基于单片机的八路抢答器设计

XXX大学（学院）本科生毕业设计基于单片机的八路抢答器设计

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目录

设计总说明 ................................................................................................................................. I INTRODUCTION ..................................................................................................................... II 第1章绪论 (1)

1.1 概述 (1)

第2章系统总体方案设计 (1)

2.1 设计要求 (1)

2.2 方案选择 (1)

2.2.1 单片机的选择 (1)

第3章系统硬件设计 (2)

3.1 整体方案设计 (2)

3.1.1 系统概述 (2)

3.1.2 系统框图 (2)

3.2 最小系统模块 (2)

3.2.1 STC89C52简介 (2)

3.2.2 最小系统电路 (4)

3.3 显示电路 (5)

3.3.1 数码管简介 (5)

数码管概述 (5)

3.3.2 数码管显示模块电路 (6)

3.4按键模块电路 (7)

3.5 报警模块电路 (8)

第4章软件设计 (8)

4.1 程序语言及开发环境 (8)

4.2 抢答器原理 (9)

4.2.1 主程序流程图设计 (9)

4.2.2 显示抢答违规流程图 (11)

4.2.3 抢答成功流程图 (11)

第5章硬件组装与调试 (12)

5.1 元器件的选择与测量 (12)

5.2 元件的焊接与组装 (12)

5.3 电路的调试 (13)

5.3.1 调试方法 (13)

5.3.2 调试步骤 (13)

第6章总结 (15)

鸣谢 (15)

参考文献 (16)

设计总说明

抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。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，但这种方式制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大，安装、维护困难。本节介绍一种利用51单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的八路抢答器。近年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色。单片机应用技术已成为一项新的工程应用技术。本次课程设计我们做的是八路抢答器，我们采用STC89C51单片机实现抢答功能，性能更稳定，更易操作调试。

关键词：单片机；多路数字抢答器

INTRODUCTION

Responder is a priority decision circuit for the quiz participants answer to answer in the design, widely used in all kinds of knowledge competition, cultural activities and other occasions. There are many ways to achieve Responder function, can be used early in the analog circuits, digital circuits or analog and digital circuit combination, but the production process is complicated, and the accuracy and reliability is not high, the product size, difficult installation and maintenance. This section introduces a 51 MCU as the core components of eight responder logic control and signal generation. In recent years, with the continuous improvement of grade MCU, continuously improve the function, its application is getting more and more mature, application fields expand gradually, especially in industrial control, household appliances and other fields of sophisticated weapons and more is because of the single chip and with grace. Single chip microcomputer application technology has become a new engineering application technology. The curriculum design we do is eight responder, we use the STC89C51 MCU responder function, more stable performance, easy to debug.

KEYWORDS: SCM; digital responder

第1章绪论

1.1 概述

随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已经广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业。微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。

电子智能抢答器在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先回答问题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒也可以分辨出使哪组优先回答问题。抢答组数可以在八组以内任意使用，本系统工作原理本系统采用89C51单片机作为核心。控制系统的几个模块分别为：单片机最小系统、显示驱动模块、抢答开关模块、报警模块。

多路数字抢答器在各种智力竞赛中经常用到。在各校举行的各种竞赛中我们也经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。为解决这个问题，设计制作一个八路数显抢答器。一方面加深我们对所学习的知识的了解，巩固模拟、数字电路知识，也提升我们解决日常生活中常见问题的能力，掌握一般设计方法与设计步骤。积累实际设计制作经验，为走向更复杂更实用的应用领域奠定基础。

第2章系统总体方案设计

2.1 设计要求

1）具有八路抢答。

2）采用数码管显示

3）可设计抢答时间和答题时间

4）具有声音提醒功能

实现功能：

设计的是一个八路定时抢答器；主持人控制系统的清零和抢答的开始。抢答开始后，若有任何一名选手按动抢答按钮，抢答器就会显示该选手编号直至系统被主持人清零，并有扬声器发出提示，同时其他人再抢答就无效了。这次设计的抢答器还有自动定时功能，主持人可以设定选手答题的时间和抢答的时间。当主持人启动“开始”键后，定时器会自动减计时，这个会显示在显示器上。选手只有在抢答时间内抢答才有效，若在

答题时间内没有选手答题，时间到时，报警电路就会发出警报并且禁止抢答。

2.2 方案选择 2.2.1 单片机的选择

方案一：采用DSP 作为系统控制器。DSP （digital signal processor ）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。DSP 具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。但DSP 硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。

方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。

基于以上分析，拟定方案二，用STC89C52单片机作为控制器。

第3章 系统硬件设计

3.1 整体方案设计 3.1.1 系统概述

整个系统以STC89C52单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，显示设备为共阴数码管；电源供电则采用USB 5V 供电，报警部分采用蜂鸣器，同时还包括按键部分，14个按键，其中6个为主持人按键，用来设置时间和暂停开始，8个选手按键，用来抢答。

3.1.2 系统框图

3-1 系统框图

单片机

最小系统

数码管显示 电源部分

报警部分 按键部分

3.2 最小系统模块

3.2.1 STC89C52简介

（1）概述

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。

STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。（2）主要功能特性

◆兼容MCS51指令系统；

◆8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM；

◆32个双向I/O口；

◆256x8bit内部RAM ；

◆3个16位可编程定时/计数器中断；

◆时钟频率0-24MHz；

◆2个串行中断；

◆可编程UART串行通道；

◆2个外部中断源；

◆共8个中断源；

◆2个读写中断口线；

◆3级加密位；

◆低功耗空闲和掉电模式；

◆软件设置睡眠和唤醒功能；

（3）8051单片机的引脚功能

MCS-51系列单片机一般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图3-2所示。其中，各引脚的功能为:

图3-2 STC89C52引脚图

①主电源引脚

VCC（40脚），接＋5V电源正端；

GND（20脚），接＋5V电源地端；

②外接晶体或外部振荡器引脚

XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。

③控制信号线

RESET（9脚），复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。

ALE（30脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。

PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。

EA（31脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。EA为高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。

④多功能I/O口引脚

8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：

P0口（32～39脚）——双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动8个LSTTL门电路。实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口：先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。

P1口（1～8脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。

P2口（21～28）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16

位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。

P3口（10～17脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一

位都有特定用途，其特殊用途如表3.1所示：

表3.1 P3口第二用途

端口引脚第二功能注释

P3.0 RXD 串行口数据接收端

P3.1 TXD 串行口数据发送端

P3.2 /INT0 外中断请求0

P3.3 /INT1 外中断请求1

P3.4 T0 定时/计数器0外部计数信号输入

P3.5 T1 定时/计数器1外部计数信号输入

P3.6 /WR 外部RAM写选通信号输出

P3.7 /RD 外部RAM读选通信号输出

3.2.2 最小系统电路

STC89C52的最小系统如图3-3所示，整个最小系统由三个部分组成，晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。

晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以及12M的晶振X1。电容的作用在这里是起振作用，帮助晶振更容易的起振，取值范围是15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振部分越靠近单片机越好。

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K×10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0-3.5V增加，这个时候RESET引脚所接收到的电压是5V-1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RESET引脚接收到的高电平信号时间为0.1S 左右）。

最后一个是电源部分，采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。

此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。

由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。

特别注意的是，对于31脚(EA),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H 开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。

图3-3 单片机最小系统

图模块连接图

3.3 显示电路

3.3.1 数码管简介

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管概述

e

12d p

3c 4g 5S 4

6

b

7S 38S 2

9f 10a 11S 1

12LE D

A F

B E

D

d p C

G S 4S 3S 2S 1

图5：数码管

数码显示器是一种由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，其中七个用于显示字符，一个显示小数点，所以通称为七段发光二极管数码显示器。4位一体数码管，其内部段已连接好，引脚如图所示（数码管的正面朝自己，小数点在下方）。a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、dp 为段引脚，S1、S2、S3、S4分别表示四个

数码管的位。

3.3.2 数码管显示模块电路

本模块的电路的连接图如图3所示，R8为1k 上拉电阻，为共阴数码提供电流，A-G,DP 连接的是单片机的P0口，S1-S4为位选,连接单片机的P2口。

图模块连接图

3.4按键模块电路

选手按截图

主持人按键图

总共14个按键，选手8个按键，与单片机的P1口相连接，实现抢答。主持人方6个按键，有设置答题时间加，设置答题时间减，设置抢答时间加，设置抢答时间减，置位按键和开始按键。

3.5 报警模块电路

采用9012PNP三极管来驱动报警电路，当三极管的基极为低电平时，三极管导通，电流流过蜂鸣器，这样来实现报警。

第4章软件设计

4.1 程序语言及开发环境

C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔实验室的Dennis M. Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以及嵌入式系统开发。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行Keil 软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

4.2 抢答器原理

抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用程序查询方式采用动态显示组号。主持人按下开始抢答键才可以抢答。主持人没有按下开始抢答按纽，有人抢答则抢答违规，报警并显示组号，主持人按下开始抢答开关重新抢答。主持人按下开始抢答按纽，蜂鸣响声提示，数码管30秒倒计时抢答，蜂鸣器响声提示并显示他的组号，30秒内有人抢答则开始60秒倒计时（60秒内必须回答完问题）。

4.2.1 主程序流程图设计

开 始 初始化

读键盘是否有

中断条件是否

调用显示抢答违

进入中断程序 开中断并

设定定时器

值 并启动定时30秒抢答时间并显示

调用读键子程序为延时程序

是否有键按下

60秒到中断返回

调用抢答者获得的回答问题子程序

4.2.2 显示抢答违规流程图

4.2.3 抢答成功流程图

开始报警一直提示

显示违规者编号

开始

响声提示

设置定时器初值

并启动

显示抢答者后30秒

倒计时

60秒答问题时间到并响

声提示

RET

第5章硬件组装与调试

5.1 元器件的选择与测量

本次设计的元器件主要有：STC89C52单片机、晶振、电阻、电容、按键、开关、电源座、数码管等。这些元器件的引脚需要我们认真查找资料，了解每个器件的特性再进行焊接。这些元器件直接根据型号到电子元器件市场就很容易买到。其中焊接时要注意元件正负极性，电阻电容大小、芯片引脚顺序等细节。一般电阻的大小可以通过色环读取，或直接用万用表进行测量；电容和晶振等的大小会标准在元件本身；元件的正负可以遵循长正短负的原则，一些特殊元件可以通过查找资料获知正负极。

5.2 元件的焊接与组装

组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以

下几方面。

(1)所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所用元器件均合格。

(2)所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确进行焊接合理安排布线。

(3)分立元件时应仔细辨明器件的正反向，标志应处于比较容易观察的位置方便检查和调试。对于有正负极性的元件，例如电解电容器、晶体二极管等，组装时一定要特别注意极性，否则将会造成实验失败。

(4)为了便于焊接查线以及后期的检查电路，可根据电路中接线的不同作用选择不同颜色的导线。一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄色线等。当然使用一种颜色也是可以的。

(5) 在实际焊接中连线需要尽量做到排版简洁连线方便。连线不跨接集成电路芯片上，必须从其周围通过。同时应尽可能做到连线不相互穿插重叠、尽量不从电路中元器件上方通过。

(6)为使电路能够正常工作与调测，所有地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。

正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。如果能在组装前先拟订出组装草图，则可获得事半功倍之效果，使组装既快又好。

5.3 电路的调试

调试是指系统的调整、改进与测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足设计要求。在进行调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调试方法和所用仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。

5.3.1 调试方法

调试方法原则有两种。第一种是边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法在新设计的电路中比较常用。第二种方法是在整个电路系统全部焊接完毕后，实行一次性调试。这种方法比较适用于电路相对来说比较简单，系统不复杂的电路调试。

5.3.2 调试步骤

（1）通电前检查

电路焊接完毕后, 不要急于通电，首先要根据原理电路认真对照检查电路中的接接线是否正确，包括错线（连线一端正确、另一端错误），少线（安装时漏掉的线），多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）和短路（特别是间距很小的引脚及焊点间），并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。查线时最好用指针式万用表