基于单片机的竞赛抢答器系统设计毕业设计

毕业设计说明书

基于单片机的竞赛抢答器系统

设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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注意事项

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6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

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2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它

基于单片机的竞赛抢答器系统设计

摘要：在现在的抢答比赛中需要高效准确的确定第一抢答者，那么一个功能完善的抢答器可以准确公正直观的确定第一抢答者，所以对于基于单片机的竞赛抢答器系统设计的研究是有重要意义的。

设计需要了解数字电子技术、模拟电子技术，同时需要对单片机理论有相当的了解。目标是实现八路竞赛抢答器的设计。设计使用蜂鸣器报警、数码管显示、按钮输入，使用51系列单片机通过软件编程进行数据处理，从而实现八路抢答器的设计。硬件电路主要是进行模块化设计，最后连接成一个整体的硬件电路。软件设计是采用汇编语言编程。软件方面主要通过单片机的汇编程序进行数据的处理。抢答器的判定都是使用单片机进行处理的，从而杜绝了人为的作弊。本次设计的系统能实现抢答器基本功能，同时有报警和倒计时功能。本次设计的实物体积比较小巧，同时成本比较低廉，维护起来非常方便系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。由于目前小型比赛较多，价格低廉容易转移的抢答器会有较大的市场。

关键词：八路抢答器；AT89C51；报警；计时

Contest for microcontroller-based system design

Abstract: In today’s game first responder responder needs to determine the accurate and efficient, so a perfect function of the responder can determine the first answer accurately and fairly intuitive, so for the competition responder system design based on single chip microcomputer research has important significance.

This design need to understand the digital electronic technology, analog electronic technology, at the same time need to be knowledgeable of SCM theory. Goal is to realize the eight-way responder design competition. This design USES a buzzer alarm, digital tube display, buttons, input, using 51 series single-chip microcomputer by software programming for data processing, so as to realize eight-way responder design. Hardware circuit is mainly carries on the modular design, the hardware circuit connection into a whole. Software design is to use assembly language programming. Software mainly by MCU assembly program for data processing. Buzzer judgement is to use single chip microcomputer for processing, so as to put an end to cheating in the man-made. The basic function design of the system can realize the buzzer, alarm and count down function. This design in small physical volume, at the same time, the cost is low, it is very convenient to maintain the system, with strong practicality, judgment accuracy, simple operation, strong function. Cheap price, because of the small game is at present more easier to transfer the responder has the larger market.

Key Words:Eight–way responder; AT89C51; Alarm; Time

目录

1 概述 (1)

1.1 选题背景及意义 (1)

1.2 抢答器功能介绍 (1)

2 系统硬件设计 (3)

2.1 总体方案设计 (3)

2.2 单片机介绍 (4)

2.3 键盘扫描电路 (6)

2.4 报警电路 (7)

2.5 显示电路 (8)

3 系统程序设计 (10)

3.1 主程序 (10)

3.2 正常抢答 (12)

3.3 犯规抢答 (13)

3.4 显示程序 (14)

3.5 报警程序 (14)

3.6 抢答时间调整子程序 (14)

4 系统仿真调试 (16)

4.1 Keil uVision2软件调试 (16)

4.2 Proteus仿真 (16)

5 实物电路制作以及调试 (19)

6 结束语 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

附录 (24)

附录1: 程序清单 (24)

附录2: 设计图纸 (32)

附录3: 元器件目录表 (3)

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1 概述

1.1 选题背景及意义

现在我们进入了电脑时代，在这个时代个人计算机已经被大部分人所熟知，还有一类计算机大多数人并不熟悉，这就是微控制器，也就是俗称的单片机。这种计算机现已经集成到了一个芯片上，一般都用来进行简单的运算和控制。虽然体积比较小，但是在整个装置中起到相当于人脑的作用。在现在的电子产品中一旦用到单片机就可以在产品前加上智能型三个字。

在现在社会，我们需要选拔人才，评选优胜，各种各样的竞赛一场接着一场，尤其是在一些需要抢答的环节上，我们如果通过人力选择出抢答的人就会很耗时间。同时由于人得视野有限，反应有延迟，不能有效的区分到底是谁第一个抢到问题。同时选择时也存在一些主观的人为的因素，这就会造成比赛的不公平。而且选手和观众也会对结果有分歧，不利于比赛的氛围，这就迫切需要设计一个系统使选手和观众都称心如意，不会对结果产生分歧的系统。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。怎样来设计抢答器，能使以上问题得以解决？无论差别多少时间，只要有时间差别就能分辨出来，那么也就必然离不开抢答器。现在抢答器越来越数字化，越来越智能化，这就会使抢答器的成本不断增加。而有些小规模的竞赛并不需要太过于花哨的功能，同时由于规模较小场地不固定，迫切需要低成本的同时功能完善的抢答器，所以小型抢答器会很有市场。

目前市场上抢答器有可靠性低，使用的时间不长，维护比较麻烦等等不方便的因素，所以此次设计提成用AT89C51单片机为核心设计出一个可靠、容易维护的竞赛抢答器系统。本次设计通过蜂鸣器设计了一个报警模块，用来提示发生的事件。通过数码管显示出时间以及需要的选手的编号。输入直接使用按钮模拟选手输入。再用单片机和其最小系统将各个模块联系起来形成一个完整的整体。本次设计的系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。

1.2 抢答器功能介绍

本次设计的抢答器可以由8个人或代表队使用。在比赛开始前，主持人可以根据题目的难易进行时间上的设定，时间设定灵活多变，简单易用。同时会有抢答清除按钮用来清除显示和报警，以应对各种不同状况。同时会提示非法抢答，保证比赛公平公正。

比赛开始，主持人读完题之后按下“开始键”，即抢答开始，蜂鸣器提示一次，定时器进行减计时，直到有一个选手按下抢答键，对应的会在数码管上显示出该选手的编号和回答剩余的时间，同时蜂鸣器也会发出一次提示音，以示有人抢答本题。在30秒内无抢答键按下，时间耗尽后无法抢答。在最后5秒，若无抢答键按下，会进行报警，用以提示参赛选手。在倒计时过程中，主持人可以随时按“停止键”结束本次回答或者抢答。

抢答器会锁存选手编号，并且在LED数码管上显示出来。同时该数字除了主

基于单片机竞赛抢答器系统设计

持人按清除按钮之外无法被修改，即使有别的选手在这之后按下抢答按钮也不会改变结果。这样就可以保证公平第一的原则。同时第一抢答选手按下按钮时会有蜂鸣器发声提示。若主持人没有按下“开始”按钮，就有人非法抢答，那么数码管也会显示该位选手编号，编号除了清除按钮之外不会受别的影响，会一直保持，同时蜂鸣器会不断报警。在每次抢答时只要主持人按下清除复位按钮都会使系统清零，数码管全部显示“F”。

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2 系统硬件设计

2.1 总体方案设计

方案一：抢答器系统采用中小规模集成电路，使用按钮作为开关，完成输入信号的触发。该方案不需要软件编程，只需要硬件电路不出错就可以实现需要的功能。但是电路结构复杂，不利于调试，成本较高，实际接线的时候会因导线连接混乱造成干扰和短路等故障，如图2-1。

基于单片机竞赛抢答器系统设计

图2-2基于AT89C51作为系统控制器方案

方案三：采用现场可编程门列阵（FPGA ）。FPGA 可以给出很多逻辑单元，可以将你想要的电路用硬件语言描述出来，许多的复杂功能都可以实现，比较灵活多变而且在时序方面比单片机要好，。但是本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA 高速优势无法体现，同时芯片引脚比较多，实物电路板布线复杂，加重实际焊接时的工作。

基于以上分析，本次设计采用方案二。

2.2 单片机介绍

单片机最小系统。

时钟电路如图2-3。

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图2-3 时钟电路

AT89C51一个机器周期有12个振荡脉冲，及振荡脉冲的12分频。本设计使用的晶振频率是12MHZ，也就是说该系统的一个机器周期是1us。电路中的瓷片电容可以帮助晶振起振同时可以微调晶振的频率。这就构成了单片机最小系统中的时钟系统。

复位电路如图2-4。

单片机复位很简单，只需要在复位的端口加上2个周期以上的高电平就可以了，复位后程序从开始重新执行。在RST上有持续的高电平，那么单片机就会一直处于复位的状态。复位一般分为上电复位、开关复位。芯片刚上电是会有一段时间的供电不稳，这时就会使单片机产生错误，为了解决这种问题我们可以通过添加一个电解电容和一个电阻解决这个问题，这就是上电复位保证单片机正确的正常启动。现在许多芯片增加延时功能，不过以防万一我们还是会增加上电复位，以保证单片机不会出错误。

上电复位是如此工作的，此时不用考虑按键和图中1K电阻的作用。给单片机供电时，电解电容相当于一段导线使得复位端口有了高电平，这时单片机就恢复位。不过电解电容在上电的时候就开始充电，直到它达到和电源电压相同时，由于电势相同，该段导线就相当于不在导通，单片机又正常工作

手动复位时需要一个添加一个按钮。这是为了在发生程序错误时或者一些特殊情况时，可以不用关闭电源直接是单片机恢复到初始的状态。按钮的作用主要是让电解电容放电，这样电解电容又可以看成导线，复位端又会出现高电平，单片机复位，按钮松开电容又充电。此时单片机上电复位完毕，系统程序从0000H开始执行。

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图2-4 复位电路

2.3 键盘扫描电路

一般我们使用单片机时我们都会使用键盘作为数据的输入设备。键盘由按钮组成，按钮实物图如图2-5。

图2-5 按钮实物图

方案一：采用矩阵式键盘。矩阵式键盘按键比较多可以适应大多数的场合，可以节约单片机的I/O。但是应为按键比较多，那么相应的连线就比较多比较复杂。同时按键过多使的在编程时会比较复杂。适用于需使用大量按键的场合。

方案二：采用独立式键盘。独立式键盘每个键都需要一个I/O口，当按键过多时会造成I/O口紧张，但是在编程时独立式键盘有较大的优势。适用于所需按键较少的场合。

因为，本设计I/O口线比较富余，所以采用方案二。

给P1口编号1到8，作为选手抢答时的按键输入的链接引脚。因为选手按键一端接引脚一段接地，所以每当一个选手按下按钮时，就相当于在P1口的某个引脚输入了一个低电平。这时单片机就会会进行相应的程序处理。

选手抢答电路如图2-6。

图2-6 选手抢答电路

主持人控制的电路如图7所示。开始按键与单片机的10管脚连接，停止按键与11管脚连接。单片机通过读取P3.0和P3.1的端口值，来判断主持人是按下“开始”键还是“结束”键。P3.2到P3.6这4个端口对应调节时间的4个按钮。这四个按键用于主持人对回答时间和抢答时间的调整。

2.4 报警电路

单片机通过控制不同频率的矩形脉冲来控制蜂鸣器发声。报警电路如图2-7。 P2

P2P2

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因为单片机的引脚电压不一定能驱动蜂鸣器，所以蜂鸣器在实际应用中需要加入驱动电路。驱动电路如图2-8。

三极管可以用最普通的9000系列的三极管，便宜且好买，常用低频小功率三极管9011:NPN、9012:PNP、9013:NPN、9014:NPN、9015:PNP、8550:PNP、8050:NPN。最常用的NPN型的管子是S9013，PNP的选S9012。本设计采用S9012。

2.5

在A

到H

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表2-1共阴极数码管真值表

输入数字

a b c d e f g h

1 1 1 1 1 1 0 0 0

0 1 1 0 0 0 0 0 1

1 1 0 1 1 0 1 0 2

1 1 1 1 0 0 1 0 3

0 1 1 0 0 1 1 0 4

1 0 1 1 0 1 1 0 5

1 0 1 1 1 1 1 0 6

1 1 1 0 0 0 0 0 7

1 1 1 1 1 1 1 0 8

1 1 1 1 0 1 1 0 9

方案一：采用数码管显示。数码管精确度能达到本设计的要求，对使用环境没有特别的要求，性价比也比较高。在程序设计上数码管的编译容易。

方案二：采用液晶屏显示。画面效果比数码管好，主要体现在可以显示多种符号，分辨率高可以看得面积比较大。但是资源占用比数码管多，同时成本比数码管高。

因为，只需显示选手号码和时间，所以选用方案一。显示电路如图2-10。此电路包括显示和驱动，显示采用数码管，通过P0口控制数字的显示，驱动用P2口，数码管采用动态显示。数码管动态显示，驱动数码管的电平不断的发生改变,使数码管亮与灭轮流变化。一般芯片的引脚不一定能够驱动数码管亮灭，所以需要一个能驱动数码管的电源驱动数码管。为了简化电路，一般直接使用芯片的电源驱动数码管，但是数码管需要的电压较低直接使用会烧坏数码管。这时需要一个220V的电阻来降低电压使得数码管在正常使用的时候不会被烧毁。

图2-10数码管显示电路

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3 系统程序设计

3.1 主程序

任何控制系统开始正常工作前都必须要进行初始化，本设计抢答器正常工作时，对系统初始化，扫描P3.0口，判断是否有低电平，即开始按键是否按下。如果“开始”键没有被按下，那么在扫描选手键是否被按下。如果有选手按下，就是非法抢答需要使用非法抢答子程序。如果“开始”键按下后，选手键才被按下，那么就是正常抢答，此时就是执行正常抢答程序。

本部分的程序主要就是初始设置，包括中断和相关的系统参数。中断在设计中需要考虑某个中断源是否允许，中断优先级和对于一些特殊的中断需要特定的设置。本设计的特殊的中断主要是定时/计数器和外部中断；首先需要确定定时/计数器的功能，在使用前确定是定时模式。在设计中在确定了定时功能模式后，定时/计数器将有多种工作方式可供选择，本设计采用方式一。该工作方式下，定时初值没有重新装填的功能。定时的初始值存放在TH0、TH1、TL0和TL1中。定时/计数器还需要设定其启动方式，本文中采用软件启动方式。具体实现为：MOV TMOD, #11H ，定时/计数器的启动由定时/计数器控制寄存器TCON中的TR0和TR1的置位实现。外部中断不仅需要设置中断优先和中断允许还需要设置中断的触发方式。本文程序设计中采用边沿触发方式。通过定时/计数器控制寄存器TCON中的IT0和IT1确定。置位表示边沿触发方式。反之为电平触发方式。指令的实现方法为：SETB IT0。

只要有中断程序响应，系统就会自动的将程序指针的PC值调到对应的中断服务的入口地址之上。在51系列单片机中，中断服务程序会大于8个字节，而中断服务程序入口地址后只分配8字节的程序空间，故需使用跳转指令跳转至存储器空间中的适当位置。有中断被响应，现在正在执行的程序会被暂停，同时进行保护，然后去执行刚刚的中断程序。这时将涉及到断点保护和现场保护的问题。断点保护由单片机内部自动完成，不需要外界干预。但是，现场保护是通过PUSH和POP 指令完成的，也就是说通过软件设置现场保护的。堆栈的深度也可以根据设计的实际情况重新设定。如果不进行设定，SP的值将为07H,堆栈深度为24B。大量的程序初始参数都需要在初始化的时候被设定，这样的话在程序运行的时候就可以方便的调用这些数据进行运算，这些数据的设定能直接影响程序的运行，需要小心设置。

盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2013) 主程序流程图如下：

图3-1主程序流程图

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3.2 正常抢答

正常抢答是在“开始”按钮，被按下后进行的抢答。程序实现了第一抢答选手的编号的锁存功能。正常抢答流程图如下：

图3-2正常抢答程序流程图