【正文】 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(shí)間和回答問題時(shí)間倒記時(shí)顯示，時(shí)間完后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位 ； 按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法 。同時(shí) 通過本課題設(shè)計(jì)與裝配、調(diào)試，提高 自己的 動(dòng)手能力，鞏固已學(xué)的理論知識(shí)，建立 單片機(jī)理論和實(shí)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(jì)、計(jì)算 定時(shí)計(jì)數(shù) 的各個(gè)單元電路。 提高動(dòng)手能力和排除故障的能力。主持人有開始和結(jié)束 、 復(fù)位鍵 。通過加鍵和減鍵修改上述時(shí)間，改完后結(jié)束鍵確定。 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(hào)，揚(yáng)聲器持續(xù)發(fā)生 。 通過研究并在設(shè)計(jì)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，采用 單片機(jī) 技術(shù)設(shè)計(jì)的搶答器與目前常用的搶答器相比，首先，電路連接簡單，因?yàn)榇蠖鄶?shù)功能單元都通過程序設(shè) 計(jì) 在單片機(jī)內(nèi)部， 第二，工作性能可靠，抗 干 擾能力優(yōu)于目前搶答器 。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 2 系統(tǒng)概述 系統(tǒng)的主要功能 本系統(tǒng)是借用單片機(jī)采用模塊化設(shè) 計(jì)的八路搶答器，包括 8 路搶 答按紐、計(jì)時(shí)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）、開始與結(jié)束控制按鈕、時(shí)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）。 系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如圖 21 所示。 一共有 8 個(gè)按鍵輸入，分別對應(yīng) 8 路選手的搶 答按鍵。在后臺(tái)主持人可以修改，搶答時(shí)間和選手回答問題的時(shí)間設(shè)置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r(shí)間為 20s，回答問題時(shí)間為 30s。新時(shí)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(shí)間倒計(jì)時(shí)和選手號(hào)，在最后五秒揚(yáng)聲器發(fā)生提示。主持人可按 AT89C51單片機(jī) 4 位七段數(shù)碼管 顯示 聲音電路= 8 路搶答 按鍵輸入 復(fù)位電路 開始、結(jié)束 按鍵輸入 加一、減一 按鍵輸入 時(shí)鐘 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 鍵結(jié)束，新一輪搶答開始。它完成了時(shí)間參數(shù)的設(shè)定，搶按號(hào) 碼的譯碼，保存；顯示； 輸出，搶按及答題倒計(jì)時(shí)功能等。其中兩個(gè)顯示時(shí)間，一個(gè)空位，一個(gè)顯示搶答號(hào)碼。可以搶按：超時(shí)數(shù)碼管顯示“ FFF” ，當(dāng)搶按超過規(guī)定時(shí)間或答題超過規(guī)定時(shí)間后數(shù)碼管顯 示 “ FFF”。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(hào)碼。 搶答限定時(shí)間和回答問題的時(shí)間可 以 在 1～ 99s 設(shè)定。 搶答時(shí)間和回答問題時(shí)間倒記時(shí)顯示，時(shí)間完后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 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(shí)，有多個(gè)信號(hào)同時(shí)或不同時(shí)送入主電路中，搶答器內(nèi)部的寄存器工作，并識(shí)別、記錄第一個(gè)號(hào)碼，同時(shí)內(nèi)部的定時(shí)器開始工作，記錄有關(guān)時(shí)間并產(chǎn)生超時(shí)信號(hào)。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 2所示，下面分別予以介紹。 主持人按 搶答開始 鍵，會(huì)有提示音，并立刻進(jìn)入搶答倒計(jì)時(shí)（預(yù)設(shè) 20s 搶答時(shí)間），如有選手搶答，會(huì)有提示音，并會(huì)顯示其號(hào)數(shù)并立刻進(jìn)入回答倒計(jì)時(shí)（預(yù)設(shè) 30s 搶答時(shí)間），加載程序 運(yùn) 行 行 開始 開 始數(shù)碼管顯 示 FFF 開始搶 按時(shí)間倒計(jì)時(shí) 開始前有選手搶按 顯示違例選手號(hào)碼并伴有語音報(bào)警 倒計(jì)時(shí)結(jié) 束，超時(shí) 有選手 搶按 顯示 FFF 顯示選手號(hào)碼，倒計(jì) 時(shí)時(shí)間 ,語音報(bào)警，答 題 ,答題時(shí)間倒計(jì)時(shí) 正常流程 違規(guī)流程 若超過答題 時(shí)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 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 不進(jìn)行搶答查詢，所以只有第一個(gè)按搶答的選手有效。 如倒計(jì)時(shí)期間，主持人想停止倒計(jì)時(shí)可以隨時(shí)按 “ 停止 ” 按鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)備 狀態(tài) ， 等待主持人按 “ 搶答開始 ” 進(jìn)入下次搶答計(jì)時(shí)。 總而言之 ， 本課題利用 AT89C51 單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)的搶答系統(tǒng) 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)、節(jié)約了成本，是一個(gè)實(shí)用的工程設(shè)計(jì)。如表 1 所示。它最大特點(diǎn)是片內(nèi)含有 Flash 存儲(chǔ)器，用途十分廣泛，特別是在生產(chǎn)便攜式商品，手提式儀器等方 面，有著十分廣泛的應(yīng)用 [6]。在內(nèi)部含有 4KB 或 8KB 可重復(fù)編程的 Flash 存儲(chǔ)器，可進(jìn)行 1000 次擦寫操作。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部由 CPU、 4KB 的 FPEROM ， 128B 的 RAM， 兩個(gè) 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1， 4 個(gè) 8 位的 I/O 端 P0、 P P P3 等組成。 CPU 主要功能是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制存儲(chǔ)器、輸入 /輸出端口的數(shù)據(jù)傳輸、徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及位操作處理等， CPU 按其功能可分為運(yùn)算器和控制器兩部分。它的功能是對來自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，通過實(shí)時(shí)控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部的控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。 圖 23 AT89C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)增加了一個(gè)通用寄存器 B 和一些專用寄存器，還增加了位處理邏輯電路的功能。 AT89C51 的主要性能包括： AT89C51 與 MCS—51 控制器系列產(chǎn)品兼容，片內(nèi)有 4K可在線重復(fù)編程閃速電擦除存儲(chǔ)器（ Flash Memory），存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次；存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保存時(shí)間可達(dá) 10 年；工作電壓范圍寬： Vcc 可由 到 6V；全靜態(tài)工作可由0Hz 到 16MHz；程序存儲(chǔ)器具有 3 級鎖存保護(hù)； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 32 條可編程 I/O 線；兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)具有 5 個(gè)中斷源和 2 個(gè)中斷優(yōu)先級；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài) 維持 低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。只要技術(shù)準(zhǔn)備充分，硬件設(shè)計(jì)的大返工 是比較少的，軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設(shè)計(jì)任務(wù)，隨著集 成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，各種功能很強(qiáng)的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設(shè)計(jì)的工作量在整個(gè)項(xiàng)目中的所占的比重逐漸下降。 (2) 留有設(shè)計(jì)余地。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果 現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工 。 (4) RAM 空間， AT89C51 內(nèi)部 RAM 不多，當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時(shí)，往往覺得不足。如選用 8155 作 I/O 接口，就可以增強(qiáng) 256 字節(jié) RAM。隨著軟件設(shè)計(jì)水平的提高，往往只要改變或增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。 (5) I/O 端口：在樣機(jī)研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場試用時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如果在硬件電路設(shè)計(jì)就預(yù)留出一些 I/O端口，雖然當(dāng)時(shí)空著沒用，那么用的時(shí)候就派上用場了。 K1~K8 分別為 8 路搶答按鍵，分別接到單片機(jī)的 ~ 中。搶答時(shí)間調(diào)整按鍵和回答時(shí)間調(diào)整按鍵分別接到單片機(jī)的 1 14 管腳，加一按鍵和減一按鍵分別接到單片機(jī)的1 16 管腳。 4 位七段數(shù)碼管的 位選 接 P2 口低 3 位，蜂鳴器輸出為 口 。 在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路 ， 只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元 ， 決定單片機(jī)的工作速度。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 32 外部振蕩源電路 一般選用石英晶體振蕩器 。 電路中兩個(gè)電容 C1， C2 的作用有兩個(gè) ： 一是幫助振蕩器起振 ； 二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào) 。 單片機(jī)在工作時(shí) ， 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(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期 。圖中 時(shí)鐘頻率為 12MHz， 即 fosc=12MHz， 則時(shí)鐘周期為 1/12181。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的第 9 腳 RST 為硬件復(fù)位端 ， 只要將該端持續(xù) 4 個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位 ， 復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 33 所示 ： 圖 33 復(fù)位電路 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 33 中由按鍵 RESET1 以及電解電容 C電阻 R2 構(gòu)成按鍵及上電復(fù)位電路。當(dāng)上電后，由于電容的緩慢充電，單片機(jī)的 9 腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時(shí)間后，單片機(jī)的 9 腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從 0000H 開始執(zhí)行。 軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)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 。 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(dòng)態(tài)顯示 。 在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況采用的是動(dòng)態(tài)顯示方法 。 在這里我們通過查表將字型碼送給 7 段數(shù)碼管顯示的數(shù)字 ， 4 位七段數(shù)碼管顯示電路如圖 34 所示。在圖中還有八個(gè) 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(shí)候處于高電平狀態(tài)。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計(jì)方法也可以在文獻(xiàn)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(yīng)的鍵盤掃描程序。在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤 。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生 的 “ 毛刺” 現(xiàn)象 。 在本文設(shè) 計(jì)中采用了獨(dú)立鍵盤的方式，本設(shè)計(jì)中有 8 個(gè)搶答按鍵輸入，一個(gè)開始按鍵、一個(gè)結(jié)束按鍵，此外還有搶答時(shí)間調(diào)整鍵、回答時(shí)間調(diào)整鍵，加一按鍵、 減一按鍵 各一個(gè)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 圖 35 搶答按鍵及調(diào)整按鍵 在圖 35 中 8 個(gè)搶答按鍵分別接入單片機(jī)的 ~ 端口，單片機(jī)通過讀取 ~的值來判斷當(dāng)前輸入的是 8 個(gè)搶答按鍵中的哪一個(gè)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 圖 36 開始、結(jié)束按鍵 在圖 36 中，開始及結(jié) 束按鍵接到單片機(jī)的 11 腳，這里用到了單片機(jī) 11 腳復(fù)合功能中的 IO 端口功能，單片機(jī)通過讀取 11 腳的 、 的 IO 端口值來判斷當(dāng)前是否處于搶答開始狀態(tài)或搶答結(jié)束狀態(tài)?，F(xiàn)在一般均用軟件延時(shí)的方法來避開抖動(dòng)階段， 這一延時(shí)過程一般大于 5ms，例如 取 1020ms。如果讀鍵過程安排在定時(shí)中斷子程序中，就可省去專門的延時(shí)子程序，利用兩次定時(shí)中斷的時(shí)間間隔來完成抖動(dòng)處理。圖 37 中電路就是由一個(gè) 74HC30 輸入與非門和 74LS04 反向器組成的去抖電路。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 本文設(shè)計(jì)如圖 38 所示。 圖 38 發(fā)聲電路 系統(tǒng)復(fù)位 電路的設(shè)計(jì) 使 CPU 進(jìn)入初始狀態(tài)，從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復(fù)位。硬件復(fù)位必須通過 CPU 外部的硬件電路給 CPU 的 RESET 端加上足夠時(shí)間的高電位才能實(shí)現(xiàn)。硬件復(fù)位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。軟件復(fù)位就是用一系列指令來模擬硬件復(fù)位功能，最后通過轉(zhuǎn)移指令使程序從 0000H 地址開始執(zhí) 行。而對中斷激活標(biāo)志的清除工作常被遺忘，因?yàn)樗鼪]有明確的位地址可供編程。軟件復(fù)位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進(jìn)行的工作，這時(shí)程序出錯(cuò)完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標(biāo)志已置位，它將阻止同級中斷響應(yīng)。 在所有的指令中，只有 RETI 指令能夠清除中斷激活標(biāo)志。 程序 一般 先關(guān)中斷，以便后續(xù)處理能順利進(jìn)行， 然 后用兩個(gè) RETI 指令代替兩個(gè) LJMP指令，從而清除了兩級中斷激活標(biāo)志。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 有復(fù)位時(shí)系統(tǒng)的歷史狀況，可將復(fù)位分為“冷啟動(dòng)”和“熱啟動(dòng)”。系統(tǒng)初次上電投