基于單片機的八路智能搶答器系統(tǒng)設計論文.doc

基于單片機的智能搶答器系統(tǒng)摘要: 電子智能搶答計分器在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設計一個系統(tǒng)來完成這個任務。如果在搶答中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。利用單片機系統(tǒng)來設計搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本設計使用stc89c51單片機來設計智能搶答器，組數(shù)可以在六組以內任意使用。并且具有倒計時和時間設置及報警功能。利用stc89c51單片機對信號進行鎖存、顯示等功能。分別從硬件和軟件兩方面闡述了該控制系統(tǒng)的設計方法,并經過調試和運行使該系統(tǒng)達到預期目標,具有反應快、功能齊全、實用性強的特點。引言隨著微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的發(fā)展，使單片微型計算機也得到迅速的發(fā)展，單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。單片機（單片微型計算機）的應用已經滲透到國民經濟的各個部門和領域，它起到了越來越重要的作用。單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時/計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。它作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心，代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。同時樓宇智能化的發(fā)展與成熟，也為基于單片機的照明控制系統(tǒng)的普及與應用奠定了堅實的基礎。1 系統(tǒng)設計要點系統(tǒng)設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術性能，將硬件和軟件分開設計。硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進行調試、測試，以達到設計要求。軟件設計部分，首先在總體設計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設計，擬定詳細的工作計劃；然后進行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼設計等；最后是對軟件進行調試、測試，達到所需功能要求。在系統(tǒng)設計中設計方法的選用是系統(tǒng)設計能否成功的關鍵。硬件電路是采用結構化系統(tǒng)設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統(tǒng)既經濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機上進行調試，發(fā)現(xiàn)設計不當及時修改，最終達到設計目的。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機，采用匯編語言編寫程序。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化系統(tǒng)設計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進行組合與調整，經過調試后，達到設計功能要求。2 各模塊方案選擇和論證2.1 搶答器顯示模塊顯示模塊主要是顯示搶答的時間，組別號碼等。我考慮有以下兩種顯示方案。方案1：使用液晶屏顯示時間。液晶顯示屏（lcd）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強的特點。但由于只需要顯示時間和組別的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。在使用時，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶顯示芯片，不易維護。方案2：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對外界環(huán)境要求低，易于維護，同時其精度高，稱量快，精確可靠，操作簡單。數(shù)碼顯示是采用bcd編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。根據(jù)以上的論述，采用方案二。2.2 控制器模塊控制器主要用于各模塊控制顯示、搶答、音樂等?？刂破鞯倪x擇有以下兩鐘方案。方案1：采用fpga（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。fpga可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以應用eda軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。fpga采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但由于本設計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，fpga的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。方案2：采用atmel公司的stc89c51作為系統(tǒng)控制器的cpu方案。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛?；谝陨戏治鰯M訂方案二。2.3 電源方案的選擇系統(tǒng)需要多個電源，stc89c51使用5v穩(wěn)壓電源，四聯(lián)數(shù)碼管供電電壓為5v。給出以下兩個方案。方案1：采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片mc34063芯片分別將3v的電池電壓進行直流嶄波調壓，得到5v穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小系統(tǒng)體積重量但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運作。方案2：由于所做的設計不需要很高的精度要求，結合這個電源分析只要給系統(tǒng)5-9v的電壓基本能輸出顯示和運用搶答，故只需利用一節(jié)9v的電池便可使整個電路工作。該方法方便簡單，節(jié)省材料。綜上所述，選擇方案二。2.4 鍵盤的選擇鍵盤是單片機不可缺少的輸入設備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。鍵盤按結構形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產生鍵碼，而后者則用硬件方法來產生鍵碼。在單片機中使用的都是非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤結構簡單，成本低廉，非編碼鍵盤的類型很多，常用的有獨立式鍵盤，行列式鍵盤等。方案1：獨立式鍵盤鍵盤接口中使用多少根i/o線，鍵盤中就有幾個按鍵，鍵盤接口使用了6根i/o口線，該鍵盤就有6個按鍵，這種類型的鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤中各按鍵的工作互不干擾。因此可以根據(jù)實際需要對鍵盤中的按鍵靈活的編碼。如圖2-1。p101234567 圖2-1獨立式鍵盤最簡單的編碼方式就是根據(jù)i/o輸入口所直接反映的相應按鍵，按下的狀態(tài)進行編碼，稱按鍵直接狀態(tài)碼，對于這樣編碼的獨立式鍵盤，cpu可以通過直接讀取i/o口的狀態(tài)來獲取按鍵的直接狀態(tài)編碼值，根據(jù)這個值直接進行按鍵識別，這樣形式的鍵盤結構簡單，按鍵識別容易。獨立式鍵盤的缺點是需要占用比較多的i/o口線，當單片機應用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或i/o口線比較富余時，可以采用這樣類型的鍵盤。方案2：行列式鍵盤行列式鍵盤是用n條i/o線作為行線，m條i/o線作為列線組成的鍵盤，在行線和列線的每個交叉點上，設置一個按鍵中按鍵的個數(shù)是m*n個。這種形式的鍵盤結構，能夠有效的提高單片機系統(tǒng)中i/o的利用率，列線接p1.0p1.3行線接p1.4p1.7，行列適用于按鍵輸入多的情況。cpu對鍵盤的掃描可以采用取程序控制的隨機方式，即只有在cpu空閑是時才去掃描鍵盤，響應操作人員的鍵盤輸入，但cpu在執(zhí)行應用程序的過程中，不能響應鍵盤輸入，對鍵盤的掃描可以采用定時方式，即利用單片機內部定時器每隔一定時間對鍵盤掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤上有無鍵閉合，cpu總是定時的關心鍵盤狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，cpu對鍵盤可能進行空掃描。為了提高cpu的效率而又能及時響應鍵盤輸入，可以采用中斷方式，既cpu平時不必掃描鍵盤，只要當鍵盤上有鍵盤閉合時就產生中斷請求，向cpu申請中斷后，立即對鍵盤上有鍵盤進性掃描，識別閉合鍵，并做相應的處理。如圖2-2所示。0123456789abcdefp1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.7圖2-2行列式鍵盤根據(jù)以上的論述，采用方案一，在本系統(tǒng)中采用了獨立式鍵盤，其按鍵比較少，且鍵盤中各個按鍵的工作互不干擾。3 模塊的最終方案主控制器模塊：采用stc89c51單片機控制。搶答器顯示模塊：數(shù)碼管顯示。電源方案的選擇：采用9v電池供電。搶答器鍵盤模塊：獨立式鍵盤。4 功能介紹如果想調節(jié)搶答時間或答題時間,按搶答時間調節(jié)鍵或答題時間調節(jié)鍵進入調節(jié)狀態(tài),此時會顯示現(xiàn)在設定的搶答時間或回答時間值,如想加一秒按一下加1s鍵,如果想減一秒按一下-1s鍵，時間led上會顯示改變后的時間，調整范圍為0s99s, 0s時再減1s會跳到99，99s時再加1s會變到0s。 主持人按搶答開始鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預設30s搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進入回答倒計時（預設60s搶答時間），不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于5s會每秒響一下提示音。 如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按停止按鍵，系統(tǒng)會自動進入準備狀態(tài)，等待主持人按搶答開始進入下次搶答計時。 如果主持人未按搶答開始鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答，led上不斷閃爍ff和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下停止 鍵為止。 5 搶答器的軟件設計通過st89c51芯片的控制，從而構成了整個電路。搶答組數(shù)可以在六組以內任意使用，其流程如圖5-3圖5-3搶答系統(tǒng)流程圖5.1 數(shù)碼顯示軟件設計采用動態(tài)顯示，顯示器由4個共陰極數(shù)碼管組成，數(shù)碼顯示程序流程如圖5-4。圖5-4數(shù)碼顯示流程圖5.2 音樂音頻輸出音樂音頻輸出由輸出，流程圖如圖5-5圖5-5音樂音頻輸出流程圖6 調試情況分析6.1 硬件調試6.1.1 電路板的制作與檢查考慮到本系統(tǒng)所用元器件較少，大部分功能都是通過軟件編程來實現(xiàn)，同時也出于對畢業(yè)設計成本的考慮，因此所用到的板子是自己手工制作的pcb板。在電路板的制作中，首先要進行線路的排布。利用protel 軟件模擬實際電路板的線路走向，盡量避免線路出現(xiàn)交叉短路，電源線路盡量安排在電路板的最外圈。pcb板刻錄完成之后，開始進行焊接工作。焊接完后進行電路板檢查，將原線路圖與實際焊接的電路板進行對比，由于線路不多，所以用萬用表的歐姆檔或是短路聲響指示功能來做焊點的檢測，如此可以避免焊接時漏焊、虛焊和配線錯誤的問題，同時保證了所制作出來的線路與原設計線路的一致性。6.1.2 電路模塊調試本設計硬件部分主要為顯示模塊按鍵模塊。硬件電路功能檢測主要針對這兩部分進行測試。對于顯示電路，由于使用的是四聯(lián)數(shù)碼管顯示屏，首先要確定數(shù)碼管的共陰還是共陽極。因此先用萬用表檢測是什么極性。然后再先固定下，檢查顯示電路能否正常顯示。最后再焊接上去。 對于按鍵部分，首先要確定各個按鍵是否完好，先自己接到一個簡易的電路上測試下，確定完好后再焊接。6.2 軟件調試的基本方法軟件的設計與調試實行分模塊實現(xiàn)方法。本設計軟件調試中的分模塊包括顯示功能模塊、調正時間功能模塊，搶答功能模塊以報警功能模塊。各個獨立模塊功能調試成功后，將這些模塊程序通過主程序合并在一起，最后再對合并后的總程序進行調試。各軟件模塊首先要通過pc和仿真器進行軟件調試，當仿真效果符合要求后，再燒寫進單片機看能否在實際電路板上正常工作。編程語言的軟件設計采用mcs-51匯編語言編寫，所使用的調試軟件包括proteus和medwin2.396.2.1 軟件調試問題分析led顯示問題：本次設計的最終方案是采用led顯示屏實現(xiàn)顯示功能，最初數(shù)碼管顯示不正常，出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。通過調試發(fā)現(xiàn)這是由于延時時間選擇不當會使人眼產生視覺暫留效果，每一次顯示時都必須加入適當?shù)臅r間延時。由于一開始所選用的延時時間太短，因此出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，在增加顯示延時之后，數(shù)碼管顯示正常。蜂鳴器異常啟動問題：蜂鳴器的啟動/關閉是通過單片機輸出的控制信號來實現(xiàn)的，當當前時間與鬧鐘設置時間比較吻合時，單片機將對鬧鈴控制口執(zhí)行取反命令，從而啟動蜂鳴器發(fā)聲。一開始編寫程序時，沒有對口的最初狀態(tài)作正確設置，由于系統(tǒng)開機復位后，口處于高電平狀態(tài)，因此出現(xiàn)一開機蜂鳴器就處于啟動狀態(tài)的情況。通過在主程序最開始加入對口取零命令后，蜂鳴器啟動/關閉控制恢復正常。按鍵消抖問題：在最初編寫程序時，鍵盤控制部分按照常例加入了按鍵消抖程序。在實際調試中，發(fā)現(xiàn)按鍵出現(xiàn)反應不靈敏現(xiàn)象。這是因為在鍵盤控制程序中，除了消抖程序外，還加入了按鍵提示音程序（每次按壓鍵盤時，蜂鳴器發(fā)出“嗶”的一聲提示音）。由于在調用提示音子程序時，實際上已實現(xiàn)了一次時間的延時，因此再加入按鍵消抖程序的延時后，致使延時時間過長而出現(xiàn)按鍵反應不靈敏問題。通過調試發(fā)現(xiàn)提示音子程序本身所產生的延時已能夠滿足按鍵消抖時間延遲的要求，因此在鍵盤控制程序中無需再加入專門的按鍵消抖程序。在去除按鍵消抖程序后，按鍵控制靈敏度恢復正常。附件1：硬件電路原理圖- 11 -附件2：pcb圖附件3：元器件清單列表元器件描述元器件編號數(shù)量單片機stc89c511led顯示屏四聯(lián)共陰1晶體振蕩器12mhz1三極管90121蜂鳴器/1電容30pf3電阻20k19腳排阻/1按鍵/13附件4：程序清單ok equ 20h;搶答開始標志位 ring equ 22h;響鈴標志位 org 0000h ajmp main org 0003h ajmp int0sub org 000bh ajmp t0int org 0013h ajmp int1sub org 001bh ajmp t1int org 0040hmain: mov r1,#30;初設搶答時間為30s mov r2,#60;初設答題時間為60s mov tmod,#11h;設置未定時器/模式1 mov th0,#0f0h mov tl0,#0ffh;越高發(fā)聲頻率越高,越尖 mov th1,#3ch mov tl1,#0b0h;50ms為一次溢出中斷 setb ea setb et0 setb et1 setb ex0 setb ex1;允許四個中斷,t0/t1/int0/int1 clr ok clr ring setb tr1 setb tr0;一開始就運行定時器,以開始顯示fff.如果想重新計數(shù),重置th1/tl1就可以了;=查詢程序=start: mov r5,#0bh mov r4,#0bh mov r3,#0bh acall display;未開始搶答時候顯示fff jb int0,next;ddddddd acall delay jb int0,next;去抖動,如果開始鍵按下就向下執(zhí)行,否者跳到非法搶答查詢 acall bark;按鍵發(fā)聲 mov a,r1 mov r6,a;送r1-r6,因為r1中保存了搶答時間 setb ok;搶答標志位,用于count只程序中判斷是否查詢搶答 mov r3,#0ah;搶答只顯示計時,滅號數(shù) ajmp count;進入倒計時程序,查詢有效搶答的程序在count里面next:jnb p1.0,false1 jnb p1.1,false2 jnb p1.2,false3 jnb p1.3,false4 jnb p1.4,false5 jnb p1.5,false6 ajmp starttz1:jmp false7tz2:jmp false8;=非法搶答處理程序=false1: acall bark;按鍵發(fā)聲mov r3,#01h ajmp errorfalse2: acall barkmov r3,#02h ajmp errorfalse3: acall barkmov r3,#03h ajmp errorfalse4: acall barkmov r3,#04h ajmp errorfalse5: acall barkmov r3,#05h ajmp errorfalse6: acall barkmov r3,#06h ajmp errorfalse7: acall barkmov r3,#07h ajmp errorfalse8: acall barkmov r3,#08h ajmp error;=int0(搶答時間r1調整程序)=int0sub:mov a,r1 mov b,#0ah div ab mov r5,a mov r4,b mov r3,#0ah acall display;先在兩個時間led上顯示r1 jnb t0,inc0;t0為+1s鍵,如按下跳到inco jnb t1,dec0;t1為-1s鍵,如按下跳到deco jnb int1,back0;int1為確定鍵,如按下跳到backoajmp int0subinc0: mov a,r1cjne a,#63h,add0;如果不是99,r2加1,如果加到99,r1就置0，重新加起。 mov r1,#00h acall delay1ajmp int0subadd0: inc r1 acall delay1 ajmp int0subdec0: mov a,r1 jz setr1;如果r1為0, r1就置99， dec r1 acall delay1 ajmp int0subsetr1: mov r1,#63h acall delay1 ajmp int0subback0: reti ;=int1(回答時間r2調整程序)=int1sub:mov a,r2 mov b,#0ah div abmov r5,a mov r4,b mov r3,#0ah acall display jnb t0,inc1 jnb t1,dec1 jnb int1,back1 ajmp int1subinc1: mov a,r2 cjne a,#63h,add1 mov r2,#00h acall delay1ajmp int1subadd1: inc r2 acall delay1 ajmp int1subdec1: mov a,r2 jz setr2 dec r2 acall delay1 ajmp int1subsetr2: mov r2,#63h acall delay1 ajmp int1subback1: reti ;=倒計時程序(搶答倒計時和回答倒計時都跳到改程序)=count: mov r0,#00h;重置定時器中斷次數(shù) mov th1,#3ch mov tl1,#0b0h;重置定時器recount:mov a,r6;r6保存了倒計時的時間,之前先將搶答時間或回答時間給r6 mov b,#0ah div ab;除十分出個位/十位 mov 30h,a;十位存于(30h) mov 31h,b;個位存于(31h) mov r5,30h;取十位 mov r4,31h;取個位 mov a,r6 subb a,#07h jnc larger;大于5s跳到larger,小于等于5s會提醒 mov a,r0 cjne a,#0ah,full;1s中0.5s向下運行 clr ring ajmp checkfull: cjne a,#14h,check;下面是1s的情況,響并顯示號數(shù)并清r0,重新計 setb ring mov a,r6 jz quit;計時完畢 mov r0,#00h dec r6;一秒標志減1 ajmp checklarger: mov a,r0 cjne a,#14h,check;如果1s向下運行,否者跳到查停/顯示 dec r6;計時一秒r6自動減1 mov r0,#00hcheck: jnb t1,quit;如按下停止鍵退出 acall display jb ok,accout;如果是搶答倒計時,如是則查詢搶答,否者跳過查詢繼續(xù)倒數(shù)(這里起到鎖搶答作用) ajmp recountaccout:jnb p1.0,true1 jnb p1.1,true2 jnb p1.2,true3 jnb p1.3,true4 jnb p1.4,true5 jnb p1.5,true6 jnb p1.6,tz3 jnb p1.7,tz4 ajmp recount tz3:jmp true7 tz4:jmp true8 quit: clr ok;如果按下了停止鍵執(zhí)行的程序 clr ring ajmp start;=正常搶答處理程序=true1: acall bark;按鍵發(fā)聲 mov a,r2 mov r6,a;搶答時間r2送r6 mov r3,#01h clr ok;因為答題的計時不再查詢搶答,所以就鎖了搶答 ajmp counttrue2:acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#02h clr ok ajmp counttrue3:acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#03h clr ok ajmp counttrue4:acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#04h clr ok ajmp counttrue5: acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#05h clr ok ajmp counttrue6: acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#06h clr ok ajmp counttrue7: acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#07h clr ok ajmp counttrue8: acall bark; mov a,r2 mov r6,a mov r3,#08h clr ok ajmp count;=犯規(guī)搶答程序=error: mov r0,#00h mov th1,#3ch mov tl1,#0b0h mov 34h,r3;犯規(guī)號數(shù)暫存與(34h)here: mov a,r0 cjne a,#0ah,flash;0.5s向下運行-滅并停響 clr ring mov r3,#0ah mov r4,#0ah mov r5,#0ah;三燈全滅 ajmp check1flash: cjne a,#14h,check1;下面