【文章內容簡介】 3。 41 致 謝 42 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 41 頁 1 引言 隨著科學技術的不斷發(fā)展，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣。搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。做為一個單位若 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 ,因此設計了本搶答器。 課題研究的相關背景 搶答器是一種應用非常廣泛的設備，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)光管的指示辯認出選手號碼。現(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)器的定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機的結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確的顯示時間和選手號碼。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)出報警聲響提示。系統(tǒng)達到要求： 1)同時供 8 名選手或 8 個代表隊比賽，分別用 8 個按鈕 S0～ S7 表示。 2)設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關 S，該開關由主持人控制。 3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，并在 LED 數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行 優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。 4)搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定 (如 30 秒 )。當主持人啟動 “ 開始 ” 鍵后，定時器進行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間 秒左右。 選題的目的和意義 通過這次課程設計 ,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。同時通過本課題設計與裝配、調試，提高 自己的 動手能力，鞏固已學的理論知識，建立單片機理論和實踐的結合 ，了解 多功能搶答器 各單元電路之間的關系及相互影響， 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 41 頁 從而能正確設計、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。 課題研究的內容 本系統(tǒng)采用模塊化設計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結束、復位鍵。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置。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效， LED 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。主持人可按鍵結束，新一輪搶答開始。 通過研究并在設計驗證后發(fā)現(xiàn)，采用單片機技術設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計在單片機內部，第二，工作性能可靠，抗 干 擾能力優(yōu)于目前搶答器。所以本研究是一個實用的設計，具有創(chuàng)新性。 國內外研究現(xiàn)狀 搶答器作為一種電子產品，早已廣泛應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 。 為適應高校等多代表隊單位活動的需要 而 設計一個 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。 在國內外已經(jīng)開始了普遍的應用。 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，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應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 三 個不足之處 ： 第一，現(xiàn)場線路連接復雜。因為每個選 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 41 頁 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。 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 41 頁 2 搶答器的系統(tǒng)概述 系統(tǒng)的主要功能 本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設計的智能搶答器，主控與參賽者設為終端分系統(tǒng)。參賽者分系統(tǒng)設有：搶答按紐、計時顯示、提示功能等；主控分系統(tǒng)有：開始與結束控制按鈕、時限設定、各種相關顯示調控功能等。 參賽者系統(tǒng)，除享有搶答按紐的權利功能外 [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束控制，根據(jù)活動參 賽者的層次，對提前掄答者的行為設定為非法或阻隔，若設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為倒計時式，并有公示性顯示。系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如 所示。 圖 系統(tǒng)主要功能模塊 本系統(tǒng)采用模塊化設計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結束復位鍵。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置 。 通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結束鍵確定。新時間開始有效，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。主持人可按鍵結束，新一輪搶答開始。 搶答主板：搶答主板是整個搶答器的核心，其關鍵是單片機 AT89C51。內部電 主控制器 復位電路 時鐘頻率 LED 顯示 發(fā)聲器 鍵盤輸入 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 41 頁 路設計用匯編語言編寫。它完成了時間參數(shù)的設定，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。 系統(tǒng)需求分析 1． 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。 2． 搶答限定時間和回答問題的時間可是在 1～ 99s 設定。 3． 可以 顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有 聲音 提示。 4． 搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復位。 5． 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，搶答器內部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內部的定時器開始工作，記錄有關時間并產生超時信號。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，如圖 ，下面分別予以介紹。 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 41 頁 圖 搶答器工作流程 搶答器的工作過程 1． 如果想調節(jié)搶答時間或答題時間 ,按 搶答時間調整 鍵或 回答時間調整 鍵進入調節(jié)狀態(tài) ,此時會顯示現(xiàn)在設定的搶答時間或回答時間值 ,如想加一秒按一下 加 1鍵 ,如果想減一秒按一下 減 1鍵，時間 LED 上會顯示改變后的時間，調 加載程序 運 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 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 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 41 頁 整范圍為 0~99s, 0s 時再減 1s 會跳到 99， 99s 時再加 1s 會變到 0s。 2． 主持人按 搶答開始 鍵，會 有提示音，并立刻進入搶答倒計時，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，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。 3． 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)會自動進入準備 狀態(tài) ， 等待主持人按 搶答開始 進入下次搶答計時。 4． 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。 總而言之，本課題利用 AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng) 設計 了搶答器，該搶答器增加了新功能、提高了系統(tǒng)的可靠性、簡化了電路結構、節(jié)約了成本，是一個實用的設計。 AT89C51 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器也稱專用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，簡稱SFR（ Special Function Register）。特殊功能寄存器共含有 22 個不同寄存器。它們的地址分配在 80H～ FFH 中，即在 RAM 地址中。這些寄存器的名稱和地址見表 。 表 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符 號 地 址 注 釋 *ACC E0H 累加器 *B F0H 乘法寄存器 *PSW D0H 程序狀態(tài)字 SP 81H 堆棧指針 DPL 82H 數(shù)據(jù)存儲器指針低 8位 DPH 83H 數(shù)據(jù)存儲器指針高 8位 *IE A8H 中斷允許控制器 *IP D8H 中斷優(yōu)先控制器 *P0 80H 端口 0 *P1 90H 端口 1 *P2 A0H 端口 2 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 41 頁 續(xù)表 AT89C51 特殊功能寄存器列表 *P3 B0H 端口 3 PCON 87H 電源控制及波特率選擇 *SCON 98H 串行口控制器 SBUF 99H 串行數(shù)據(jù)緩沖器 *TCON 88H 定時器控制 TMOD 89H 定時器方式選擇 TL0 8AH 定時器 0低 8位 TL1 8BH 定時器 1低 8位 TH0 8CH 定時器 0低 8位 TH1 8DH 定時器 1高 8位 注： 帶 *號的特殊功能寄存器都是可以位尋址的寄存器 雖然特殊功能寄存器地址在 80H～ FFH 之中，但在 80H～ FFH 的地址單元中，不是所有的單元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的單元，其內容是不確定的，如果對這些單元進行操作，得到的是一些隨機數(shù)，而寫入則無效。所以，用戶編程時不應該將數(shù)據(jù)寫入這些未確定的地址單元，它們是公司留待 將來開發(fā)新產品時使用的。 AT89C51 的功能及簡介 89 系列單片機的概況 AT89C51 單片機是 ATMAL 公司 89 系列單片機的一種 8 位 Flash 單片機。它最大特點是片內含有 Flash 存儲器，用途十分廣泛，特別是在生產便攜式商品，手提式儀器等方面，有著十分廣泛的應用 [3]。 1． 系列單片機的特點： 89 系列單片機是以 8031 為內核的產品，它與 51 系列單片機是兼容的。 89 系列單片機具有以下特點： 1)內部含有 Flash 存儲器，使用戶在開發(fā)過程中十分容易修改程序縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期?？梢灾?復多次編程，可根據(jù)需要對內部程序進行更新或升級。 2)89 系列單片機的引腳和 AT80C51 引腳座兼容，用 89 系列單片機可以代替同檔次的 AT80C51 單片機，不需要對外圍電路進行改動。 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 41 頁 3)89 系列單片機采用靜態(tài)時鐘方式，可以節(jié)省電能，降低便攜式設備的功耗。 2． 系列單片機的結構簡介： 89 系列單片機的內部結構與 AT80C51 相近，主要有以下部件： 1） 31CPU； 2） 振蕩電路 ； 3） 總線控制部件 ； 4） 中斷控制部件 ； 5） 片內 Flash存儲器 ； 6） 片內 RAM； 7） 并行 I/O 接口 ； 8） 定時器 ； 9） 串行 I/O 接口 。 89 系列的各種型號單片機，內部差別很大。例如， AT89C1051 片內 Flash 存儲器只有 1KB，而 AT89C5 AT89LV52 和 AT89S8252 的片內 Flash 存儲器有 8KB。AT89S8252 的結構最復雜，它的內部含有標準的串行口，還有一個串行的外圍接口SPI， Watchdog 定時器，雙數(shù)據(jù)指針等部件，以及電源下降的中斷恢復功能。 89 系列的單片機一共有五種型號，分別為 AT89C51， AT89LV51， AT89C52，AT89LV52和 AT89S8252，其中 AT89LV51和 AT89LV52分別 是 AT89C51和 AT89C52的低壓產品，最低電壓可以低 ， AT89C1051 和 AT89C2051 則是抵擋的低壓產品，只有 20 根引腳。 89 系列單片機的型號編碼中字母的意義是： AT 表示該器件是 ATMEL 公司的產品， C 表示該器件是 CMOS 產品， LV 表示該器件是低電壓產品， S 表示該器件含可以下載的 Flash 存儲器。 AT89C51 是 89 系列單片機的標準型，它是與 MSC51 系列單片機兼容的。在內部含有 4KB 或 8KB 可重復編程的 Flash 存儲器，可進行 1000 次擦寫操作。全靜態(tài)工作為 024MHZ，有 3 級 程序鎖存器，內部含有 128256 字節(jié)的 RAM，有 32 條可編程 I/O 口線， 23 個 16 位定時 /計數(shù)器， 68 個中斷源，通用的串行接口，低電壓空閑及電源下降方式。 AT89C51 單片機 AT89C51 是一種低功耗、高性能的含有 4KB 閃速可編程電擦除只讀存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術制造，并且與 80C51 指令系統(tǒng)和引腳完成兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線或采 用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。 1． 89C51 的主要性能包括： AT89C51 與 MCS— 51 控制器系列產品兼容，片內有 中北大學信息商務學院 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 41 頁 4K 可在線重復編程閃速電擦除存儲器