基于单片机的八路抢答器的设计(C语言版)

毕业论文

基于单片机的8路抢答器

专业院系: 信息工程系

班级名称: 计算机硬件与外设

学生姓名: 周俊兵

指导教师: 王昱煜

完成时间: 2011年12月28日

湖南铁道职业技术学院信息工程系

2012届毕业设计任务书

专业：硬件与外设班级：硬件091 填表日期：2011年11月20日

指导教师王昱煜职称讲师联系电话159******** 学生姓名周俊兵

课题名称基于单片机的8路抢答器的设计

课题工作内容

介绍单片机的选型、引脚功能等，然后分析抢答器的设计原理，从各个硬件的总体设计到局部电路设计，分析并阐述设计思路；再进行软件的设计，从程序总体流程图到关键部分的设计思路以及中断处理，最后附上程序代码。该论文的主要内容应包括：

1、单片机芯片选择

（1）单片机选择

（2）模块性能分析

2、硬件设计

（1）总体设计

（2）外部振荡电路设计

（3）复位电路设计

（4）显示电路设计

（5）按键电路设计

（6）报警电路设计

3、系统软件设计

（1）程序总体结构图

（2）程序流程图

（3）主程序

（4）中断处理

4、总结

本论文的撰写需要先设计出产品的电路图及软件系统，然后再自己焊接组装成产品，然后根据自己的设计思路及产品焊接组装流程用文字加图片的形式在文章中展示出来。

要求指标（目标）

通过毕业设计，应达到以下要求：

（1）熟悉单片机的型号及各引脚功能。

（2）熟悉单片机硬件电路设计。

（3）熟练单片机C语言程序设计。

（4）用C语言实现软件系统，并在仿真环境下调试运行。

（5）熟练电子元器件的焊接。

（6）根据硬件电路图和程序代码将产品制作出来并调试。

（7）撰写符合规范的毕业设计论文，对毕业设计所做的工作表达出来。（8）掌握团队合作开发的方法。

（9）进一步积累实际的单片机产品的开发和研究经验。

进程安排（1）第1周：落实毕业设计任务，明确工作内容，部署毕业设计各项工作。

（2）第2周：查阅与课题相关或针对性强的文献5～10篇，阅读并进行归纳、总结。（3）第3周：根据课题要求进行资料收集、整理，并写出分析报告。

（4）第4~5周：抢答器的硬件电路设计。

（5）第6~7周：抢答器的软件设计。

（6）第8周：元器件购买，电路组装。

（8）第9~10周：整理资料，撰写毕业设计论文。

（9）第11周：制作答辩PPT讲稿，做好毕业答辩各项准备工作。

主要的参考文献[1].王静霞.单片机应用技术（Ｃ语言版）[M].北京:电子工业出版社，2009年.

[2].蔡朝阳.单片机控制实习与专题制作[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006年.

[3].杨凌霄.微型计算机原理及应用[M].江苏:中国矿业大学出版社,2004年.

[4].丁建伟.抢答器电路设计[J].兰州工业高等专科学校学报,2008,(04).

[5].胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].北京:北京电子工业出版社，2005年.

地点C#实训室起止

日期

2011.10.1~2011.12.13

系主任：陈承欢指导教师（签名）：王昱煜2011年10月11日2011 年10 月11 日

摘要

伴随着科技的进步和时代的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，比如证券、股票交易以及各种智力竞赛等等,因此出现了——抢答器。抢答器一般是由很多逻辑电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了数码管显示电路实现了其它功能。抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。

抢答器的设计就是在这种社会条件下诞生的，这次设计用AT89S51单片机为核心控制元件，设计一个实用的抢答器，本方案以单片机作为主控核心，与晶振、数码管、蜂鸣器等构成八路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时/中断等电路，设计的八路抢答器具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的特点，还有复位电路，使其再开始新的一轮的答题和比赛，同时还利用C语言编程，使其实现一些基本的功能。

本设计的系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。它的功能实现是比赛开始，主持人读完题之后按下总开关，即计时开始，此时数码管开始进行20s的倒计时，直到有一个选手抢答时，对应的会在数码管上显示出该选手的编号和抢答所用的时间，如果在规定的20s时间内没有做出抢答，则此题作废，即开始重新一轮的抢答。在抢答和回答时间的最后5s，蜂鸣器和数码管都会给予相应报警提示。

【关键词】：

单片机、C语言、抢答器、智能竞赛

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题研究的相关背景 (1)

1.2选题的目的和意义 (1)

1.3课题研究的内容 (2)

第二章抢答器系统的概述 (3)

2.1系统的主要功能 (3)

2.2抢答器的工作过程 (4)

2.3AT89C51的功能及简介 (5)

第三章抢答器的电路设计 (7)

3.1振荡电路的设计 (7)

3.2复位电路的设计 (8)

3.3显示电路的设计 (9)

3.4按键电路的设计 (9)

3.5发声电路的设计 (10)

3.6总体电路图 (11)

第四章程序的设计 (12)

4.1程序系统结构图 (12)

4.2程序流程图 (12)

4.3主函数以及子函数 (13)

4.3.1主函数 (13)

4.3.2延时函数 (15)

4.3.3数码管显示函数 (15)

4.3.4开始键扫描函数 (16)

第五章抢答器的仿真实验 (18)

5.1仿真系统PROTEUS (18)

5.2KELL简介 (18)

5.3仿真试验 (20)

5.3.1 上电后的初始状态 (20)

5.3.2 开始倒计时 (21)

5.3.3 抢答成功并正常显示 (21)

第六章抢答器的制作及调试 (23)

6.1采购元件 (23)

6.2焊接准备 (24)

6.3焊接元件 (24)

6.3.1焊接注意事项 (24)

6.3.2焊接的技巧 (25)

6.4调试电路板 (25)

6.5通电调试 (26)

第七章总结与展望 (28)

7.1总结 (28)

7.2展望 (29)

致谢 (30)

参考文献 (31)

第一章绪论

1.1 课题研究的相关背景

抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢答时间的显示以及最后几秒钟的报警等等。

本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器发声提示。系统达到要求：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间20s；可以显示是哪位选手有效抢答，时间完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

1.2 选题的目的和意义

在现在的科技水平下，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

而且目前多数抢答器存在以下3个不足之处：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。

鉴于上述原因和不足，设计了这个抢答器，主要是掌握51单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动

手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。提高动手能力和排除故障的能力。

1.3 课题研究的内容

本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按键。主持人有开始和结束、复位键。开始时设定为初始的抢答时间20s 主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示、数码管开始闪烁提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为无效，数码显示屏显示不做显示。主持人再可按键开，新一轮抢答将展开。

通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个实用的工程设计，而且课扩展的到许多人的抢答模式，具有创新性。

本论文章节的结构和内容如下：

第一章：绪论。简要介绍了抢答器的发展现状，说明了本课题研究的内容。

第二章：抢答器系统概述。说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。

第三章：抢答器的电路的设计。详细描述了本课题各个组成电路单元的设计思路。

第四章：程序的设计。设计单片机内部运行的程序实现抢答及其他功能。

第五章：抢答器的仿真试验。阐述了抢答器通过设计，制作成仿真原图之后的仿真试验。

第六章：抢答器的制作及调试。简要的讲述了抢答器的电路制作焊接过程。

第七章：总结与展望。总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。

第二章抢答器系统的概述

抢答器是生活和娱乐中重要的一环，而且老式的抢答器不能胜任现在的需求或者是接线复杂故障率高，不方便使用，所以我们开始了基于单片机的八路抢答器的设计。本章主要讲述设计的主要功能分析，和抢答器的工作过程，以及我们所采用的单片机的功能简介。

2.1 系统的主要功能

本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、倒时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按键、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。

参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主持控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按键做开始和结束按键对结束的控制，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。

系统的主要功能模块方框图如图2-1所示。

图2-1 系统主要功能模块

本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按键。一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。

主持人有开始和结束按键。活动开始可以预设置抢答的时间，修改改上述时间，主要是修改程序中的时间。设置好时间后抢答开始，主持人按开始键后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声

器发生提示、和数码管的闪烁进行提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码不予显示。主持人按键开始新一轮的抢答，上一次的犯规抢答器将不会被记录，不给予显示。

单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用C语言编写。它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢答者序号和倒计时间。

本设计中，有一个四位共阴的数码管组。其中两个显示时间，一个固定显示F，一个显示抢答号码。主持人依次按下开始键（Start），开始键后开始抢答。可以抢达按键：超时数码管显示初值“0F20”。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。如果没人抢答，则最后5s 蜂鸣器蜂鸣，数码管闪烁。

2.2 抢答器的工作过程

抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为：系统复位、正常流程、显示流程等几部分。抢答器的工作过程如下：

1、如果想调节抢答时间，在比赛开始的时候编辑程序，写到芯片里面。

2、主持人按"抢答开始"键，并立刻进入抢答倒计时（预设20s抢答时间），如有选手抢答，会显示其号数并立显示倒计时剩余的时间，并且锁定其他的选手抢答无效，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。

4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，抢答无效，不给予显示，并且开始下一轮的答题。

总而言之，本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。

2.3 AT89C51的功能及简介

AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。它最大特点是片内含有Flash存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。

AT89C51单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O 接口

AT89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。

AT89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM ，128B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。单片微机内部最核心的部分是CPU。CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。

图2-2 A T89C51单片机的内部结构图

寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图2-2所示。

第三章抢答器的电路设计

本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：

一、尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。

二、留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。

三、程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。

四、RAM空间，AT89C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。如选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264，62256等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。

五、I/O端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题能靠单纯的软件措施来解决的。有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。

3.1 振荡电路的设计

8051内部有时钟电路，只需外部接石英晶体和微调电容即可，通常选用的是6MHz、12MHZ、11.0592MHz。

然而一般选用石英晶体振荡器。石英晶振的频率非常稳定，非常适合用在这个地方，上3-1电路晶振在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C1,C2的典型值为30PF。

图3-1 外部振荡电路

我们选用的是12MHz的晶振，而它的机器周期是1微秒。

3.2 复位电路的设计

单片机的第9脚RST为硬件复位端,只要将该端持续4个机器周期也（就是4微妙）的高电平即可实现复位,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图3-2所示:

图3-2 复位电路

电容隔离电源和地，充电充满的时候流过的电流是0，所以接的是低电平，处于正常的状态，当按键按下的时候，电容被短路，电阻被接入到电路当中，5V电直接接到电阻R8上面，所以电阻R8上的压降就是5V，所以第九脚的电压为电源电压5V，实现按键复位，电容起的作用就是开机上电复位！

在方案中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位可使寄存器及存储器的值都恢复到初始值,而前面的功能提到了倒计时间需要有记忆功能,

该功能实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。

3.3 显示电路的设计

显示电路使用了四位七段数码管，它是共阳极的，由高电平点亮。

虽然是共阴数码管是由高电平点亮，但是数码管需要三极管作为开关，将其位选打开或者是关闭，所以点亮的电平不仅取决于共阴还是共阳，还和使用的三极管有关系，我们使用的是9013型号的三极管，它是NPN的管子，所以是高电平予以点亮。

数码管的段选和位选，四个数码管的段选的ABCDEFG分别都是接到一起，分别引出称之为段选，每个数码管的公共端，也就是每个数码管共阴的段子都引出一个脚，称之为位选。

图3-3 共阴极七段数码管

3.4 按键电路的设计

按键的作用简单的说来就是通过开关的通和断来改变I/O的状态，从而起到控制和其他的作用，当按键按下的时候改变电压，还要保护I/O不被烧坏，从而使用了8个1K的电阻作为上拉电阻，还有限制I/O的电流。

当按键按下的时候，电阻分压，I/O直接接地，电位为零，从而改变I/O的电压。单片机读取到这些状态就可以进行控制！

这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就可以了。这里采用最常用的方法即延时法，其的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里取10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。

图3-4 抢答按键

3.5 发声电路的设计

我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。

图3-5 发声电路

本文设计如图3-5所示。图中单片机的14脚输出具有复合功能，这里能利用程序来控制单片机P3.4口（第14引脚）单片机通过内部定时器的操作实现交替变

换的波形输出驱动扬声器发声。

3.6 总体电路图

根据抢答器的基本功能，可以设计出如下的单片机外围电路：

图3-6 总体设计

图3-6中U1为单片机AT89C51，U2为芯片74HC573。左边的八个开关分别为8路抢答按键，分别接到单片机的P1.0~P1.7中。开始按键与结束按键分别接到单片机的16、15脚。4位七段数码管段选先结锁存芯片然后接P2.0。4位七段数码管的位选接P2口低四位，蜂鸣器输出为P3.4口。

第四章程序的设计

抢答器以及其他的电子产品的抢答的功能的实现得益于元件功能的强大。抢答器的电路不是很复杂，其抢答功能显示功能以及报警功能主要是要靠软件来控制以及实现，本章主要阐述抢答器的系统软件。

4.1 程序系统结构图

硬件电路确定后，软件的编程要与硬件相匹配，软硬件才能结合完成所要实现的功能。由功能分析得到的软件结构图如4-1所示。

图4-1 程序系统图

4.2 程序流程图

先根据系统的程序图，设计出程序的流程图，然后再根据流程图设计出能实现基本功能的程序，下图就是我们根据上一章结构图设计出来的流程图，图如4-2所示。

图4-2 软件流程图

4.3主函数以及子函数

本节主要介绍单片机的内部运行的程序。程序分为八个模块：主函数、延时函数、数码管显示驱动函数、按键扫描函数、抢答键扫描函数、复位键扫描函数、蜂鸣函数、中断服务函数。主函数是函数的主体，其他的各个函数是实现不同的功能用的：例如蜂鸣函数、是生成声音信号是蜂鸣器发声用的。程序总共有300多行，函数体比较长，所以就不在本章节中意义一一列出，只选取其中有代表性的来介绍。在本节主要介绍主函数、延时函数、数码管驱动函数、开始键扫描函数。

4.3.1主函数

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

void main()

{

TMOD=0x01;

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

EA=1;

ET0=1;

TR0=0;

while(1)

{

start_keyscan();

reset_keyscan();

while(action==1)

{if(second<=5&&second>0)

fengming() ;

while(!key_scan8()&&!stop==0)

{

display(number_display,second);

if(second == 0)

{

second = 20;

break;