【文章內(nèi)容簡介】 了系統(tǒng)的可靠性、簡化了電路結構、節(jié)約了成本，是一個實用的工程設計。 搶答器的工作流程在搶答器的基本工作原理：在搶答競賽或呼叫時，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、聲音電路等還要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向外電路輸出相應信號。搶答器的工作流程分為：系統(tǒng)復位、正常流程、違例流程等幾部分，下面分別予以介紹。加載程序運 行行開始開始數(shù)碼管顯示000開始預設搶答和答題時間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束，超時有選手搶按顯示000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000答題完畢系統(tǒng)復位 系統(tǒng)工作流程圖 外圍電路的設計及分析 復位電路的設計單片機的第9腳RST為硬件復位端，只要將該端持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位，復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖8所示： 系統(tǒng)總復位、電阻R15構成按鍵及上電復位電路。由于單片機是高電平復位，所以當按鍵RESET1按下時候，單片機的9腳RESET管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態(tài)。當上電后，由于電容的緩慢充電，單片機的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時間后，單片機的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機上電復位完畢，系統(tǒng)程序從000H開始執(zhí)行。值得注意的是，在設計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能，由上面的硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能，該功能的實現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位，所以設定了軟復位功能。軟復位實際上就是當程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。 時鐘頻率電路的設計單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。 單片機外部震蕩電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C1，C2的典型值為30PF。單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。圖中時鐘頻率為6MHz，即fosc=6MHz，則時鐘周期為1/6181。s。 顯示電路的設計顯示功能與硬件關系極大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法。 四位一體共陰數(shù)碼管，其中A~H段分別接到單片機的P0口，由單片機輸出的P0口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼COMCOM由單片機來決定當前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個1K的電阻，連接在P0口上，用作P0口的上拉電阻，保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出時候處于高電平狀態(tài)。4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖8所示：a、b、c、d、e、f、g、dP為段引腳，4分別表示四個數(shù)碼管的位。即：12986為公共端，A11 B7 C4 D2 E1 F10 G5 DP3 鍵盤掃描電路的設計鍵盤是人與單片機打交道的主要設備。關于鍵盤硬件電路的設計方法也可以在文獻和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當前時刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。他們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺” 現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間,所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間(這里我們?nèi)?0ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效。 系統(tǒng)中的搶答時間和答題時間都是用鍵盤掃描來完成的，我們采用了4*4集成鍵盤來實現(xiàn)的，8個端分別介入單片機的P1口，單片機掃描來判斷當前輸入的數(shù)字并用數(shù)碼管顯示所選數(shù)字；其中還包含了主持人開始按鍵，系統(tǒng)復位按鍵，主持控制開始答題按鍵。： 系統(tǒng)主持人鍵盤所有選手在從機中，使用獨立鍵盤掃描實現(xiàn)，沒個選手使用兩個按鍵，一個是搶答按鍵，一個是規(guī)定時間內(nèi)答題完畢的停止鍵。： 八名選手搶答停止按鍵 聲音電路我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調(diào)，使喇叭發(fā)出不同的聲音。圖中單片機的21腳輸出具有復合功能，此處用到了單片機18腳的IO端口功能，單片機通過內(nèi)部定時器的操作實現(xiàn)交替變換的波形輸出驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。 聲音電路4 軟件設計 軟件任務分析軟件任務分析和硬件電路設計結合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了[9]。軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變?nèi)f化。軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結構。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難了。軟件任務分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 系統(tǒng)總流程圖在本設計中包括了以下主要的程序：主程序，查詢程序，非法搶答程序，搶答時間調(diào)整程序，回答時間調(diào)整程序，倒計時程序，正常搶答處理程序，犯規(guī)處理程序，顯示及發(fā)聲程序。：開始初始化設置答題時間和搶答時間準備開始答題主持人是否按搶答按鍵定時器0開，倒計時開始串口中斷，搶答時間內(nèi)是否有選手搶答給串口發(fā)送答題時間，選手開始答題主持人是否按下開始答題鍵選手按下答題結束，串口中斷，定時器關，倒計時停止系統(tǒng)復位，下一輪搶答開始數(shù)碼管顯示選手號主持人是否按下開始答題鍵犯規(guī)，顯示選手號是是是是否否犯規(guī)否否 系統(tǒng)總流程圖 各個模塊軟件設計與分析 定時器/計數(shù)器T0、T1定時器/計數(shù)器是51系列單片機的重要功能之一，它的核心是16位加法計數(shù)器。其中特殊功能寄存器TH0和TL0是定時器/計數(shù)器T0的高8位和低8位；TH1和TL1是定時器/計數(shù)器T1的高8位和低8位。 STC89C51特殊功能寄存器符　號地　址注　釋*ACCE0H累加器*BF0H乘法寄存器*PSWD0H程序狀態(tài)字SP81H堆棧指針DPL82H數(shù)據(jù)存儲器指針低8位DPH83H數(shù)據(jù)存儲器指針高8位*IEA8H中斷允許控制器*IPD8H中斷優(yōu)先控制器*P080H端口0*P190H端口1*P2A0H端口2*P3B0H端口3PCON87H電源控制及波特率選擇*SCON98H串行口控制器SBUF99H串行數(shù)據(jù)緩沖器*TCON88H定時器控制TMOD89H定時器方式選擇TL08AH定時器0低8位TL18BH定時器1低8位TH08CH定時器0低8位TH18DH定時器1高8位做為計數(shù)器用時，加法計數(shù)器對芯片引腳T0或T1上的輸入脈沖計數(shù)，每輸入個脈沖。加法計數(shù)器加1。加法計數(shù)器溢出時可向CPU發(fā)出中斷請求信號。做為定時器用時，加法計數(shù)器對內(nèi)部機器周期脈沖Tcy計數(shù)，由于機器周期是定值，因而對Tcy的計數(shù)就是定時，如Tcy=1us，計數(shù)值100，相當于定時100us。加法計數(shù)器的初值可以由程序設定，設置的初值不同，計數(shù)值或定時時間就不同。在定時器/計數(shù)器的工作過程中，加法計數(shù)器的內(nèi)容可用程序讀回CPU。定時器T0/T1的中斷流程圖：開始設置定時器工作方式定時器賦初值開總中斷啟動定時器Count++Country==20 ?Country清零定時器再次賦初值時間減一時間==0 ?結束YYNN 定時器中斷流程圖器/計數(shù)器方式控制寄存器TMOD：定時器/計數(shù)器T0/T1都有四種工作方式，可通過對TMOD編寫設置來選擇。TMOD的低四位用于定時器/計數(shù)器0，高四位用于定時器/計數(shù)器1。 式控制寄存器TMOD位定義表D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0C/T：定時或計數(shù)功能選擇位，當C/T=1時，為計數(shù)方式；當C/T=0時，為定時方式。MM0：定時器工作方式選擇位。 定時器/計數(shù)器工作方式M1M0工作方式方式說明00013位定時器/計數(shù)器01116位定時器/計數(shù)器102具有自動重裝初值的8位定時器/計數(shù)器113兩個8位定時器/計數(shù)器GATE：門控位，用于控制定時器/計數(shù)器的啟動是否受外部中斷請求信號的影響。如果GATE=1，則定時器/計數(shù)器0的啟動受芯片引腳INT0控制，則定時器/計數(shù)器1啟動受芯片引腳INT1控制；如果GATE=、INT1無關。一般情況下GATE=0。時器/計數(shù)器控制寄存器TCON： TCON控制寄存器各位的定義D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT0IE0ITTF0(TF1):T0(T1) 定時器/計數(shù)器溢出中斷標志位。當T0(T1)計數(shù)溢出時，由硬件置位，并在允許中斷的情況下，向CPU發(fā)出中斷請求信號，CPU響應中斷而轉(zhuǎn)向中斷服務程序時，由硬件自動將該位清0.T0(T1)：T0(T1)運行控制位，當T0(T1)=1時，啟動T0(T1)，當T0(T1)=0時，關閉T0(T1)。該位由軟件設置。IT0（IT1）：外部中斷0（或1）觸發(fā)方式控制位。IT0（或IT1）被設置為0，則選擇外部中斷為電平觸發(fā)方式；IT0（或IT1）被設置為1，則選擇外部中斷為邊沿觸發(fā)方式。IE0（IE1）：外部中斷0（或1）的中斷請求標志位。 串口通信51單片機內(nèi)部有一個功能很強的全雙工串行口，可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。接收和發(fā)送數(shù)據(jù)均可工作在查詢方式和中斷方式。串行口有4種基本工作方式，通過編程設置，可以使其工作在任一方式，以滿足不同場合的需要。其中方式0主要用于外接移位寄存器，以擴展單片機的I／O電路；工作方式1多用于雙機之間或與外設電路的通信；方式3除有方式1的功能外，還可以作多機通信，以構成分布式多微機系統(tǒng)。 串行端口有兩個控制寄存器SCON、PCON，用于設置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送波特率[每秒傳送的位數(shù)]以及作為中斷標志等。 串行端口有一個數(shù)據(jù)寄存器SBUF[在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為99H]，該寄存器為發(fā)送和接收所共用。發(fā)送時，只寫不讀；接收時，只讀不寫。在一定條件下，向SBuF寫入數(shù)據(jù)就啟動了發(fā)送過程；讀SBuF就啟動了接收過程。 串行端口的波特率可以用程序來控制。在不同工作方式中，由時鐘振蕩頻率的分頻值或由定時器T1的定時溢出時間確定，使用十分方便靈活。串口控制寄存器 1