【正文】 基于 FPGA 的電子搶答器的設(shè)計畢業(yè)論文目 錄摘 要 ...............................................IABSTRACT ............................................II第一章 緒論 .........................................1 課題研究的相關(guān)背景 ..................................1 選題的目的和意義 ....................................1 課題研究的內(nèi)容 ......................................1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ......................................2 搶答器目前存在的主要問題 ............................3第二章 搶答器的系統(tǒng)概述 ..............................4 系統(tǒng)的主要功能與分析 ................................4 搶答器的工作流程 ....................................5 器件選型方案及詳細(xì)清單 ..............................7 AT89C51 特殊功能寄存器 ..............................7 AT89C51 的功能及簡介 ................................8 89 系列單片機的概況 ..............................8 AT89C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ......................10 各類型單片機的比較分析 .........................11 AT89C51 單片機 ..................................12 搶答器的優(yōu)點及組成 .................................13第三章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 ...........................14 硬件電路的設(shè)計與原理圖 .............................14 時鐘頻率電路的設(shè)計 .................................15 復(fù)位電路與顯示電路的設(shè)計 ...........................16 鍵盤掃描電路的設(shè)計 .................................19 發(fā)聲 ...............................................20 系統(tǒng)復(fù)位 ...........................................20第四章 軟件設(shè)計 .....................................24 主程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ...................................24 軟件任務(wù)分析 .......................................24 程序流程圖 .........................................254．4 主要程序分析 ......................................26第五章 PROTEUS 仿真系列組圖 ..........................35系統(tǒng)仿真圖 .............................................35第六章 總結(jié) .........................................38附 錄 ..............................................39參考文獻 ............................................49致 謝 ..............................................501第一章 緒論 課題研究的相關(guān)背景搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認(rèn)出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(如MCS51型)和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。本課題利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間和選手號碼。用開關(guān)做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。系統(tǒng)達(dá)到要求:在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可是在199s設(shè)定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復(fù)位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。 選題的目的和意義通過這次課程設(shè)計,掌握 51 單片機的原理,了解簡單多功能搶答器組成原理，初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法，提高動手能力和排除故障的能力。同時通過本課題設(shè)計與裝配、調(diào)試，提高自己的動手能力，鞏固已學(xué)的理論知識，建立單片機理論和實踐的結(jié)合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法。提高動手能力和排除故障的能力。 課題研究的內(nèi)容本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應(yīng)用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結(jié)束、復(fù)位鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設(shè)置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為 15s，回答問題時間為 10s。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結(jié)束鍵確定。新時間開始有效，2主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結(jié)束，新一輪搶答開始。通過研究并在設(shè)計驗證后發(fā)現(xiàn)，采用單片機技術(shù)設(shè)計的搶答器與目前常用的搶答器相比，首先，電路連接簡單，因為大多數(shù)功能單元都通過程序設(shè)計在單片機內(nèi)部，第二，工作性能可靠，抗千擾能力優(yōu)于目前搶答器。所以本研究是一個實用的工程設(shè)計，具有創(chuàng)新性。本論文章節(jié)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容如下:第一章：緒論。簡要介紹了搶答器的發(fā)展現(xiàn)狀。說明了本課題研究的內(nèi)容.第二章：搶答器系統(tǒng)概述。說明了搶答器的工作過程和主要功能，并定下了本課題要達(dá)到的設(shè)計目標(biāo)。第三章：搶答器的硬件電路的設(shè)計。詳細(xì)描述了本課題各個組成電路單元的設(shè)計。第四章：搶答器的軟件設(shè)計，并編程序。第五章：Proteus仿真，仿真出結(jié)果。結(jié)論：總結(jié)課題設(shè)計，指出設(shè)計中的一些問題，提出改善的意見，并展望搶答器的未來設(shè)計。后其號碼只有數(shù)碼或指示燈顯示，沒有語音提示。本課題就是為了解決以上 3 個問題，設(shè)計了六路搶答器。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器有的電路較復(fù)雜不便于制作,可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成塊 ,而專用集成塊的購買又很困難。為適應(yīng)高校等多代表隊單位活動的需要而設(shè)計一個多功能搶答器，這種搶答器具有電路簡單，元件普通 ,易于購買等優(yōu)點,很好地解決了制作者制作困難和難于購買的問題。在國內(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應(yīng)用。 搶答器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識的手段3多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。但目前多數(shù)搶答器存在 3 個不足之處:第一，現(xiàn)場線路連接復(fù)雜。因為每個選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。第二，電路復(fù)雜。因為單片機只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用單片機掃描技術(shù)識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大。第三，選手搶按成功。4第二章 搶答器的系統(tǒng)概述 系統(tǒng)的主要功能與分析本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設(shè)計的智能搶答器，主控與參賽者設(shè)為終端分系統(tǒng)。參賽者分系統(tǒng)設(shè)有：搶答按紐、計時顯示、提示功能等（根據(jù)需要可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能） ；主控分系統(tǒng)有：開始與結(jié)束控制按鈕、時限設(shè)定、各種相關(guān)顯示調(diào)控功能等（根據(jù)需要也可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能） 。參賽者系統(tǒng)，除享有搶答按紐的權(quán)利功能外 [1]，還有人性化的提示功能和時間提示功能，也可設(shè)定由主控控制在參賽者終端表現(xiàn)的趣味性功能等；主控系統(tǒng)的控制按鈕做開始與結(jié)束控制，根據(jù)活動參賽者的層次，對提前掄答者的行為設(shè)定為非法或阻隔，若設(shè)有非法搶答控制功能時，在主控處帶有公示性顯示的非法掄答者的臺位號，對搶答限時及回答問題限時設(shè)為倒計時式，并有公示性顯示。 圖 21 系統(tǒng)主要功能模塊本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應(yīng)用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結(jié)束復(fù)位鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設(shè)置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為 15s，回答問題時間為10s。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結(jié)束鍵確定。新時間開始有效， 主 控 制 器LED顯示聲生器鍵盤顯示時鐘頻率復(fù)位電路5主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結(jié)束，新一輪搶答開始。系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如 21 所示。搶答主板：搶答主板是整個搶答器的核心，其關(guān)鍵是單片機 AT89C51。內(nèi)部電路設(shè)計用匯編語言編寫。它完成了時間參數(shù)的設(shè)定，搶按號碼的譯碼，保存；顯示；輸出，搶按及答題倒計時功能等。顯示及指示：本設(shè)計中，有一個共陰的數(shù)碼管組，四個數(shù)碼管。其中兩個顯示時間，一個空位，一個顯示搶答號碼。主持人依次按下復(fù)位鍵（RESET） ，開始鍵后開始搶答?？梢該尠矗撼瑫r數(shù)碼管顯示“FFF” ，當(dāng)搶按超過規(guī)定時間或答題超過規(guī)定時間后數(shù)碼管顯“FFF” 。若有選手在規(guī)定時間內(nèi)搶按成功，則可以答題，數(shù)碼管顯示搶答時間的同時也顯示選手號碼。若在按開始鍵前搶答表示違規(guī)，數(shù)碼管顯示“FF”并顯示選手號碼。在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效。搶答限定時間和回答問題的時間可是在 1～99s 設(shè)定?？梢燥@示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示。搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復(fù)位。按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。 搶答器的工作流程搶答器的基本工作原理:在搶答競賽或呼叫時 [2]，有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器內(nèi)部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內(nèi)部的定時器開始工作，記錄有關(guān)時間并產(chǎn)生超時信號。在整個搶答器工作過程中，顯示電路、語音電路等還要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向外電路輸出相應(yīng)信號。搶答器的工作流程分為、系統(tǒng)復(fù)位、正常流程、違例流程等幾部分，如圖22所示，下面分別予以介紹。6圖22 搶答器工作流程如果想調(diào)節(jié)搶答時間或答題時間,按加一鍵或減一鍵進入調(diào)節(jié)狀態(tài),此時會顯示現(xiàn)在設(shè)定的搶答時間或回答時間值,如想加一秒按一下加 1s鍵,如果想減一秒按一下減 1s鍵，時間 LED 上會顯示改變后的時間，調(diào)整范圍為加載程序運 行行開始開始數(shù)碼管顯示 FFF 開始搶按時間倒計時開始前有選手搶按顯示違例選手號碼并伴有語音報警倒計時結(jié)束，超時有選手搶按顯示 FFF 顯示選手號碼，倒計時時間,語音報警，答題,答題時間倒計時正常流程 違規(guī)流程若超過答題時間，則數(shù)碼管顯示 FFF答題完畢根據(jù)選手表現(xiàn)，規(guī)則由主持人減分70~99s, 0s 時再減 1s 會跳到 99，99s 時再加 1s 會變到 0s。主持人按搶答開始鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預(yù)設(shè)15s 搶答時間） ，如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進入回答倒計時（預(yù)設(shè) 10s 搶答時間） ，不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于 5s 會每秒響一下提示音。如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按停止按鍵，系統(tǒng)會自動進入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待主持人按搶答開始進入下次搶答計時。如果主持人未按搶答開始鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答，LED上不斷閃爍 FF 和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下停止 鍵為止?？偠灾菊n