间，低两位显示“= =”。l 在抢答完毕后，主持人需按一下复位键，数码管计时和编号显示位都不显示，恢复到初始状态，准备下一轮抢答。因此，系统软件分为按键扫描程序模块、显示程序模块、报警程序模块和主程序等。1.4.1 显示程序显示程序将完成以下功能：在抢答限时内有人抢答，则4个数码管中最低位数码管显示抢答者的编号，最高2位数码管显示倒计时时间；若无人抢答则最低位数码管不显示；如超过抢答限时时间还有人抢答，则最低位数码管显示抢答者的编号，最高2位数码管显示“FF”，表示抢答无效；如超过抢答限时时间且无人抢答时，判若有抢答时间设置键（键S5）按下，则最高2位数码管显示时间的设置，最低2位数码管显示“ ”，若有答题时间设置键（键S6）按下，则最高2位数码管显示时间的设置，最低2位数码管显示“= =”；若时间设置键没有按下，则4个数码管显示“FF F”。显示在抢答限时内有人抢答的程序代码如下：void display(void) /显示函数if(flag=1) /判如果标志flag是否为1，如为1，在限时范围内if(num!=0) /如有人抢答成功P0=tabledunum; /在最低位数码管显示抢答者的编号P2=tablewe0;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;else /否则无人成功抢答P0=0; /清屏，不显示P2=0XFF;P0=tabledus/10;/在最高位数码管上显示倒计时时间的十位数P2=tablewe2;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;P0=tabledus%10; /在次高位数码管上显示倒计时时间的个位数P2=tablewe3;delay(2); /延时P2=0XFF; /清屏P0=0;1.4.2 按键扫描程序按键扫描程序模块主要扫描键盘，读取键盘值。判断主持人是否按动启动键，是否有抢答者按动答题键以及对相应按键进行处理的函数。Key_Scan(void)函数用于检测主持人是否按动启动按键。当程序检测到单片机P3.0引脚变为低电平，延时去抖动后，仍检测为低电平时，判断主持人确实按动了启动键，开启抢答倒计时。程序代码如下：void Key_Scan(void) /检测主持人是否按键函数if(K0=0) /如K0为低电平说明有键按下delay(10); /去抖动if(K0=0) /如K0为低电平说明确实有键按下，执行下列程序while(!K0); /等待K0释放TR0=1; /启动抢答，开始计数s=time; /抢答倒计时时间送变量S 函数Scan(void)用于检测是否有抢答者按动答题按键。程序读取P1口的值，按照从P1.0P1.7的顺序逐个检测，当某个引脚值为0时，表明有按键按下。同时对答题按键进行处理，当抢答者按动答题按键时，函数显示抢答者号码，程序代码如下：void Scan(void)/8个抢答键扫描函数if(K1=0) /判1号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K1=0)while(!K1); /等待1号抢答者释放按键num=1;/记编号为1TR0=0; /停止抢答计时TR1=1;/开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K2=0)/判2号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K2=0) while(!K2); /等待2号抢答者释放按键num=2;/记编号为2TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K3=0) /判3号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K3=0)while(!K3); /等待3号抢答者释放按键num=3; /记编号为3TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K4=0) /判4号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K4=0)while(!K4); /等待3号抢答者释放按键num=4; /记编号为4TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K5=0) /判5号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K5=0) while(!K5); /等待5号抢答者释放按键num=5; /记编号为5TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K6=0) /判6号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K6=0) while(!K6); /等待6号抢答者释放按键num=6; /记编号为6TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K7=0) /判7号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K7=0)while(!K7); /等待7号抢答者释放按键num=7; /记编号为7TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清0if(K8=0) /判8号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K8=0) while(!K8); /等待8号抢答者释放按键num=8; /记编号为8TR0=0;/停止抢答计时TR1=1; /开启答题计时s_flag=0; /标号s_flag清01.4.3 报警程序模块 报警程序模块主要是控制蜂鸣器发出报警提示声音，利用定时器T1定时中断来实现。程序代码如下：void timer1(void) interrupt 3 /定时器T1中断函数，蜂鸣器响1秒钟TH1=(65536-2000)/256; /2ms定时初值TL1=(65536-2000)%256;beep=beep; /每2ms P3. 7口（接蜂鸣器）输出电平翻转t1+; / t1计数加1if(t1=500) /当 t1计数到500时，定时1秒t1=0; / t1清0TR1=0; /定时器T1停止计数1.4.4 主程序模块主程序模块主要完成以下功能：定时器初始化后，循环执行以下功能：调检测主持人是否按键函数，如按下，调8按键扫描函数，调显示函数；如有抢答者按键，则等主持人按下答题计时键时，蜂鸣器声响提示，开始答题倒计时。程序代码如下：void main(void) /主函数T0_Init(); /调定时器初始化函数while(1) /无限循环执行Key_Scan(); /调检测主持人是否按键函数 if(flag=0)&(s_flag=1) /如标志flag=0且s_flag=1，即超过抢答限时，/无人抢答，则执行下面大括号内语句Time_Scan(); /调抢答和答题时间设置函数 if(flag=1)&(s_flag=0) /如标志flag=1且s_flag=0，说明在抢答限时内有/人抢答，则执行下面大括号内语句if(K_Time=0) /判P3.2是否为0，即答题是否开始delay(10); /延时去抖动if(K_Time=0) while(!K_Time); /等待键释放s=datitime; /答题设置的时间送变量sTR0=1; /T0定时器开始计时tt=0; /变量tt设为0TR1=1; /T1定时器开始计时，蜂鸣器响1秒钟提示if(flag=0)&(s_flag=0)/如标志flag=0且s_flag=0，即超过限时还有人抢答/或没按启动键就有人抢答，则执行下面大括号内语句Scan(); /调8个抢答键扫描函数if(num!=0)/若有人抢答fall_flag=1; /则设标志fall_flag为1rled=0; /设标志rled为0if(flag=1)&(s_flag=1)/如标志flag=1且s_flag=1，在规定时间内无人按键/则执行下面大括号内语句Scan(); /调8个抢答键扫描函数display(); /调显示函数1.4.5 系统参考程序系统程序流程图如图1.5所示。 图1.5 系统程序流程图参考程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intchar s;uchar num=0; /用于记录抢答者的编号char time=20; /设默认抢答倒计时为20char datitime=30; /设默认答题倒计时为30uint tt,t1; /用于计时累加bit flag,s_flag=1,b_flag,fall_flag; /分别为显示时间结束否标志、抢答者按键否标志、bit K_startcountflag,K_timecountflag;sbit K0=P30; /主持人抢答启动按键sbit beep=P37; /接蜂鸣器sbit rled=P31; /接发光二极管指示灯sbit K1=P10; /以下P1口接8个抢答按键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; /接主持人答题开始按键sbit K_startcount=P33; /接抢答时间调整按键sbit K_timecount=P34; /接答题时间调整按键void delay(uchar ms) /延时函数uchar y;for(;ms0;ms-)for(y=120;y0;y-);uchar code tabledu=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /09 、AF的字段码uchar code tablewe=0XFE,0XFD, 0XF7, 0XFB ; /位码void T0_Init(void) /定时器初始化函数TMOD=0X11; /定时器T0、 T1工作方式1TH0=(65536-2000)/256; /定时器T0初值TL0=(65536-2000)%256;TH1=(65536-2000)/256; /定时器T1初值TL1=(65536-2000)%256;ET0=1; /开定时器T0中断ET1=1; /开定时器T1中断EA=1; /开总中断P0=0;void Key_Scan(void) /检测主持人是否按键函数if(K0=0) /如K0为低电平说明有键按下delay(10); /去抖动if(K0=0) /如K0为低电平说明确实有键按下，执行下列程序while(!K0); /等待K0释放TR0=1; /启动抢答，开始计数s=time; /抢答倒计时时间送变量Stt=0; /以下设置各变量和各标志的初值flag=1; s_flag=1;b_flag=1;num=0;beep=1;rled=1;fall_flag=0;K_startcountflag=0;K_timecountflag=0;void Scan(void)/8个抢答键扫描函数if(K1=0) /判1号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K1=0)while(!K1); /等待1号抢答者释放按键num=1;/记编号为1TR0=0; /停止抢答计时TR1=1;/开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K2=0)/判2号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K2=0) while(!K2); /等待2号抢答者释放按键num=2;/记编号为2TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K3=0) /判3号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K3=0)while(!K3); /等待3号抢答者释放按键num=3; /记编号为3TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K4=0) /判4号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K4=0)while(!K4); /等待3号抢答者释放按键num=4; /记编号为4TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K5=0) /判5号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K5=0) while(!K5); /等待5号抢答者释放按键num=5; /记编号为5TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K6=0) /判6号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K6=0) while(!K6); /等待6号抢答者释放按键num=6; /记编号为6TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K7=0) /判7号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K7=0)while(!K7); /等待7号抢答者释放按键num=7; /记编号为7TR0=0; /停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0if(K8=0) /判8号抢答者是否按键delay(10); /延时去抖动if(K8=0) while(!K8); /等待8号抢答者释放按键num=8; /记编号为8TR0=0;/停止抢答计时TR1=1; /开启蜂鸣器提示s_flag=0; /标号s_flag清0/*显示函数功能说明*在抢答限时内有人抢答，则4个数码管中最低位数码管显示抢答者的编号，最高2位数码管显示倒计时时间；若无人抢答则最低位数码管不显示；如超过抢答限时时间还有人抢答，则最低位数码管显示抢答者的编号，最高2位数码管显示“FF”，表示抢答无效；如超过抢答限时时间且无人抢答时，判若有抢答时间设置键（键S5）按下，则最高2位数码管显示时间的设置，最低2位数码管显示“ ”，若有答题时间设置键（键S6）按下，则最高2位数码管显示时间的设置，最低2位数码管显示“= =”；若时间设置键没有按下，则4个数码管显示“FF F”。*/void display(void) /显示函数if(flag=1) /判如果标志flag是否为1，如为1，在限时范围内if(num!=0) /如有人抢答成功P0=tabledunum; /在最低位数码管显示抢答者的编号P2=tablewe0;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;else /否则无人成功抢答P0=0; /清屏，不显示P2=0XFF;P0=tabledus/10;/在最高位数码管上显示倒计时时间的十位数P2=tablewe2;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;P0=tabledus%10; /在次高位数码管上显示倒计时时间的个位数P2=tablewe3;delay(2); /延时P2=0XFF; /清屏P0=0;else/否则，标志flag为0时，超过限时时间if(fall_flag=1)/如标志fall_flag为1，说明抢答无效if(num!=0) /若有人按下抢答键P0=tabledunum; /在最低位数码管显示抢答者的编号P2=tablewe0;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;P0=tabledu15;/在最高位数码管上显示“F”P2=tablewe2;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;P0=tabledu15; /在次高位数码管上显示“F”P2=tablewe3;delay(2); /延时P0=0; /清屏P2=0XFF;else /若无人按下抢答键 P0=0; /清屏，不显示P2=0XF