簡易四路搶答器

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告班 級： 建電141 姓 名： 付鵬鑫 學(xué) 號： 1412032031 設(shè)計(jì)題目： 四位競賽搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2016.01.0301.07 評定成績： 評定教師： 目錄摘要2一、任務(wù)分析：3二、總體方案：42.1 可行方案52.2 方案設(shè)計(jì)5三、硬件設(shè)計(jì)：83.1 電路原理圖81.AT89C51簡介102.PCF8591簡介113.RESPACK8及RX8簡介.123.2 器件選擇14四、軟件設(shè)計(jì)：154.1程序處理流程154.2 程序流程圖154.3 程序介紹17五、調(diào)試過程：225.1 調(diào)試步驟22六、參考文獻(xiàn)：23 摘要：搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于

2、各自智力與知識競賽場合。本設(shè)計(jì)是基于C52單片機(jī)系統(tǒng)的四路搶答器?？紤]到其限時(shí)回答功能，利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)和計(jì)數(shù)原理，將軟件和硬件結(jié)合，使系統(tǒng)能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并使數(shù)碼管正確的顯示時(shí)間。用開關(guān)做鍵盤輸出，揚(yáng)聲器做提示報(bào)警。同時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)搶答結(jié)果鎖存、調(diào)整定時(shí)時(shí)長（用pcf8591實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換）以及手動復(fù)位功能。關(guān)鍵字：AT89C51單片機(jī)、鎖存、減計(jì)時(shí)、動態(tài)顯示、報(bào)警一、任務(wù)分析1.1 設(shè)計(jì)要求以及需求分析1、設(shè)計(jì)一個(gè)四位競賽搶答單片機(jī)系統(tǒng)，可同時(shí)供4 名選手或4 個(gè)代表隊(duì)參加比賽，每隊(duì)設(shè)置單獨(dú)的搶答按鈕，編號為1、2、3、4，主要的需求是通過對按鈕的設(shè)置實(shí)現(xiàn)每個(gè)小組的搶答2、給節(jié)目

3、主持人設(shè)置一個(gè)“搶答開始”控制開關(guān)，用來控制搶答開始，主要需求是通過對搶答按鈕的設(shè)置實(shí)現(xiàn)搶答的開始3、給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)“系統(tǒng)清除”控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)清零主要需求是通過對系統(tǒng)清零按鍵的設(shè)置以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的清除功能的實(shí)現(xiàn)4、搶答器具有編號鎖存、搶答計(jì)分、時(shí)間顯示和聲響提示等功能。1）主持人按下“搶答開始”后，系統(tǒng)以減計(jì)時(shí)方式，顯示搶答剩余時(shí)間。2）如果搶答時(shí)間計(jì)時(shí)結(jié)束，卻沒有選手搶答時(shí)，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警提示（顯示單音，持續(xù)2 秒）；3）搶答時(shí)間內(nèi)，若有選手按動對應(yīng)的搶答按鈕，此對編號立即鎖存，數(shù)碼管上顯示出隊(duì)伍編號和此隊(duì)累計(jì)分?jǐn)?shù)，同時(shí)系統(tǒng)給出音響提示（顯示單音，持續(xù)2 秒）。4）在主持人

4、啟動“搶答開始”鍵前，選手提前搶答，搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警提示（顯示單音，持續(xù)2 秒）。主要需求是對系統(tǒng)報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)以及對選手搶答按鍵和主持人按鍵的檢測5、搶答成功后，禁止其他選手搶答，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。6、搶答器具有利用旋鈕調(diào)整搶答時(shí)間功能，時(shí)間范圍20 秒50 秒，主要需求是對搶答時(shí)間的準(zhǔn)確設(shè)置1.2 功能模塊設(shè)置及其功能（1）鍵盤輸入模塊：主要是實(shí)現(xiàn)選手的搶答以及主持人實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)清零和搶答開始的功能；（2）蜂鳴器報(bào)警模塊：主要是實(shí)現(xiàn)提示和報(bào)警功能；（3）旋鈕調(diào)節(jié)模塊：主要是實(shí)現(xiàn)對選手搶答時(shí)間設(shè)置的功能，通過PCF8591進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換改變計(jì)時(shí)器

5、初值來實(shí)現(xiàn)；（4）數(shù)碼管顯示模塊：主要是實(shí)現(xiàn)選手搶答時(shí)間的顯示以及選手的組別和答題分?jǐn)?shù)的設(shè)置的功能二、總體方案設(shè)計(jì)方案一：搶答器系統(tǒng)采用中小規(guī)模集成電路，使用按鈕作為開關(guān)，完成輸入信號的觸發(fā)。該方案不需要軟件編程，只需要硬件電路不出錯(cuò)就可實(shí)現(xiàn)需要的功能。但是電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于調(diào)試，成本較高，實(shí)現(xiàn)接線的時(shí)候會因?qū)Ь€連接混亂造成干擾和短路等故障。方案二：采用現(xiàn)場可編程門列陣（FPGA）。FPGA可以給出很多邏輯單元，可以將想要實(shí)現(xiàn)的功能的電路應(yīng)硬件語言描述出來，可以實(shí)現(xiàn)許多的復(fù)雜功能，比較靈活多變而在時(shí)序方面比單片機(jī)要好。但是該設(shè)計(jì)方式對數(shù)據(jù)的處理方式的速度要求不高，F(xiàn)PGA高速優(yōu)勢無法體現(xiàn)，

6、同時(shí)芯片的引腳比較多，實(shí)物電路板布線復(fù)雜，加重實(shí)際焊接的工作，而且從成本方面來看，較為不經(jīng)濟(jì)。方案三：搶答器系統(tǒng)由一塊AT89C51單片機(jī)芯片為控制核心，通過PCF8951芯片實(shí)現(xiàn)電壓輸入模擬量的采集以及A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸以控制減計(jì)時(shí)時(shí)間的控制，通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號，以及通過開關(guān)的閉合采集減計(jì)時(shí)、選手組好、分?jǐn)?shù)和主持人輸入信號的采集以在數(shù)碼管上顯示，性能良好，可靠性高，且成本相對較低。從成本、性能、可靠性等多方面進(jìn)行對比和論證，以及基于安全、法律等因素和性價(jià)比最優(yōu)原則，最終實(shí)施方案三結(jié)合課題功能指標(biāo)，利用學(xué)習(xí)過的AT89C51單片機(jī)作為控制核心。同時(shí)利用獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)選手的搶

7、答功能以及主持人對搶答開始和系統(tǒng)清零的控制，同時(shí)用8 位的共陽極數(shù)碼管顯示隊(duì)伍的編號、分?jǐn)?shù)、以及減計(jì)時(shí)的時(shí)間，同時(shí)也用到了轉(zhuǎn)換器PCF8951顯示電路PCF8951模擬信號采集轉(zhuǎn)換電路報(bào)警電路選手開關(guān)AT89C52 主持人開關(guān)系統(tǒng)總體框圖（各組成部分的作用和特點(diǎn)PCF8591：通過對電壓模擬信號的采集以及A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量輸出送給單片機(jī)來控制減計(jì)時(shí)的時(shí)間；AT89C52：處理鍵盤輸入及控制數(shù)碼管輸入與報(bào)警電路顯示電路：顯示倒計(jì)時(shí)、搶答隊(duì)伍及其分?jǐn)?shù)報(bào)警電路：用于實(shí)現(xiàn)選手搶答和減計(jì)時(shí)結(jié)束卻沒有組別回答問題時(shí)的報(bào)警功能。主持人/選手開關(guān)：通過鍵盤控制輸入C52的數(shù)據(jù)三、硬件設(shè)計(jì)3.1電路原理圖 系

8、統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖報(bào)警系統(tǒng)數(shù)碼管顯示開關(guān)按鍵A/D轉(zhuǎn)換電路關(guān)鍵器件的介紹：1.AT89C51簡介AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。主要性能參數(shù)： 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz24MHz 三級

9、加密程序存儲器 1288字節(jié)內(nèi)部RAM 32個(gè)可編程IO口線 2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式2.PCF8591簡介PCF8591是8位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，是單片、單電源低功耗 8 位 CMOS 數(shù)據(jù)采集器件，具有4個(gè)模擬輸入、一個(gè)輸出和一個(gè)串行I2C 總線接口。3個(gè)地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個(gè)器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復(fù)用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模擬轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。主要性能參數(shù)：單電源

10、供電工作電壓：2.5 V-6 V待機(jī)電流低I2C總線串行輸入/輸出通過3個(gè)硬件地址引腳編址采樣速率取決于I2C總線速度4個(gè)模擬輸入可編程為單端或差分輸入自動增量通道選擇模擬電壓范圍：VSS VDD片上跟蹤與保持電路8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換帶一個(gè)模擬輸出的乘法DACA/D和D/A轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式以及輸入與輸出關(guān)系圖時(shí)序圖PCF8591的數(shù)據(jù)傳送服從I2C總線協(xié)議，總線上數(shù)據(jù)信號的傳送由起始信號（S）開始，由終止信號（P）結(jié)束。在SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號，起始信號表示一次數(shù)據(jù)傳送的開始，其后為尋址字節(jié)，來尋址被控的從機(jī)（本設(shè)計(jì)中取為40H），在尋址字節(jié)后為其應(yīng)

11、答位。再之后，是按指定讀/寫的數(shù)據(jù)字節(jié)與應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)傳送結(jié)束以后主器件都必須發(fā)送停止信號。停止信號用在SCL為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化來表示。這便是一次完整的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)答時(shí)序。A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序圖3、排阻RESPACK8 及RX8電阻塊RESPACK8用于P0口驅(qū)動，電流不夠，加排阻增加電流RX8用于單片機(jī)IO用作低電平輸入時(shí)是提供灌電流，電阻大小的確定一般都是根據(jù)你的拉電阻的選擇，因?yàn)槁O輸出的IO內(nèi)阻相當(dāng)大，等效電路的電阻即為拉電阻，拉電流就是外接電源/拉電阻，一般的TTL電平驅(qū)動電流在20ma-25ma5、獨(dú)立按鍵的簡介共有六個(gè)鍵盤，其中1-4組按鍵用于實(shí)現(xiàn)組別選手的搶

12、答按鍵 5號按鍵用于實(shí)現(xiàn)主持人設(shè)置搶答開始 6號按鍵用于實(shí)現(xiàn)主持人設(shè)置系統(tǒng)清零3.2器件的選擇（1）鍵盤的選擇：由于只要實(shí)現(xiàn)四組搶答以及主持人使用的系統(tǒng)清零和搶答開始功能，故使用單獨(dú)六個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)功能以減少器件使用的成本，且能夠?qū)崿F(xiàn)完全的功能（2）模擬器件的選?。?為了符合設(shè)計(jì)要求的規(guī)定，A/D轉(zhuǎn)換器選擇了采用I2C串行通信的PCF8591（3）數(shù)碼管的選取由于通過PCF8591芯片采集的模擬量信號的輸入電壓最大為+5V，所以八位數(shù)碼管已基本滿足需求，為了使P0口獲得更大的驅(qū)動能力，在此選擇了共陽極數(shù)碼管。（4）I/O驅(qū)動能力分析： 與P1、P2、P3口相比，P0口的驅(qū)動能力較大，每位可驅(qū)動8

13、個(gè)LSTTL輸入，而P1、P2、P3口的每一位的驅(qū)動能力，只有P0口的一半。當(dāng)P0口的某位為高電平時(shí)，可提供400uA的電流，當(dāng)P0口的某位為低電平時(shí)，可提供3.2mA的灌電流。無論是P0口，還是P1、P2、P3口，想要獲得較大的驅(qū)動能力，只能用低電平輸出。 （5）電路結(jié)構(gòu)的確定 獨(dú)立的鍵盤作為人機(jī)接口，直接與單片機(jī)的P1口相連，單片機(jī)的P1口驅(qū)動能力相對較弱，但滿足數(shù)碼管驅(qū)動，用于驅(qū)動八個(gè)8段LED數(shù)碼管， P3口低四位作為四個(gè)數(shù)碼管的位選信號。P3.0、P3.1分別作為時(shí)鐘線和信號線接口與PCF8591相接，P1.6用來接入蜂鳴器。四、軟件設(shè)計(jì)4.1 程序處理流程開始的時(shí)候先設(shè)置各存儲器的

14、地址以及控制字和IO口的設(shè)定減計(jì)時(shí)設(shè)置完成以后，若主持人未按下【開始搶答】按鍵，卻有 【1組】、【2組】、【3組】、【4組】中的某一組按下按鍵，則系統(tǒng)提示報(bào)警信號，發(fā)出2s的報(bào)警提示音；若主持人按下【開始搶答】按鍵，則進(jìn)入減計(jì)時(shí)程序，此時(shí)若減計(jì)時(shí)結(jié)束，卻沒有組進(jìn)行搶答，則系統(tǒng)提示報(bào)警信號，發(fā)出2s的報(bào)警提示音，然后支持人對系統(tǒng)設(shè)置【系統(tǒng)清零】，若在減計(jì)時(shí)結(jié)束之前有【1組】、【2組】、【3組】、【4組】中的某一組按下按鍵搶答，則在數(shù)碼管上顯示該組的成績累計(jì)加分，并顯示改組的組號，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置鎖存，保存該組現(xiàn)有的得分，阻止其他組繼續(xù)搶答，系統(tǒng)提示報(bào)警信號，發(fā)出2s的報(bào)警提示音開始4.2程序流程圖設(shè)

15、置存儲器存儲地址設(shè)置時(shí)間主持人設(shè)置開始搶答減計(jì)時(shí)某組直接搶答P1.0P1.4=0報(bào)警2S N報(bào)警2S系統(tǒng)清零顯示組號和分?jǐn)?shù)加分 Y報(bào)警2S系統(tǒng)清零4.3 程序介紹（1）A/D轉(zhuǎn)換23/-定義PCF8591的讀寫地址-/#define WRITEADDR 0x90 /寫地址#define READADDR 0x91 /讀地址/-聲明全局函數(shù)-/void Pcf8591SendByte(unsigned char channel);unsigned char Pcf8591ReadByte();void Pcf8591DaConversion(unsigned char value);* 函 數(shù)

16、名 : Pcf8591SendByte* 函數(shù)功能 : 寫入一個(gè)控制命令* 輸 入 : channel（轉(zhuǎn)換通道）* 輸 出 : 無*/void Pcf8591SendByte(unsigned char channel)I2C_Start();I2C_SendByte(WRITEADDR, 1); /發(fā)送寫器件地址I2C_SendByte(0x40|channel, 0); /發(fā)送控制寄存器I2C_Stop();/* 函 數(shù) 名 : Pcf8591ReadByte* 函數(shù)功能 : 讀取一個(gè)轉(zhuǎn)換值* 輸 入 : 無* 輸 出 : dat*/unsigned char Pcf8591ReadBy

17、te()unsigned char dat;I2C_Start();I2C_SendByte(READADDR, 1);/發(fā)送讀器件地址dat=I2C_ReadByte(); /讀取數(shù)據(jù)I2C_Stop(); /結(jié)束總線 return dat;/* 函 數(shù) 名 : Pcf8591DaConversion* 函數(shù)功能 : PCF8591的輸出端輸出模擬量* 輸 入 : value（轉(zhuǎn)換的數(shù)值）* 輸 出 : 無*/void Pcf8591DaConversion(unsigned char value)I2C_Start();I2C_SendByte(WRITEADDR, 1);/發(fā)送寫器件地址

18、I2C_SendByte(0x40, 1); /開啟DA寫到控制寄存器I2C_SendByte(value, 0); /發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)值I2C_Stop();功能：PCF8591芯片通過對模擬輸入電壓的采集，然后對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過信號線傳給單片機(jī)已實(shí)現(xiàn)對減計(jì)時(shí)時(shí)間的設(shè)定思路：減計(jì)時(shí)時(shí)間的設(shè)定與PCF8591采集到的模擬量輸出電壓的大小有關(guān)，PCF8591可以將其采集到的模擬量信號通過A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號從而達(dá)到控制減計(jì)時(shí)時(shí)間的功能（2）開關(guān)檢測if(start = 0 | flag = 1)ET0 = 1;flag = 1;if(m = 0)flag = 0;else if(m = 1

19、) beep_flag = 1;if(flag1 = 0) & (flag2 = 0) &(flag3 = 0) & (flag4 = 0)/未有隊(duì)伍搶答則倒計(jì)時(shí)display(0, m);if(key1 = 0 | flag1 = 1) & (flag2 = 0 & flag3 = 0 & flag4 = 0)/隊(duì)伍一搶答并且其他隊(duì)伍未搶答ET0 = 1;if(flag = 1)/若已開始，則有效 flag1 = 1;flag2 = 0;flag3 = 0;flag4 = 0;display(1, score1);ET0 = 0;m = m1;else/若未開始則啟動蜂鳴器提醒beep_fl

20、ag = 1;if(key2 = 0 | flag2 = 1) & (flag1 = 0 & flag3 = 0 & flag4 = 0) /同上ET0 = 1;if(flag = 1)flag2 = 1;flag1 = 0;flag3 = 0;flag4 = 0;display(2, score2);ET0 = 0;m = m1;elsebeep_flag = 1;if(key3 = 0 | flag3 = 1) & (flag1 = 0 & flag2 = 0 & flag4 = 0)/同上ET0 = 1;if(flag = 1)flag3 = 1;flag1 = 0;flag2 = 0;

21、flag4 = 0;display(3, score3);ET0 = 0;m = m1;elsebeep_flag = 1;if(key4 = 0 | flag4 = 1) & (flag1 = 0 & flag2 = 0 & flag3 = 0) /同上ET0 = 1;if(flag = 1)flag4 = 1;flag1 = 0;flag2 = 0;flag3 = 0;display(4, score4);ET0 = 0;m = m1;elsebeep_flag = 1;if(flag = 0)display(0,0);功能：通過按鍵的檢測判斷是否有人搶答或是主持人是否有按下按鍵設(shè)置搶答開

22、始和系統(tǒng)清零思路：通過對按鍵是否閉合的檢測，檢測出選手搶答和主持人按鍵開始和系統(tǒng)清零，從而實(shí)現(xiàn)對沒對搶答以后隊(duì)伍的顯示和分?jǐn)?shù)的顯示，以及減計(jì)時(shí)的顯示和主持人對系統(tǒng)的清零（3）數(shù)碼管對某隊(duì)搶答和分?jǐn)?shù)的顯示void display(unsigned char team, unsigned char m) /數(shù)碼管顯示程序unsigned ms,mg;ms = m / 10;mg = m % 10;if(team = 0)data = 0x00;weixuan1 = 0;weixuan2 = 1;weixuan3 = 1;weixuan4 = 1;Delay2ms();weixuan1 = 1; d

23、ata = 0x00;weixuan1 = 1;weixuan2 = 0;weixuan3 = 1;weixuan4 = 1;Delay2ms();weixuan2 = 1;data = tablems;weixuan1 = 1;weixuan2 = 1;weixuan3 = 0;weixuan4 = 1;Delay2ms();weixuan3 = 1;data = tablemg;weixuan1 = 1;weixuan2 = 1;weixuan3 = 1;weixuan4 = 0;Delay2ms();weixuan4 = 1;elsedata = tableteam;weixuan1 =

24、 0;weixuan2 = 1;weixuan3 = 1;weixua n4 = 1;Delay2ms();weixuan1 = 1; data = 0x40;weixuan1 = 1;weixuan2 = 0;weixuan3 = 1;weixuan4 = 1;Delay2ms();weixuan2 = 1;data = tablems;weixuan1 = 1;weixuan2 = 1;weixuan3 = 0;weixuan4 = 1;Delay2ms();weixuan3 = 1;data = tablemg;weixuan1 = 1;weixuan2 = 1;weixuan3 = 1;weixuan4 = 0;Delay2ms();weixuan4 = 1;功能：通過對每一組開關(guān)按鍵的檢測，實(shí)現(xiàn)該組的隊(duì)伍和分?jǐn)?shù)的檢測思路：通過對每一組開關(guān)按鍵的檢測，設(shè)置處數(shù)碼管的位選碼和段碼，從而達(dá)到對該隊(duì)成績與隊(duì)伍的顯示（4）報(bào)警顯示void Timer0_INT() interrupt 1 /中斷服務(wù)函數(shù)count+;if(count=20)/count=20，計(jì)時(shí)一秒count=0;