[优秀毕业论文]论文抢答器的应用.doc

摘要
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞猜、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辨认出选手。现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新的功能，如选手号码显示、抢按器或抢按后的计时、选手得分显示等功能。本文介绍了用8051系列单片机控制的八路智力抢答器。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。

关键字：抢答器 单片机 报警

目录

引 言 1
一．系统设计 2
1.1 设计任务与要求 2
1.2 方案比较与论证 2
1.3 8051单片机系统说明 3
1.3.1 8051单片机简介 3
1.3.2 80C51的时序图 4
1.4 8051引角及其功能 4
1.5 设计抢答器的目的与意义 5
二．主要元器件分析 7
2.1 80C51芯片 7
2.2 74LS373芯片 7
2.3 MAX7219芯片 8
2.3.1 引脚说明 9
2.3.2 基本工作原理及使用方法 9
2.4 计分电路 10
三．程序设计 11
3.1 定时电路的设计 11
3.2 抢答电路设计 11
3.3 加减分程序设计 13
3.4报警电路设计 13
3.5抢答器程序流程图 15
参考文献 16

引 言
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8051单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、语音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过开关电路四个按键输入抢答信号；利用语音芯片ISD1420完成语音的录放功能；利用存储程序；利用一个数码管来完成显示功能。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，控制数哪一组先答题，并通过语音系统读出“第2组请答题”，从而实现整个抢答过程。

一．系统设计
1.1 设计任务与要求
设计并制作一个八路智力抢答器
1.2 方案比较与论证
方案一:系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，但是由于系统功能要求较高，所以电路连接集成电路相对较多，而且过于复杂，并且制作过程工序比较烦琐，使用不太方便。
方案二:该系统采用8051系列单片机80C51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。MCS-51单片机特点如下：
<1>可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令和数据都可以写在ROM里，许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高，易扩充。
<2>单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。
<3> 控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。
方案比较及其选用依据，显然方案二比方案一简单的多，不但从性能上优于方案一，而且在使用上及其功能的实现上都较方案一简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使其工作速度更快、效率更高。另外80C51单片机采用12MHz的晶振，提高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩张功能。而方案一采用了中小规模集成电路，有其复杂的电路性能，从而可能会使信号的输入输出产生延时及不必要的误差。依此依据选择方案二比较适合。总原理图见附录2。
其原理框图如下:
抢答按扭
优先编码电路
锁存器
译码电路
译码显示
主持人控制开关
控制电路
报警电路
秒脉冲产生电路
定时电路
译码电路
显示电路

图1-1 抢答器的原理框图
1.3 8051单片机系统说明
1.3.1 8051单片机简介
8051系列单片机是国际上流行多年的代表机型，是国内高校教学和初学者入门首选的主流机型，也是在各种技术期刊和专业书籍中出现频率最高的经典机型。本文以标准80C51为模型，并适当兼顾8051系列的共性和常用型号的特性。内容主要包括：硬件架构、ROM、RAM、指令系统、汇编程序基础和汇编语言工具链、并行端口、定时器、中断逻辑、复位逻辑、时钟电路、电源电路等功能电路的结构和工作原理，以及片内程序存储器编程原理
1.3.2 80C51的时序图
时序图如图1-2所示:
图1-2 80C51的时序图

时序控制电路:
①主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
图1-3 时序控制电路

1.4 8051引角及其功能
Vcc 40脚
电源端 Vss 20脚
接地端 XTAL2 18脚
时钟信号输入端 XTAL1 19脚
时钟电路引脚 RST 9脚
复位信号输入端，高电平有效
备用电源输入端 图1-4 80C51的引脚
ALE 30脚 地址锁存允许信号端，6分频振荡周期。
PSEN 29脚 程序存储器允许输出信号端 用于读取外部的程序存储器，每个机器周期中两次有效。
EA 31脚 外部程序存储器地址允许输入,接高电平时，执行片内程序存储器的内容，当PC超过0fffH时，自动变0。接低电平时，访问外部程序存储器。
P0 39~32脚 8位准双向I/O,在做输入时，要先向口地址80H写1，此时由内部上拉提成高阻态。
P1 1~8脚 8位准双向I/O口
1.5 设计抢答器的目的与意义
通过这次毕业设计,掌握80C51单片机的原理,了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。
设计思路：
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
本课题利用80C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。系统达到要求:在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可设在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。而基于单片机的竞赛抢答器能解决上述的各个问题。

二．主要元器件分析
2.1 80C51芯片
80C51内含8位CPU；广泛的布尔处理能力：32根双向且分别可寻址的I/O线；128字节RAM；2个16位定时器/计数器；全双工异步串行口（UART）；2个中断优先级；5个中断源；片内有时钟震荡器；4K字节片内ROM程序储存器；可寻址的64K字节外部程序储存空间；可寻址得64K字节外部数据储存空间；无片内ROM的8051形式是8031，EPROM型是751，8051AH是采用HMOS工艺制造，所以其管脚与8051兼容。
2.2 74LS373芯片
74LS373含有20个接口,8个输入端,8个输出端,一个电源接口和一个接地口,LE和OE接口.单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373以及coms的74hc373。是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚图与结构原理图、电路连接图如下：

图2-1 74LS373芯片电路系列图

74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片。
(1)1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)。
(2)当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。
锁存端ALE由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到ALE端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端G为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；当G发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的G连接。
74ls373与单片机接口：
1D~8D为8个输入端，1Q~8Q为8个输出端。
G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。
OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。
在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如图2-1所示。其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。
2.3 MAX7219芯片
MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入／输出共阴极显示驱动器。该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。MAX7219的位选方式独具特色，它允许用户选择多种译码方式译骂码选位，而且每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其中的显示位，这使得软件编程十分简单。
2.3.1 引脚说明
该芯片采用24脚DIP和SO封装，工作电压4.0～5.5V，最大功耗1.1W。引脚
说明见表2-2。
2.3.2 基本工作原理及使用方法
MAX7219与8031单片机连接采用三线串行接口，对于MAX7219，串行数据是以16位数据包的形式从Din脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器，而不管Lout脚的状态如何。Load脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后，但在下一个上升沿之前变为高电平，否则移入的数据将丢失。
表2-1 6位数据包的数据格式

D15
D14
D13
D12
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
--
--
--
--
ADDRESS

MSB DATA LSB

2.4 计分电路
该集成电路具有"清零",预置数,加计数和减计数四个功能.进行预置时,在P0口输入100,当抢答成功的时候手动加10分,不成功时候减10分。当需要加分时,按键使P0口输入高电平,在程序寄存器中送入10,则显示器个位进1,显示10分时.当需要减分时,按键使P0口输入低电平在程序寄存器中送入10,则显示器十位减10分,则显示少10分。计分电路如图2-4所示。

图2-4 计分电路

三．程序设计
3.1 定时电路的设计
节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加/减计数器74LSl92进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，具体电路如图3-1所示。

图3-1 秒脉冲电路

3.2 抢答电路设计
1、抢答电路如图3-2所示。

图3-2 抢答电路

2、抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码器74LS148和DFF锁存器可以完成上述功能，其电路组成如图3-2所示。其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。于是74LS48的=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端7... 0输入信号，当有选手将键按下时(如按下S5)，74LSl48的输出=010，=0，经RS锁存器后，CTR=l，=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LSl48的端为高电平，74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LSl48的为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LSl48仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
3.3 加减分程序设计
加法
MOV R0,#DATA1 ;
MOV R1,#DATA2 ;
MOV R7,#N ;置字节数
CLR C ;
LOOP:MOV A,@R0 ;
ADDC A,@R1; ; 求和
MOV @R1,A; ; 存结果
INC R0; ; 修改指针
INC R1 ;
DJNA R7,LOOP ;
减法
MOV R0 ,#DATA1 ;
MOV R1,#DATA2 ;
MOV R7,#N ;置字节数
CLR C ;
LOOP:MOV A,@R0 ;
SUBB A,@R1 ;求差
MOV @R1,A ;存结果
INC R0 ;修改指针
INC R1 ;
DJNZ R7,LOOP ;
3.4报警电路设计
由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率

其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

图3-3 报警电路

3.5抢答器程序流程图

图3-4 程序流程图

在计分电路的设计中,按照一般的设计原则,按一定数进制进行加减即可,但是随着计数数目的增加,要将计数数目分解成十进制并进行译码显示会得越来越麻烦。因此为了减少译码显示的麻烦,一般式将一个大的进制数分解为数个十进制以内的进制数,计数器串级连接。但随着位数的增加,电路的接口增加,因此本设计采用IF语句从低往高判断是否有进位,采取相应的操作,既减少了接口,又大大地简化了设计。
本系统中的计时器电路既有计时初始值的预置功能,又有减计数功能,功能比较齐全。其中初始值得预置功能是将两位数分解成两个数分别进行预置,每个数的预置,每个数的预置则采用高电平计数的方式进行。

参考文献
[1] 李朝青,《单片机原理与接口技术》,北京航天航空大学出版社,1994
[2] 何立民,《单片机应用与设计》,北京航天航空大学出版社,1990
[3] 李全利 迟容强，《单片机原理与接口技术》，高等教育出版社，2003
[4] 李华，《MCS-51系列单片机实用接口技术》，北京航天航空大学出版社，2000
[5] 陈光东，《单片机微型计算机原理与接口技术》武汉华中理工大学出版社,1999
[6] 王福瑞,《单片机控制系统设计大全》,北京航天航空大学出版社，1998
[7] 张毅刚, 《MCS-51单片机应用技术》,哈尔滨工业大学出版社,1997
[8] 王公堂 杨善迎，《电脑开发与应用》，山东师范大学出版社，2006
[9] 曹国清，《数字电路与逻辑设计》中国矿业大学出版社，2004
[10] 任致程，《经典集成电路400例》机械工业出版社，2002
[11] 刘绪军 张常友《职校电子制作》家电维修杂志社，2008
[12] 王港元，《电工电子实践指导》江西科学技术出版社，2007
[13] 蔡杏山，《Protel99SE电路设计》人民邮电出版社，2007