基于C51单片机的八路无线抢答器毕业设计

摘 要

能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用前期的模拟电路，数字电路或模拟与数字电路相结合的方式。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测日新月异的更新，利用单片机实现的抢答器也变得功能强大，结构简单，本文介绍一种利用单片机设计的八路无线抢答器，它功能不是特别多，但非常适合学校

抢答器的设计与制作方法在很多电子类媒体都能看到，但遗憾的是这些设计有的是原理性的，缺乏实用价值，而且不容易制作成功：有的电路设计过于复杂，不必要的功能太多。在这些设计中，主持人控制电路和选手控制电路之间一般都是用电缆连接，以达到相互之间通讯的目的，这种方法在实际使用时存在线缆连接可靠性的问题，并且安装和保管不方便，使用无线传输来传递各抢答器电路之间的信号，则可以有效避免有线传输信号的弊端。

关键词：抢答器；单片机；AT89C51；Keil c51；Proteus

引 言

单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。

而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。本设计就是基于单片机设计抢答系统，通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的功能。单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。

无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目.都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器.但绝大多数是早期设计的，以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。这部分抢答器已相当成熟，但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高.故障高，显示方式简单(有的甚至没有显示电路)，无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。近年来随着科技的飞速发展·单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异。本设计就是利用微电恼芯片(单片机)作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用单片机本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开。

目 录

第1章 设计要求与方案确定 (1)

1．1设计要求 (1)

1.基本功能 (1)

2.扩展功能 (1)

1．2设计思路 (1)

1．3方案确定 (2)

1．4硬件电路的设计方案及框图 (2)

第2章 无线发射与接收原理 (2)

2．1无线发射机的工作原理 (3)

2.1.1无线发射机原理介绍 (3)

2.1.2无线发射机的主要技术指标 (3)

2.1.3无线发射机特性 (3)

2．2无线接收机的工作原理 (4)

2.2.1无线接收机原理介绍 (4)

2.2.2无线接收机的主要技术指标 (4)

2.2.3无线接收机的特性 (4)

第3章 AT89C51简介 (6)

3．1主要特性 (6)

3．2管脚说明 (6)

3．3振荡器特性 (7)

3．4芯片擦除 (8)

3．5中断说明 (9)

第4章 硬件电路设计与器件选择…………………………….

4．1单片机的选择……………………………………………………

4．2时钟与复位电路设计与器件选择………………………………

4．3数码管显示电路…………………………………………………

4．4按键电路设计与器件选择………………………………………

4．5蜂鸣器电路的设计………………………………………………

4．6抢答信号输入电路……………………………………………….

4．7总电路原理介绍…………………………………………………

第5章 应用程序设计…………………………………………

5.1抢答器系统软件设计方案及框图……………………………… 5.2单片机内部程序信号流程………………………………………..

5.3抢答器应用源程序………………………………………………… 第6章 系统的调试…………………………………………….

6.1硬件调试……………………………………………………………

6.1.1脱机检查……………………………………………………………………

6.1.2联机调试……………………………………………………………………

6.1.3调试中所遇到的问题………………………………………………………

6.2软件调试 …………………………………………………………

6.2.1系统调试工具 Keil c51……………………………………………………

6.2.2系统调试的主要方法………………………………………………………

6.3软、硬联合调试……………………………………………………

第1章 设计要求与方案确定

1．1设计要求

1.基本功能：

（1） 以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个八路抢答器系统。

（2） 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0～S7表示。

（3） 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（4） 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声 器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

2.扩展功能：

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。

（2）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示FFF。

1．2设计思路

根据设计要求，初步思路如下：

（1）计时器由单片机内部的定时器/计数器1来完成。

（2）时间和选手号码显示采用DPY_7-SEG七段数码管，动态扫描方式。动态扫描的定时时间，由单片机内部的定时器/计数器0来实现。

（3）时间调整与时间的确定，通过接入键盘电路来实现。系统共设计五个按键，分别定义为：

SET1键（抢答时间调整设置键）：其功能是当按下该键按下时，进入抢答时间调整输入功能；

SET2键（回答时间调整设置键）：其功能是当按下该键按下时，进入抢答时间调整输入功能；

开始键：其功能是当按下该键按下时，可以进行抢答；

停止/确定键：其功能是当按下该键按下时，对时间进行确定或抢答器停止；

+1键：其功能是当按下该键按下时，被调整位加1；

-1键：其功能是当按下该键按下时，被调整位减1；

（4）按键的接入方式：

SET1键：通过P3口INT1引脚接入，中断工作方式；

SET2键：通过P3口T0引脚接入，定时器0工作方式；

开始键：通过P3口P3.0引脚接入

停止/确定键：通过P3口P3.1引脚接入

+1键：通过P3口T1引脚接入，查询工作方式；

-1键：通过P3口P3.6引脚接入,查询工作方式；

（5）报警声响用蜂鸣器产生,蜂鸣器接入P3口的P3.7引脚。

（6）可以用无线收发装置进行抢答

1．3方案确定

本抢答器系统的核心部件单片机芯片采用AT89C51,抢答器的抢答输送采用74LS04六反向器与74HC30八输入与非门相联合的方式，此电路具有结构简单，输入输出稳定，经济实用等优点。详细的电路还会在后面进行介绍。

1．4硬件电路的设计方案及框图

根据设计要求与设计思路，确定该系统的方案，图1-1为该系统设计方案的硬件电路设计框图。硬件电路由8个部分组成，即按键输入电路,单片机,时钟电路,复位电路, DPY_7-SEG七段数码管显示电路,蜂鸣器电路和抢答信号输入电路。

图1-1 硬件电路设计框图

第2章 无线发射与接收原理

组成无线传输系统的核心部件是无线收发组件，它包括发射机和接收机两部分。无线发射机和接收机多采用高频电路来传输低频的数字编码信号，频率可达几百兆赫以上。目前，国内规定和通常使用的频率为315MHz。它采用两种调制方式，为调幅（AM）和调频（FM）两种。调幅（AM）方式因价格低廉，性能可靠目前被许多制造厂商广泛应用于安全防范产品中。

2．1无线发射机的工作原理

1.无线发射机原理介绍

无线发射机将不同探测器的报警输出信号通过单片机或固守编码集成电路处理，转换成不同的地址码和数据码数字信号。这组表示报警地址和报警类型等信息的数字信号先由发射机的载波对其进行频率调制，调制后的信号再经功率放大和匹配，送至发射天线，最后转换为空间电磁波幅射出去。

2.无线发射机的主要技术指标

①发射机的发射功率（W）；

②发射机的静态电流（A）；

③发射机的报警工作电流（A）。

3.无线发射机特性

现在以市场上通用的声表稳频的发射头为例来讨论一下其特性：如图2-1所示，发射头是某公司生产的普通发射头。其特点是性能稳定，电路成熟，功率比较小，传输距离300m左右。

图2-1发射头

其主要技术指标：

①工作方式：调幅器（AM）；

②工作频率315MHz；

③频率准确度（±75z）。

④发射功率：≤100mW；

⑥静态电流：≤0.1uA；

⑦发射电流：10mA;

⑧电流电压：DC12V。

发射头是给出的315MHz的参数图，L1为固守印制电感，如需增大频率，如433MHz，可将C1改为3.5P，C3改为2P即可。如需减小频率，如260MHz，可将C1改为6P，C2改为12P即可。如需增大发射电流和发射功率，可将R2改为3.9K，反之将R2增大。此发射头电压可在3V—12V之间转换。

2．2无线接收机的工作原理

1.无线接收机原理介绍

由天线收到的高频调制信号经与本机振荡信号混频，滤波变换为中频信号，而后再由解调电路解调出原发射机送出的报警数字信号。该数字信号分为两路，依次经过。该数字信号分为两路，依次经过判决，整形后再送入“与门“，以进一步除去于扰。“与门”输出信号送微出理器进行进一步的处理，经译码后还原为模拟电信号，最后去驱动声，光报警并在面板上同时显示报警个数，报警地址编号，报警类型以及报警时间等。

（1）无线通信方式，即调制卢解调方式：调幅（AM）或调频（FM）方式，接收机采用对应的频率解调方式；

（2）工作频率（MHz）（以上两项指标无线接收机和无线发射机之间必须是相互配套对应的，否则无法实现报警信息的传递）；

（3）频率准确度（±**KHz）。

2.无线接收机的主要技术指标

①接收灵敏度（-dbm）：指可以触发接收机发出报警信号的最小输入信号；

②控制距离（m）：指正常情况下，发射机与接收机之间的最大无线传输距离；

③静态工作电流（A）；

④报警工作电流（A）。

3.无线接收机的特性

现在生产的接收机主要采用调幅方式，以便和发射机配对。一般采用两种电路，即超再生式接收机和超外差接收机，两种接收机各有其优缺点。超再生式接收机的优

现以某公司生产的接收机为例加以介绍，其电路图如图2-2所示：

图2-2 接收机

接收机是超再生式电路，本振采用LC并联谐振，L1为3.5-2.5T-0.7空心线圈,L2为5×5×3.5T模压可调线圈,L3为0307固守色码电感,LM358起放大整形的作用,Q1,Q2为高频管2SC3356。超载生再电路的特点是：由于采用可调电感来调整频率，所以比较麻烦，另外受温度的影响，在南方和在北方使用效果可能不一样。

其主要技术指标：

①工作方式：调幅（AM）；

②工作频率315MHz；

③频率准确度：出厂时一般调至±200KHz；

④接收灵敏度；-106db m；

⑤静态电流：≤5mA；

⑥输出方式：R×D端输出TTL电平；

⑦工作电流：≤5mA。

此图给出的是315MHz时的参数图，如需增加频率至433MHz，可将C1改至2P，L2改为模压可调线圈5×5×3.5T，其灵敏度调节可相应减小C2，C3的电容量和L1的电感量；如需减小频率至260MHz，可将C7改至7P，C8改至4P，其灵敏度调节可相应减小C2，C3的电容量和L1的电感量；如需减小静态电流和工作电流，可将R2改为3.9K，R11和R12改为100K，此时静态电流和工作电流可≤1.5mA。相应调整R1，R2，R11，R12的电阻量，最小可把静态电流和工作电流调至≤700mA,但此时灵敏度会降低，小电流接收适用于用电池供电和传输距离不需要不是很远的场合。

此图给出的是DC+5V供电的参数图，如需DC3V供电，可将R5改为60K，R7

12K；如需DC8V供电，可将R5改为220K， R7改为

不同的修改。

第3章 AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3．1主要特性：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

寿命：1000写/擦循环

数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

3．2管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1

被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH

校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚 备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出

正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

图3-1 AT89C51引脚配置图

3．3振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3．4芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3．5中断

中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共 享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。 向CPU 发出中断请求的来源称之为中断源。AT80C51 外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断“0”和 外部中断“1”。它们的中断请求信号分别由引脚INT0 （P3.2）和INT1 （P3.3）引入。 外部中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关 控制位进行定义。

图3-1为AT89C51的电路框图

第4章 硬件电路设计与器件选择

4．1单片机的选择

根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用系统，可以选择带有EPROMR 单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。INTEL 公司的8051和平解决751芯片均可以选用。还有其他一些厂家生产与MCS-51系列单片机相兼容的芯片，例如ATMEL公司生产的AT89C**系列单片机。AT89C**系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小。它以较小的体积，良好的性能价格比倍受青睐，在家电产品，工业控制，计算机产品，医疗器械，汽车工业等应用方面成为用户降低成本的首选器件。

因此，我们可选用AT89C51单片机。该芯片的功能与MCS-51系列单片机完全兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用。

4．2时钟与复位电路设计与器件选择

1.时钟电路的设计

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟，如图4-1所示。

图4-1 时钟电路

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中，电容器C1和C2对振荡有微调作用，通常的取值范围30uF 左右；石英晶体选择6MHz 或12MHz 都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计算初值。 2.复位电路的设计

单片机的RST 引脚为主机提供了一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。

复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从ROM 的0000H 开始执行程序。

单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种，图3-4是51系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要VCC 上升时间不超过1min ，它们都能很好的工作。

图4-2复位电路

4．3数码管显示电路

单片机应用系统中，通常都需要进行人——机对话。这包括人对应用系统的状态于预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。显示器，键盘电路就是用来完成人——机对话活动的人——机通道。

1. LED 数码显示器的结构

LED 数码显示器是一种有 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了 8 个 LED 发光二极管，其中 7 个用于显示字符，一个用于显示小数点，故通常称之为 7 段发光二极管数码器。其内部结构如图4-3所示。

图4-3 数码管内部结构图

LED 数码显示器有两种连接方法如下。

共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。

共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使

用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。

2. LED 数码显示器的显示段码

为了显示字符，要为LED 显示器段码（或称字形代码），组成一个8 字形字符的7 段，再加上 1 个小数点位，共计8 段，因此提供给LED 显示器的显示段码为 1 个字节。各段码位的对应关系如下表所示.十六进制数及空白字符与P 的显示段码.

3.显示方式

显示部分采用动态扫描4位LED显示接口电路．LED动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式．其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a—dp同名端并联在一起，而每一个显示器的公共极C0M是各自独立地受I／0线控制．CPU的字段输出口送出字形码时．所有显示器由于同名端并连接收到相同的字形码，但究竟哪个显示器亮，则取决于COM端．而这一端是由I／O控制的．所以就可以自行决定何时显示哪一位了．在轮流点亮扫描过程中．每位显示器的点亮时间表是极为短暂的．但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉将就尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描速度足够快．给人的印象就是一组稳定的显示数据．不会有闪烁感。

图4-4 显示器接口电路原理图

4．4按键电路设计与器件选择 1.键盘部分

键盘是单片机应用系统最常用的输入设备,操作人员可以通过键盘向单片机系统输入指令、地址和和数据，实现简单的人机通信。

（1） 键盘结构的选择；在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，键盘可以分为

独立式键盘和行列式键盘（矩阵式）两类。

在本例中只需要六个按键，因此选择独立式键盘。如图4-5所示，按键分别命名为BEGIN 键开始抢答、RET/STOP 确定/停止键、SET1键允许答题时间、SET2键抢答时间、+1键时间加和-1键时间减，按键可以采用复位开关。

（2） 键盘与单片机的接口电路设计

如图4-5所示，将键盘直接与单片机的P3口相连。用P3.3引脚通过按键入外部中断的请求信号INT1；P3.0接开始抢答键；P3.0引脚与RET/STOP 键相接；P3.4、P3.5分别和SET 键、+1键相连；P3.6引脚与-1键相接。

2.按键功能

SET1键功能：回答时间设置，使用SET1与+1键、-1键、RET/STOP键来配合完成这一功能。

SET2键功能：抢答时间设置，使用SET2与+1键、-1健、RET/STOP键来配合完成此功能。

+1键功能：对个位进行+1调整，即该键每按下一次，个位时间高速位加+1。

-1键功能：对个位进行-1调整，即该键每按下一次，个位时间高速位加-1。

RET/STOP确定/停止键：一方面对时间调整位进行确定，另一方面可以对抢答器进行停止，停止后显示FFF。

BEGIN键功能：按下该键后可以对抢答器进行抢答。

图4-5 键盘接口电路原理