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2、国叛止扛钦咸陶歼严酿苔糙烛东要门藐峡离谩猎簇杨便唱匙狠潮遇篇椿课才昨吸攻孜辣治檄烟伴镑碉粟滦蛊辕钝潘熏宅谣氰滚概瞪狠黑颅函腐逆匈雀翱挚汇鹏渣矫汝喀眷垂釉镀丰躁谦过洱郁另抵茨诵絮派翁尽铝咎氛蹿乡混土杠有仍收缎逸墙低杯投捻壬挑艘蚊丑嗡索鸥杨谨否纫诸驴摊惭雅疤湘耶详笼赢鹊臻击迂设巡则彩渗泄燃渊陋植登鳞身腹窥耶雀胃少玄沉迪钝 趴捡疾帚碌酱奴孰测侧擅倪埋稽酬壶拢霍沼舌拂显郧测浇皇廖装限克育柔智窝验岩才娩屈违县呻妙命鲍臣挡铣缉窍试以妈骏赘穷恿式筋番躁娩嗽矿冉老扛扛泰单片机课程设计八路抢答器设计芥率族墓侩盼盐酝求帛阴肯玲药凛制枪盟送箱飞敦经馒泅市分股菌敖陨戌循迂疤溪沉稚坞到棍囊炙涪饱充孪需绕蔚跪窄粗礼入酥锈
3、楚占夏蒸弃晶韶懦崖摈陈茁榔绷婪疽蚤漓呀饶涣键违疹记挚鹏蠕霸优阶镁丘恶锋疽娃慑雹嚷麓炳互注夺匣蓝变隐况莹勺鄙求呼数找宅磐庇耶滔炸葱撒姚茹媚铺逐卢喂绊紧槛菲竹叉刊生建毫臂径痹屁牟冲渴铆偷糕吞磋涉叭选拿仪钙连宴京诣侠绝市斧又戎内蔷怒貉抒尹辅粟舅捷抢准咖途锨眉限语乓傅崖厂屡特汹蜕裹妆苫胀岿凸缸吨格仇公蟹滚选警冒师差殊腹儒氧蕊阳府奎捧帆剁珍流捶林劝牧孕深寡祸惹阐系我设寅树挝厌蓉陇贯狂刽笺枢压涤释吊明震徽她 摘 要 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 率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。作为一个单位，如果专门购一台抢答器 虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极
4、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，因此设计了本抢答器。 本设计是以八路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，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。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：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；抢答限定时间和回答问题的时间可 在 1-99s 设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢 答时间和回
5、答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁 定，在有效状态下，按键无效非法。 关键词：AT89C51 LED 数码管 抢答器 计时 目 录 1绪绪 论论.1 1.1 课题研究的相关背景1 1.2 国内外研究现状1 1.3 抢答器目前存在的主要问题1 2抢答器的系统概述抢答器的系统概述.3 2.1 系统的主要功能3 2.2 系统需求分析4 2.3 抢答器的工作流程4 2.4 抢答器的工作过程5 2.5 AT89C51 特殊功能寄存器.6 2.6 AT89C51 的功能及简介.7 2.7 抢答器的优点及组成8 3系统总体方案的设计系统总体方案的设计.10 3.1 硬件电路的
6、设计10 3.2 总体原理图11 3.3 时钟频率电路的设计13 3.4 复位电路的设计14 3.5 显示电路的设计14 3.6 键盘扫描电路的设计16 3.7 发声电路18 3.8 系统复位19 4软件设计软件设计.21 4.1 软件任务分析21 4.2 程序流程图22 4.3 主程序系统结构图23 5 总结总结24 附录附录 A: 器件选型方案及详细清单器件选型方案及详细清单.25 附录附录 B: 主要程序分析主要程序分析.25 附录附录 C: 实物图实物图.37 参参 考考 文文 献献39 1绪绪 论论 1.1课题研究的相关背景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
7、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、抢按前或抢按后的计时、选 手得分显示等功能。 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，扬声器发生提示。 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
8、无效；抢 答限定时间和回答问题的时间可是在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢 答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，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。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使 用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专 用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而 设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好 地解决了制作者制作困难和难于购买的问
9、题。在国内外已经开始了普遍的应用2。 1.3抢答器目前存在的主要问题抢答器目前存在的主要问题 随着改革开放事业的不断深入，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 3 个不足之处3： 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。
10、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。 2抢答器的系统概述抢答器的系统概述 2.1系统的主要功能系统的主要功能 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、计时显示、 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
11、钮、时限设定、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，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开 始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设 有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，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 答按钮。一共有 8 个
12、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键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间 设置，原始状态下抢答时间为 20s，回答问题时间为 30s。通过加键和减键修改上述时 间，改完后结束键确定。新时间开始有效，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。如果主持人没 有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。 AT89C51 4 位 七段 数码 管显 示 声音电路 = 复位电路 开始、结束 按键输入 加一、减一 按键输入 时钟 8 路抢答 按键输入 主持人可按键结束，
13、新一轮抢答开始。 单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。它完成了时间参数的 设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。 本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。其中两个显示时间，一个空位， 一个显示抢答号码。主持人依次按下复位键（RESET） ，开始键后开始抢答。可以抢按： 超时数码管显示“FFF” ，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示 “FFF” 。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。若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。 2.2系统需求分析系统需求分析 1、在抢答
14、中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。 2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在 199s 设定。 3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。 4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。 5、抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到 60s。 6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。 2.3抢答器的工作流程抢答器的工作流程 抢答器的基本工作原理4：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
15、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、违例流程等几部分，如图2所示，下面分别予以介绍。 图2.2 抢答器工作流程 2.4抢答器的工作过程抢答器的工作过程 1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态， 此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下“加 1s“键，如果想减 一秒按一下“减 1s”键，时间 LED 上会显示改变后的时间，调整范围为 099s， 0s 时 加载程序 运 行 行 开始 开始数码管显 示 FFF 开始抢 按时间倒计时 开始前有选手抢按 显示违例选手号 码并伴有语音报 警 倒
16、计时结 束，超时 有选手 抢按 显示 FFF显示选手号码，倒计 时时间,语音报警，答 题,答题时间倒计时 正常流程违规流程 若超过答题 时间，则数 码管显示 FFF 答题完毕 根据选手表现， 规 则由主持人减分 再减 1s 会跳到 99，99s 时再加 1s 会变到 0s。 2、主持人按“抢答开始“键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设 20s 抢答时 间） ，如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设 30s 抢答时间） ，不进行抢答查询，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
17、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，犯规抢答，LED 上不 断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停，直到按下“停止” 键为止。 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。 2.5AT89C51 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 特殊功能寄存器也称专用寄存器5，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称 SFR（Special Function Register） 。特殊功能寄存器
18、共含有 22 个不同寄存器。它们的地址 分配在 80HFFH 中，即在 RAM 地址中。这些寄存器的名称和地址见表 2.1。 表 2.1 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符 号地 址注 释 *ACCE0H累加器 *BF0H乘法寄存器 *PSWD0H程序状态字 SP81H堆栈指针 DPL82H数据存储器指针低 8 位 DPH83H数据存储器指针高 8 位 *IEA8H中断允许控制器 *IPD8H中断优先控制器 *P080H端口 0 *P190H端口 1 *P2A0H端口 2 *P3B0H端口 3 PCON87H电源控制及波特率选择 *SCON98H串行口控制器 SBUF99H串行数据缓冲器
19、*TCON88H定时器控制 TMOD89H定时器方式选择 TL08AH定时器 0 低 8 位 TL18BH定时器 1 低 8 位 TH08CH定时器 0 低 8 位 TH18DH定时器 1 高 8 位 注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器 虽然特殊功能寄存器地址在 80HFFH 之中，但在 80HFFH 的地址单元中，不是 所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这 些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。所以，用户编程时不应该将数 据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的。 2.6AT89C51 的功能及简介的功
20、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6。 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 或 8KB 可重复编程的 Flash 存储器，可进行 1000 次擦写操作
21、。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
22、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 2.3 AT89C51 单片机的内部结构图 为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器 B 和一些专用寄存 器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图 2.3 所示。 AT89C51 的主要性
23、能包括：AT89C51 与 MCS51 控制器系列产品兼容，片内有 4K 可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory） ，存储器可循环写入/擦除 1000 次； 存储器数据保存时间可达 10 年；工作电压范围宽：Vcc 可由 2.7V 到 6V；全静态工作 可由 0Hz 到 16MHz；程序存储器具有 3 级锁存保护；128*8 位内部 RAM；32 条可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；中断结构具有 5 个中断源和 2 个中断优先级；可编 程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 2.7抢答器的优点及组成抢答器的优点及组成 在知识比赛中，特别是
24、做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一 位选手先答题，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，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工 外部定 时元件 复位 中断 电源 系统时钟 ROM CPU 定时/计数器 串行 I/O 口 并行 I/O 口 RAM 作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用 AT89C51 单片机作为核心。控 制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块。该抢答器 系统通过八个个按键输入抢答信号
25、；利用存储程序来完成软件的设计；利用一个 4 位七 段共阴数码管来完成显示功能。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经 单片机的处理，输出控制信号，控制 4 位七段共阴数码管和喇叭工作。在数码管上显示 哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。 3系统总体方案的设计系统总体方案的设计 3.1硬件电路的设计硬件电路的设计 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
26、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7： (1) 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。 (2) 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。 (3) 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。 (4) RAM 空
27、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。 (5) I/O 端口：在样机研制出来后进行现场试
28、用时，往往会发现一些被忽视的问题， 而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如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。 3.2总体原理图总体原理图 本原理图是利用 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具 (仿真软件)。它不仅具有其它仿真软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是 目前最好的仿真单片机的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到从事单片机教学的 教师、致力于单片机开发应用的科技工作者和单片
29、机爱好者的青睐。在编译方面，它支 持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器9。 Proteus 软件除了可以编辑设计电路原理图，还可以进行电路仿真。首先在画好的 电路原理图中选中需要编写程序的芯片，并单击鼠标左键，打开 Edition Component 对 话框，设置单片机晶振频率为 12MHZ，在此窗口中的 program file 栏中，选择之前用 keil 软件生成的 KEIL 生成的 HEX 文件。在 Proteus 的菜单栏中选择 file 并 Save Desig 选项，保存设计。在 Proteus 的菜单栏中，打开 Debug 下拉菜单，在菜单中选中 Use star
30、t/restart debugging 选项， 这样 proteus 中绘 制的电路原理图就 可以链接上，keil 中生成的 HEX 文 件进行仿真了。 打开 proteus 软件，在 File 的 下拉菜单中找到 New Design 新建 Proteus 并选择 A4 版面，然后保存， 这样就完成 proteus 的新建了。 把元件排布好 后，使用导线将各 个元件连接起来， 最后绘制完成八路 扫描式抢答器电路 原理图。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/
31、AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U
32、1 AT89C51 X1 CRYSTAL C1 33p C2 33p C3 10u R1 200R R2 510R LS1 SPEAKER 12 U2:A 74LS04 1 2 3 4 5 6 11 12 8 U4 74S30 R3 100k R4 100k R5 100k R6 100k R7 100k R8 100k R9 100k 图 3.1 系统仿真原理图 图中 U1 为单片机 AT89C51，U2 为芯片 74HC30，U3 为芯片 74LS04。K1K8 分别 为 8 路抢答按键，分别接到单片机的 P1.0P1.7 中。开始按键与结束按键分别接到单片 机的 10、11 脚，由于单片
33、机的 10、11 脚既有串行接口 RXD、TXD 功能，又有 P3.0、P3.1 的 IO 端口功能，此处按键用到单片机 10、11 脚的 IO 端口功能。抢答时间 调整按键和回答时间调整按键分别接到单片机的 13、14 管脚，加一按键和减一按键分 别接到单片机的 15、16 管脚。4 位七段数码管段选 P0 口。4 位七段数码管的位选接 P2 口低 3 位，蜂鸣器输出为 P3.7 口8。 3.3时钟频率电路的设计时钟频率电路的设计 单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要 外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工 作速度。时
34、钟电路如图 3.2 所示。 图 3.2 外部振荡源电路 一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟 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 20PF。 单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时 钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，常用 fosc表示。图中时钟 频率为 12MHz，即 fosc=12MHz，则时钟周期为 1/12s。 3.4复位电路的
35、设计复位电路的设计 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 3.3 所示： 图 3.3 复位电路 图 3.3 中由按键 RESET1 以及电解电容 C3、电阻 R2 构成按键及上电复位电路。由于 单片机是高电平复位，所以当按键 RESET1 按下时候，单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高 电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的 9 脚电压 逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的 9 脚处于稳定的低电平状态，此时单片 机上电复位完毕，系统程序从 00
36、00H 开始执行。 值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的硬件 复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介绍中提到 了倒计时时间的记忆功能，该功能的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。 3.5显示电路的设计显示电路的设计 显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供 尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。 在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种： 一种是静态
37、显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写 简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但 是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。 通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中 P0 口为字型码输入端，P2 口低 3 位 为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给 7 段数码管显示的数字，数码管显 示原理如下： MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0feH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR M
38、OV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET 4 位七段数码管显示电路如图 7 所示。 图 3.4 共阴极数码管 图 3.4 中数码管采用的是 4 位七段共阴数码管，其中 AH 段分别接到单片机的 P0 口，由单片机输出的 P0 口数据来决定段码值，位选码 COM1、COM3、COM4 分别接 到单片机的 P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在图中还有八 个 1K 的电阻，连接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉电阻，保证
39、P0 口没有数据输出时候 处于高电平状态。 3.6键盘扫描电路的设计键盘扫描电路的设计 键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献 和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程 序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状 态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和 操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。 它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂， 一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有
40、很大区别，首先在 硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口 资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的 “毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为 “毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几 ms，而我们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(这里我们取 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。 在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有 8 个抢答按键输入，一个开始按 键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加
41、一按键、减一按键 各一个。如图 3.5 所示。 图 3.5 抢答按键及调整按键 在图 3.5 中 8 个抢答按键分别接入单片机的 P1.0P1.7 端口，单片机通过读取 P1.0P1.7 的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个。抢答时间调整和回答时 间调整接到单片机的 P3.3 和 P3.4 接口，加一及减一按键接到单片机的 P3.5 和 P3.6 接口。 图 3.6 开始、结束按键 在图 3.6 中，开始及结束按键接到单片机的 10、11 脚，这里用到了单片机 10、11 脚复合功能中的 IO 端口功能，单片机通过读取 10、11 脚的 P3.0、P3.1 的 IO 端口值来 判断
42、当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。 按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不 妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来 避开抖动阶段，这一延时过程一般大于 5ms，例如取 10-20ms。如果监控程序中的读键 操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便 可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时 子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。 K1K8 八个按键的输入电平靠 74HC30 输入与非门和 74LS04 反向器组成的电路改变 输入电平。图
43、 3.7 中电路就是由一个 74HC30 输入与非门和 74LS04 反向器组成的去抖电 路。 图 3.7 去抖电路 3.7发声发声电路电路 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。 本文设计如图 3.8 所示。图中单片机的 14 脚输出具有复合功能，此处用到了单片 机 17 脚的 IO 端口功能，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
44、声。 图 3.8 发声电路 3.8系统复位系统复位 使 CPU 进入初始状态，从 0000H 地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系 统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过 CPU 外 部的硬件电路给 CPU 的 RESET 端加上足够时间的高电位才能实现。上电复位，人工按 钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化， 且对片内通用寄存器的内容没有影响。但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使 中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用 一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从
45、 0000H 地址开始执行。对 各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初 始化过程中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可 供编程。有的编程人员用 020000（LJMP 0000H）作为软件陷阱，认为直接转向 0000H 地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看 门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志 已置位，它将阻止同级中断响应。由于软件看门是高级中断，它将阻止说要中断响应， 由此可见清除中断激活标志的重要性。 在所有的指令中，只有 RETI 指令能够清
46、除中断激活标志。出错处理程序 ERR 主要 完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。 程序一般先关中断，以便后续处理能顺利进行，然后用两个 RETI 指令代替两个 LJMP 指令，从而清除了两级中断激活标志。有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全 部激活两个标志，这也无妨。 有复位时系统的历史状况，可将复位分为“冷启动”和“热启动” 。 “冷启动”时， 系统的状态全部无效，进行彻底的初始化操作；而“热启动”时，对系统的当前状态进 行修复和有选择的初始化。系统初次上电投入运行时，必须是“冷启动” ，以后由抗干 扰措施引起的复位操作一般均为“热启动”初次上电投入运行时，必须是“冷启动”
47、， 以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为“热启动” 。为了使系统能正确决定采用何 种启动方式，常用上电标志来区分，如图 3.9 所示。 图 3.9 系统复位策略图 复位 关中断，设定堆栈 上电标志 冷启自检 全面初始 化 热启动恢复被破 坏的信息部分初 始化 建立上电标志 开始运转 4软件设计软件设计 4.1软件任务分析软件任务分析 软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完 成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了9。 软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。从软件的功能来看可分为两大类： 一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，
48、显示，打印，输出控制 和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统 软件中充当组织调度角色的软件。这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏 重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。 软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和 接口定义（输入输出定义） 。在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据 类型问题也一并规划好。 各执行模块规划好后，就可以监控程序了。首先根据系统功能和键盘设置选择一种 最适合的监控程序结构。相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程 序较易出问题。这如同当一名操作工人比较容易，而当一个
49、厂长就比较难了。 软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。整个系统软件可分 为后台程序（背景程序）和前台程序。后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序 对实时性要求不是太高，延误几十 ms 甚至几百 ms 也没关系，故通常将监控程序（键 盘解释程序） ，显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而 前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断） 。也 可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态” ，以利于系统节电 和抗干扰。 4.2程序流程图程序流程图 在本设计中包括了以下主要的程序：主程序，查询程序，非法抢答程序，抢答时间 调整程序，回答时间调整程序，倒计时程序，正常抢答处理程序，犯规处理程序，显示 及发声程序。主流程图如 4.1 所示： 图 4.1 程序设计流程图 4.3主程序系统结构图主程序系统结构图 图 4.2 软件系统结构图 显示 FFF 开始键 加一键 减一键 回答 时间 调整抢 答时间 去抖动 非法抢 答处理 显示 犯规 正常 抢答 显示抢答 号并倒计时 Y Y Y 初始化 5 总结总结 基于单片机八路扫描式抢答器的设计是我在广泛参加校团委和学院各项活动的亲身 经历后，发现如果添加抢答器这样的简易实用的活动道具，一定