基于單片機(jī)的八路智能搶答器的畢業(yè)設(shè)計

1、目 錄設(shè)計總說明IIntroductionIII1 緒論11.1 課題研究現(xiàn)狀11.2 選題意義與目的21.3 課題研究的要求及內(nèi)容21.4 本論文的組織結(jié)構(gòu)32 總體方案論證52.1 總體方案分析52.2 智能搶答器模塊化設(shè)計73 硬件設(shè)計93.1核心控制模塊9單片機(jī)的選型93.1.2 AT89C51單片機(jī)的介紹123.1.3 AT89C51特殊功能寄存器143.2時鐘與復(fù)位模塊15時鐘模塊15復(fù)位模塊163.3顯示模塊的設(shè)計183.4按鍵輸入模塊的設(shè)計21鍵盤的分類21鍵盤的去抖動22雙功能及多功能鍵233.5報警模塊的設(shè)計243.6電源模塊的設(shè)計263.6.1 變壓器263.6.2 整流

2、橋263.6.3 濾波器273.6.4 電源穩(wěn)壓芯片284 軟件設(shè)計模塊304.1單片機(jī)編程語言304.2系統(tǒng)程序設(shè)計334.3主程序344.4 非法搶答查詢子程序384.5 搶答時間調(diào)整子程序394.6 正確搶答處理程序414.7 顯示處理程序434.8 報警程序435 結(jié)論45參考文獻(xiàn)47附錄A：八路智能搶答器程序清單48附錄B 八路智能搶答器原理圖58附錄C 軟件程序流程圖59致謝60設(shè)計總說明智能搶答器作為一種電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但目前所使用的搶答器有的電路較復(fù)雜，不便于制作，而且可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成芯片，而專用集成芯片的購買又很困難

3、。為適應(yīng)多選手搶答活動的需要而設(shè)計一個智能搶答器，這種搶答器具有電路簡單，元件普通，易于購買等優(yōu)點，很好地解決了制作者制作困難和難于購買的問題。本系統(tǒng)就是采用AT89C51單片機(jī)為核心而設(shè)計的八路智能搶答器。根據(jù)搶答器的功能，智能搶答器的設(shè)計要求如下：搶答器可以同時供8名選手或8個代表隊比賽使用；主持人可以通過智能搶答器的按鍵設(shè)定每道題的搶答時間和回答時間;具有清零和非法搶答控制功能，設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)，并由主持人操控；當(dāng)主持人啟動“開始搶答按鍵”后，定時器進(jìn)行減計時，搶答時間耗盡后禁止搶答；倒計時5秒時，如果仍無人搶答，則系統(tǒng)每1s報警一次，用以提示參賽選手；搶答器具有鎖存與顯示

4、功能。即選手按下按鍵，鎖存相應(yīng)選手的參賽編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，選手搶答實行優(yōu)先鎖存，其他按鍵者將不能響應(yīng)，以便公平地選擇第一個搶答者；參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，顯示器上顯示選手的編號，同時進(jìn)入回答問題的時間倒計時；倒計時期間，主持人想終止倒計時，可以按下“停止”鍵，系統(tǒng)會自動進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。本系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法而設(shè)計，其中硬件設(shè)計是借用單片機(jī)AT89C51為中心控制模塊，采用模塊化設(shè)計思想，根據(jù)系統(tǒng)功能劃分成六個模塊，分別為：核心控制模塊、電源模塊、時鐘與復(fù)位模塊、按鍵輸入模塊、顯示模塊、報警模塊。軟件設(shè)計是采用匯編語言編程。按鍵輸入模塊共有14個按鍵，分為搶答按鍵

5、和控制按鍵。搶答按鍵共有八個，分別為S1S8，供搶答選手進(jìn)行搶答使用；控制按鍵有六個，分別為S9S14， 其中S9和S10分別為“搶答時間調(diào)整鍵”和“回答時間調(diào)整鍵”；S11和S12分別為時間“加1”和“減1”按鍵；S13和S14分別為“搶答開始按鍵”和“停止按鍵”。顯示模塊本系統(tǒng)采用四個共陽極LED數(shù)碼管顯示，一個數(shù)碼管用來顯示搶答到問題的選手的號碼，兩個用來顯示倒計時時間，一個未使用的數(shù)碼管作為以后的擴(kuò)展使用。時鐘與復(fù)位模塊包括時鐘電路和復(fù)位電路，單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)，復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開始運行。報警模塊在本系統(tǒng)中為

6、附加模塊，它的主要用途就是起到提示并引起人們的注意。電源模塊是為了增強(qiáng)本系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性而設(shè)計的模塊，它的主要任務(wù)是將交流220V電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中可以直接使用的穩(wěn)定的直流+5V。本設(shè)計限定搶答人數(shù)為八人，搶答過程如下：當(dāng)主持人按“搶答開始按鍵”后，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時，并在最后五秒啟動報警電路提示，在搶答時間過程中八名選手進(jìn)行搶答，搶答成功后，顯示模塊顯示選手號和回答問題時間?；卮鹜陠栴}后，主持人可按“停止按鍵”結(jié)束，新一輪搶答開始。如果在主持人沒有按下“搶答開始按鍵”而選手就搶答，則視為犯規(guī)，顯示模塊顯示“FF”并顯示選手號碼，而且報警電路進(jìn)行提示。主持人按“停止按鍵”后，新一輪搶答

7、開始。顯示模塊在初始顯示、超過規(guī)定搶答時間仍無人搶答和答題超過規(guī)定時間后顯示“FFF”。搶答時間和回答問題的時間可以設(shè)定，設(shè)定范圍為1-99s，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為10s，回答問題時間為30s。后臺主持人可以通過“搶答時間調(diào)整鍵”、“回答時間調(diào)整鍵”和時間“加1”、“減1”按鍵修改搶答時間和選手回答問題的時間時間，改完后“停止按鍵”確定，新時間開始有效。在搶答器設(shè)計過程中，首先完成總體方案的論證制定，然后分析系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出各部分單元電路原理圖，進(jìn)一步完成對系統(tǒng)電路的設(shè)計。在對系統(tǒng)工作原理充分研究的基礎(chǔ)上，選擇合適的元件型號和參數(shù)，再用protel繪圖軟件畫出電路原理圖，最后根

8、據(jù)電路接口編寫軟件程序。關(guān)鍵字：搶答器；單片機(jī)；AT89C51；模塊；按鍵IntroductionThe intelligent vies to answer first as a kind of electronic products have been widely applied in all kinds of intelligence and knowledge competition situation. But using the current is some complicated circuit vies to answer first, do not facilitate

9、production, and reliability, low difficult to achieve; Others use some special integrated chips, and the purchase of the special integrated chips and very difficult. In order to adapt to the needs of the many players vies to answer first activities and design a intelligent vies to answer first devic

10、e, this vies to answer first instruments have circuit is simple, components, easy to buy ordinary etc, and solves the difficult and hard to buy makers make the problem. This system is AT89C51 microcontroller as the core and the design of the intelligent vies to answer first 8. According to the funct

11、ion, intelligent vies to answer first the vies to answer first the design requirements of the following: vies to answer first is also for 8 contestants or 8 teams game; host can through the intelligence is set button vies to answer first each question time and answer the vies to answer first time; h

12、ave reset and illegal vies to answer first control function, set up a system to eliminate and vies to answer first, and by a host control switch control; when the host to start "start" button, the timer vies to answerl first to reduces the time, vies to answer first time after running proh

13、ibit contest; countdown 5 seconds, if still no contest, then system every 1 sl alarm once, to tip competitors; vies to answer first instruments have lock to save and displayl function. That's according to the button, lock to save the corresponding player of the entries, and the Numbers LED digit

14、al display, on the player vies to answer first shall give priority lock to save, the other key cannot respond to fair to choose the first vies to answer first; contestants in the set period of time vies to answer first, viesl to answer first effectively, on the monitor demonstrated contestant's

15、Numbers, and at the same time into the answer problem of the time countdown; during the countdown, the host would like to stop the countdown,can press the "stop" button, the system will automatically enter the state.The system USES the software and hardware of the method of combining and d

16、esign, including hardware design are borrowed from the single-chip microcomputer AT89C51 as the center control module, the modular design division, with six module, respectively is: the core control module, the power modules, clock and reset module, key input module, display module, alarm module. Th

17、e software design is the common assembly language programming. Key input module in 14 key, divided into vies to answer first keys and control buttons. Vies to answer first key there were eight, respectively, for vies to answer first S8 S1-players use vies to answer first; Control key has six, respec

18、tively, among them-S14 S9 S9 and S10 are "vies to answer first time to adjust key" and "answer time to adjust keys" S11 and S12 respectively for time "add 1" and "minus 1" button; S13 and S14 are "vies to answer first start button" and "stop&quo

19、t; button. Display module the system USES four were LED digital display, anode tube a digital works to display the player to vies to answer first, number two used to display the countdown, a time of unused digital tube as the expansion of the later use. The clock and reset clock circuit module inclu

20、des and reset circuit, microcontroller the clock signal used to provide all kinds of operation of single chip in the benchmark, reset operation time is of circuit chip in to make SCM initialize, from a certain initial state began to run. Alarm module in the system for additional module, its main use

21、 is a tip and draw people's attention. Power supply module is raised to the system design and extensive application of the module, it is the main task of the 220 V ac voltage conversion for dc system can directly use of the stability of the dc + 5 V. This design limited the number of eight, vies

22、 to answer first vies to answer first process is as follows: when the host to press the "start" button vies to answer first, digital display shows vies to answer first time countdown, and in the last five second start alarm circuit hint, in vies to answer first time eight players in the pr

23、ocess vies to answer first, after the success display module, vies to answer first demonstrated contestant number and answer the question time. To answer the question, can press the "stop button host, a new round of vies to answer first began to end". If the host did not press the "st

24、art" button and contestant vies to answer first vies to answer first, it shall be regarded as the foul, display module shows "FF" and demonstrated contestant number, and alarm circuit hints. According to "stop button" host, a new round of vies to answer first began after. Di

25、splay module in the initial display, exceed the prescribed vies to answer first time still no contest and the answer in excess of the prescribed time shows "FFF". Vies to answer first time and answer problem of time can set, set a range of 1-99 s, original state vies to answer first time f

26、or 10 s and answer the question time for 30 s. Backstage host can "vies to answer first time to adjust key", "answer time to adjust key and time" add 1 ", "minus 1" button modify vies to answer first time and player answer problem of time after time, change "s

27、top button" certain that the new time to start the effective. In the design process, vies to answer first do first overall scheme, and then analyses the argument for the working principle of the system, and based on this, the design of unit of the circuit principle diagram, further to the desig

28、n of the system to complete the circuit. In the working principle of the system based on the study of the fully, and choose appropriate component model and parameter, garnish with protel drawing software draw circuit principle diagram, according to write software interface circuit program. Keyword:

29、vies to answer first; microcomputer; AT89C51;module; button1 緒論當(dāng)今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優(yōu)勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這就要有一種搶答設(shè)備作為裁判員，于是搶答器應(yīng)用而生。搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手，無論是軍隊還是電視節(jié)目中,都可能會舉辦各種各樣的智力競賽,都會用到搶答器。如果要是讓搶答者用舉手等方法，主持人很容易誤判，會造成搶答的不公平，比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，所設(shè)計的搶答器通

30、常由數(shù)碼顯示、燈光、音響等多種手段指示出第一搶答者。為了使這種不公平不發(fā)生，只有靠電子產(chǎn)品的高準(zhǔn)確性來保障搶答的公平性。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認(rèn)出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(jī)(如MCS-51型)和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。1.1 課題研究現(xiàn)狀隨著我國搶答器市場的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點。技術(shù)工藝，是衡量一個企業(yè)是否具有先進(jìn)性，是否具備市場競爭力，是否能不斷領(lǐng)先于競爭者的重要指標(biāo)依據(jù)。了解國內(nèi)外搶答器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動向、工藝設(shè)

31、備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢對于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場競爭力十分關(guān)鍵。目前市場上搶答器種類繁多，功能各異，價格差異也很大。那么選擇一款真正適合的搶答器就非常重要。搶答器一般分為電子搶答器和電腦搶答器。目前電子搶答器的中心構(gòu)造一般都是由數(shù)字電子集成電路組成，其搭配的配件不同又分為，非語音非記分搶答器和語音記分搶答器。非語音記分搶答器構(gòu)造很簡單，就是一個搶答器的主機(jī)和一個搶答按鈕組成，在搶答過程中選手是沒有記分的顯示屏。語音記分搶答器是由一個搶答器的主機(jī)、主機(jī)的顯示屏以及選手的記分顯示屏等構(gòu)成，具有記分等功能。電子搶答器多適用于學(xué)校和企事業(yè)單位舉行的簡單的搶答活動。電腦搶答器又分為無線電腦搶答器和有

32、線電腦搶答器。無線電腦搶答器是由主機(jī)和搶答器專用的軟件和無線按鈕構(gòu)成。無線電腦搶答器利用電腦和投影儀，可以把搶答氣氛活躍起來，一般多使用于電臺等大型的活動。有線電腦搶答器也是由主機(jī)和電腦配合起來，電腦再和投影儀配合起來，利用專門研發(fā)的配套的搶答器軟件，可以十分完美的表現(xiàn)搶答的氣氛。搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器有很多的缺點，有的電路較復(fù)雜不便于制作,可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成塊 ,而專用集成塊的購買又很困難。而我所設(shè)計的八路智能搶答器，具有元件普通 ,易于購買等優(yōu)點,很好地解決了制作困難和難于購買的問題。在國內(nèi)外已經(jīng)開始

33、普遍應(yīng)用。1.2 選題意義與目的在知識比賽中，特別是做搶答題目的時候，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(shè)計一個系統(tǒng)來完成這個任務(wù)。如果在搶答中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。怎樣來設(shè)計搶答器，能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？通過研究并在設(shè)計驗證后發(fā)現(xiàn)，采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計的搶答器與傳統(tǒng)的搶答器相比，首先，電路連接簡單，因為大多數(shù)功能單元都通過程序設(shè)計在單片機(jī)內(nèi)部。第二，工作性能可靠，抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)搶答器，并能夠解決以上提出的問題。所以本研究是一個實用的工程設(shè)計，具有創(chuàng)新性。通過本次設(shè)計，基本掌握51系列單片機(jī)的原理，了解簡單多

34、功能搶答器組成部分，詳細(xì)掌握智能搶答器的原理和編程方法，了解單片機(jī)類系統(tǒng)的設(shè)計基本理念，提高獨立思考的能力和編程的邏輯思維能力。同時通過本課題設(shè)計，提高自己的動手能力，鞏固已學(xué)的理論知識，建立單片機(jī)理論和實踐的結(jié)合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。進(jìn)一步深入了解掌握以單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及編程方法。1.3 課題研究的要求及內(nèi)容根據(jù)智能搶答器的具體功能，本課題的詳細(xì)要求如下：（1）搶答器可以同時供8名選手或8個代表隊比賽，分別用8個按鈕S1S8表示。（2）主持人可以通過智能搶答器的按鍵設(shè)定每道題的搶答時間和回答時間。（3）具有

35、清零和非法搶答控制功能，設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)，并由主持人操控，避免選手在主持人說“開始”前提前搶答，違反規(guī)則。（4）當(dāng)主持人啟動“開始搶答按鍵”后，定時器進(jìn)行減計時，在15秒內(nèi)無人搶答表示所有參賽選手或參賽隊對本題棄權(quán)，搶答時間耗盡后禁止搶答。（5）倒計時5秒時，如果仍無人搶答，則系統(tǒng)每1s報警一次，用以提示參賽選手。（6）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按下按鍵，鎖存相應(yīng)選手的參賽編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，其他按鍵者將不能響應(yīng)，以便公平地選擇第一個搶答者。（7）參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答

36、有效，顯示器上顯示選手的編號，同時進(jìn)入回答問題的30s倒計時。（8）倒計時期間，涂改主持人想終止倒計時，可以按下“停止”鍵，系統(tǒng)會自動進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。本論文中主要介紹了單片機(jī)搶答器的詳細(xì)設(shè)計內(nèi)容和它的工作原理及工作過程，顯示了它的實際用途。本系統(tǒng)根據(jù)要求中的技術(shù)指標(biāo)，采用單片機(jī)作為核心的模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的六個模塊分別為：按鍵輸入模塊、顯示模塊、時鐘與復(fù)位模塊、報警模塊、電源模塊、核心控制模塊。并且利用存儲程序來完成軟件的設(shè)計，在搶答比賽中可以廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)中的八個參賽選手分別有一個搶答按鈕，通過每個按鈕輸入搶答信號；主持人有開始和結(jié)束、復(fù)位按鈕；在后臺主持人有搶答時間和回答問題時間的調(diào)控按鈕；

37、利用三個七段數(shù)碼管來完成顯示功能，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號；在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結(jié)束，新一輪搶答開始。本設(shè)計中主要硬件設(shè)備：AT89C51單片機(jī)、8輸入3態(tài)緩沖器線驅(qū)動器74LS244、六反相驅(qū)動器7404、共陽極LED數(shù)碼管等、12MHz晶振、74LS04反相器、手動開關(guān)、按鍵若干、報警喇叭、變壓器、整流器、電容、電阻、7805穩(wěn)壓芯片。1.4 本論文的組織結(jié)構(gòu)本論文章節(jié)的組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)容如下：第一章：緒論。簡要介紹了搶答器的發(fā)展現(xiàn)狀，選題的具體意義與目的，說明了本課題研究的

38、要求及研究內(nèi)容。第二章：總體方案論證。介紹了搶答器的三種設(shè)計方案，并作出詳細(xì)優(yōu)缺點的對比，體現(xiàn)本論文中采用的方案的正確性與科學(xué)性。并對采用的方案進(jìn)行簡單介紹，說明了搶答器的主要功能和工作過程。第三章：搶答器的硬件電路的設(shè)計。詳細(xì)描述了本課題各部分組成電路單元的具體設(shè)計。第四章：搶答器的軟件設(shè)計，并編程序。第五章：總結(jié)?？偨Y(jié)課題設(shè)計，指出設(shè)計中的一些問題，提出改善的意見，并展望搶答器的未來設(shè)計。2 總體方案論證2.1 總體方案分析根據(jù)目前市場上搶答器的種類，搶答器的種類可以大體分為三種，以下我們對這三種進(jìn)行詳細(xì)比較。方案一: 搶答器系統(tǒng)的各部分均采用中小規(guī)模集成數(shù)字電路,利用硬件電子元器件實現(xiàn)，

39、用機(jī)械開關(guān)按鈕作為控制開關(guān)，完成搶答輸入信號的觸發(fā)。如采用74LS148優(yōu)先編碼器來實現(xiàn)搶答功能等。該方案的特點是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，性能可靠，能方便地完成選手搶答的基本功能，沒有軟件的設(shè)計部分，不需要編程，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，涉及到的外圍元器件很多，造成搶答器的成本較高，并且制作過程工序比較煩瑣，不便于安裝與調(diào)試，給實際操作帶來很大的麻煩。方案二：系統(tǒng)設(shè)計主要基于可編程的PLC設(shè)計，系統(tǒng)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(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計。硬件設(shè)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(jìn)行調(diào)試、測試，以達(dá)到設(shè)計要求。軟件設(shè)計部分

40、，首先在總體設(shè)計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計，選擇合適的編程語言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計等；最后是對軟件進(jìn)行調(diào)試、測試，達(dá)到所需功能要求。方案三：系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)作為控制核心，其片內(nèi)帶有4KflashROM，128的RAM，以及15根I/O口線能滿足設(shè)計要求。該系統(tǒng)可以完成運算控制、信號識別以及顯示功能的實現(xiàn)。利用單片機(jī)程序判斷選手按鍵是否有效，但是選手違規(guī)搶答，利用簡答程序顯示，啟動蜂鳴器報警，告訴主持人有人違規(guī)操作，搶答無效。給出相應(yīng)的延時，選手按正常的操作搶答，軟件倒計時，利用AT89C51移位寄存7段數(shù)碼管，實現(xiàn)倒計時顯示時間，到5秒相應(yīng)時間提醒選手時間快到了，要及時作

41、答，并啟動蜂鳴器。由于用了單片機(jī)，使其技術(shù)比較成熟，應(yīng)用起來方便、簡單并且單片機(jī)周圍的輔助電路也比較少，便于控制和實現(xiàn)。整個系統(tǒng)具有極其靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進(jìn)行功能的擴(kuò)張和更改性。單片機(jī)特點如下： （1）高集成度，體積小，高可靠性。單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內(nèi)，故可靠性高。 （2）控制功能強(qiáng)：為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏

42、輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。（3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品：為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8V3.6V，而工作電流僅為數(shù)百微安。 （4）易擴(kuò)展：片內(nèi)具有計算機(jī)正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。（5）優(yōu)異的性能價格比：單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機(jī)已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極

43、大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。方案比較分析：從第一個方案我們可以看出，這個搶答器是由搶答電路，定時電路，報警電路，時序控制電路四個關(guān)鍵電路部分組成。擴(kuò)展電路是由秒鐘脈沖信號產(chǎn)生電路，譯碼電路，顯示電路等，它的功能很齊全，設(shè)計的電路也很穩(wěn)定。但是它的造價卻很高，僅僅是集成電路他就用了八個，這個跟我們當(dāng)初的設(shè)計理念是相沖突的。我們要的是功能齊全，但是造價比較低的設(shè)計。所以我們放棄這個方案。而方案二采用可編程PLC設(shè)計實現(xiàn)的搶答器，但該系統(tǒng)的投入成本過于高昂，軟件編程過于繁瑣，對編程的語言掌握程度要求很高，而且其PLC在該領(lǐng)域的應(yīng)用很少，普通人對PLC的理解及掌握都不是

44、很深入，鑒于通用性和節(jié)省的原則，我們依然不采用該方案。方案三采用單片機(jī)為核心器件，外圍電路采用集成芯片，其可靠性好，結(jié)構(gòu)簡單，不但從性能上優(yōu)于方案一和方案二，而且在使用上及其功能的實現(xiàn)上都較其他方案簡潔，并且由于單片機(jī)具有優(yōu)越的高集成電路性，使其工作速度更快、效率更高。另外單片機(jī)采用12MHz的晶振，提高了信號的測量精度，并且使該系統(tǒng)可以通過軟件改進(jìn)來擴(kuò)張功能。該模式充分體現(xiàn)了原有系統(tǒng)性能的改進(jìn)，功能的擴(kuò)展及其他同類系統(tǒng)的不同之處，它包括硬件邏輯圖與軟件流程圖，比較經(jīng)濟(jì)實用，所以我們選用單片機(jī)的方案。2.2 智能搶答器模塊化設(shè)計該搶答器系統(tǒng)的硬件設(shè)計是以單片機(jī)為中心控制模塊，采用模塊化設(shè)計的八

45、路搶答器，具有六個模塊，分別為：按鍵輸入模塊、顯示模塊、時鐘與復(fù)位模塊、報警模塊、電源模塊、核心控制模塊。系統(tǒng)的主要功能模塊原理框圖如圖2-1所示。圖2-1 主要功能模塊原理框圖按鍵輸入模塊共有14個按鍵，分為搶答按鍵和控制按鍵。搶答按鍵共有八個，分別為S1S8，供搶答選手進(jìn)行搶答使用，P1口為八個按鍵搶答信號的輸入口，低電平有效。控制按鍵有六個，分別為S9S14， 其中S9和S10分別為“搶答時間調(diào)整鍵”和“回答時間調(diào)整鍵”， 其對應(yīng)的IO接口分別為P3.2和P3.3；S11和S12分別為時間“加1”和“減1”按鍵，其對應(yīng)的IO接口分別為P3.4和P3.5；S13和S14分別為“搶答開始按鍵

46、”和“搶答停止按鍵”，其對應(yīng)的IO接口分別為P3.0和P3.1；顯示模塊本系統(tǒng)采用四個共陽極LED數(shù)碼管顯示，一個數(shù)碼管用來顯示搶答到問題的選手的號碼，兩個用來顯示倒計時時間，一個未使用的數(shù)碼管作為以后的擴(kuò)展使用。數(shù)碼管采用74LS244來驅(qū)動，74LS244是TTL8輸入3態(tài)緩沖器線驅(qū)動器，它的輸出電流可以達(dá)到24mA。時鐘與復(fù)位模塊包括時鐘電路和復(fù)位電路，單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)，單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確

47、定的初態(tài)開始運行。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位或開關(guān)復(fù)位。當(dāng)5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。報警模塊在本系統(tǒng)中為附加模塊，它的主要用途就是起到提示并引起人們的注意。它只有在兩種情況下才發(fā)出報警，一是“開始搶答”按鍵沒有按下時，選手就按下了“搶答鍵”，報警電路發(fā)出報警，提示有選手發(fā)生搶答；二是每道題的搶答時間和問題的回答時間在倒計時5秒時，報警電路發(fā)出報警，提示選手倒計時的時間即將耗盡。電源模塊是為了增強(qiáng)本系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性而設(shè)計的模塊，在我們常用的單片機(jī)

48、或其他外圍芯片的電源供給電壓一般為直流+5V、+3V和+12V，現(xiàn)實中的使用電壓為交流220V，為了增加其現(xiàn)實意義，故設(shè)計了電源模塊，它的主要任務(wù)是將交流220V電壓轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)中可以直接使用的直流+5V。核心控制模塊就是人們所謂的CPU，它是整個系統(tǒng)的總控制部分，本系統(tǒng)的核心控制模塊為51系列的單片機(jī)，只有我們通過軟件程序的編寫，并將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，該系統(tǒng)才會正確的工作。3 硬件設(shè)計本設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這兩者相互結(jié)合，不可分離。從時間上看，硬件設(shè)計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術(shù)準(zhǔn)備充分，硬件設(shè)計的大返工是比較少的，軟件設(shè)計的任務(wù)貫徹始終，到中后期基

49、本上都是軟件設(shè)計任務(wù)，隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，各種功能很強(qiáng)的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設(shè)計的工作量在整個項目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設(shè)計盡可能合理，應(yīng)注意以下幾方面：(1) 工業(yè)上盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡化電路，功能強(qiáng)的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價格的總和高。(2) 留有設(shè)計余地。在設(shè)計硬件電路時，要考慮到將來修改擴(kuò)展的方便。因為很少有一錘定音的電路設(shè)計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工。(3) 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機(jī)，否則因為程序空

50、間不夠使不得不進(jìn)行空間擴(kuò)展。(4) RAM空間，大部分51系列單片機(jī)的內(nèi)部RAM不多，當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部RAM，則建議多留一些空間。如選用8155作I/O接口，就可以增強(qiáng)256字節(jié)RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應(yīng)配置足夠的RAM，如6264，62256等。隨著軟件設(shè)計水平的提高，往往只要改變或增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設(shè)計初期考慮到這一點，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留足夠的RAM空間，哪怕多設(shè)計一個RAM的插座，暫不插芯片也好。(5) I/O端口，在樣機(jī)研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場

51、試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設(shè)計就預(yù)留出一些I/O端口，雖然當(dāng)時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。3.1核心控制模塊單片機(jī)的選型單片機(jī)實際上就是把CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器、I/O接口電路等微型機(jī)的主要部件集成在一塊芯片上，因此稱之為單片機(jī)Mircocontroller。由于它具有體積小，性價比高，耗電少，可靠性高，有易于掌握和使用，所以現(xiàn)在微型機(jī)不僅占領(lǐng)了原來實用小型機(jī)的各個領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于過程控制等場合，此外還可應(yīng)用于過去計算機(jī)

52、無法深入的方面，如測量儀器、教學(xué)裝置、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等。經(jīng)過多年的發(fā)展，8位單片機(jī)已有60多個系列，近600多個種類，市場上可見到的如美國Fairchild公司的F8系列，Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-196系列產(chǎn)品，Motorola公司的6801、6805系列產(chǎn)品，Zilog公司的Z8、Supper8系列產(chǎn)品，Rockwell公司的6501、6502系列產(chǎn)品，Philips公司的80C51系列產(chǎn)品,Microchip公司的PIC系列和Ateml公司的AT89系列等，Intel公司的單片機(jī)在市場上占主流地位，其中MCS-51系列產(chǎn)品又占主導(dǎo)地位。我國應(yīng)用引進(jìn)的單片機(jī)主

53、流產(chǎn)品是MCS-51、MCS-96系列。MCS-51單片機(jī)是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有 8031（內(nèi)部沒有程序存儲器，實際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）和8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在， MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的89S51、89C51等），各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。有些文獻(xiàn)甚至也將8051泛指MCS-51系列單片機(jī)，8051是早期的最典型的代表作，MCS-51內(nèi)核實際上已經(jīng)成為一個8位單片機(jī)的

54、標(biāo)準(zhǔn)。其他的公司的51單片機(jī)產(chǎn)品都是和MCS-51內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而以。同樣的一段程序，在各個單片機(jī)廠家的硬件上運行的結(jié)果都是一樣的，如ATMEL的89C51、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（華邦）等，我們常說的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51單片機(jī)，同時是在原基礎(chǔ)上增強(qiáng)了許多特性，如時鐘，更優(yōu)秀的是由Flash（程序存儲器的內(nèi)容至少可以改寫1000次）存儲器取帶了原來的ROM（一次性寫入），AT89C51的性能相對于8051已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了。總體來說單片機(jī)的種類很多，在實際設(shè)計和工作中選擇好單片機(jī)非常重要，選擇怎么樣的單片機(jī)對產(chǎn)品的整體結(jié)果影響很大

55、，選擇時一般考慮以下問題。了解被開發(fā)產(chǎn)品的需求和任務(wù)：搞清楚被開發(fā)產(chǎn)品的使用環(huán)境、供電方式、功能要求、成本要求和開發(fā)周期等需求非常重要。第一時間有了產(chǎn)品的需求和任務(wù)，才能選擇更合適的單片機(jī)。根據(jù)任務(wù)選機(jī)型：若所設(shè)計的產(chǎn)品是在惡劣環(huán)境下使用，則要選擇工業(yè)級或軍級產(chǎn)品，可考慮STC公司、Philips公司和WinBond公司的系列單片機(jī)；若在常規(guī)環(huán)境下使用，可選擇民品，民品產(chǎn)品多，選擇范圍大；若是干電池供電，需要低功耗應(yīng)用場合，可考慮TI公司的MSP430系列、Microchip公司的PIC系列、STC公司的L系列單片機(jī)；若要去控制速度快并有AD轉(zhuǎn)換、存儲器等需求，可考慮ST公司的uPSD3200

56、系列、Silicon Labs公司的C8051F系列單片機(jī)等產(chǎn)品；若功能單一、成本要低，可考慮STC公司、PIC公司、WinBond公司、ATMEL公司的單片機(jī)產(chǎn)品。選擇不同的單片機(jī)，其片內(nèi)程序存儲容量、數(shù)據(jù)存儲器、E2PROM的大小都有差異。綜合性能的考慮：對于產(chǎn)品的設(shè)計，在選擇單片機(jī)時，要充分利用片內(nèi)存儲空間，萬一不夠，可以通過擴(kuò)展片外存儲器的方法已達(dá)到要求，或者更換已有的大容量其他機(jī)型，兼容性好。如WinBond公司、ATMEL公司、STC公司的絕大部分產(chǎn)品都很兼容。但如果程序太大，超過了一般的64KB時，只好選擇ST公司的uPSD3200系列產(chǎn)品了。另外，單片機(jī)的接口能力、接口方式和I

57、O口的多少也得考慮。開發(fā)環(huán)境的考慮：在選用單片機(jī)時，還要注意有沒有配套的開發(fā)系統(tǒng)。由于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)一般比較緊湊小巧，不像其他微機(jī)系統(tǒng)有較多的外設(shè)，因此，在自行設(shè)計組裝時，必須具備專門的工具來幫助單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。其他因素的考慮：在選擇單片機(jī)時，其封裝形式也得考慮。雙列直插、PLCC有對應(yīng)插座適合產(chǎn)品開發(fā)階段或?qū)W習(xí)時使用，SOP、QFP、SSP、TSSP等表貼封裝更適合最終產(chǎn)品選用。本課題根據(jù)以上五點單片機(jī)選型規(guī)則來看，AT89C51單片機(jī)是最好的選擇。首先本課題的設(shè)計產(chǎn)品使用環(huán)境為常規(guī)環(huán)境，并且實現(xiàn)的功能相對來說比較簡單；其次軟件程序不是非常的多，4k存儲空間做夠使用，常見的開發(fā)軟件和工具

58、我們稱為8051開發(fā)系統(tǒng)或環(huán)境，常見的匯編程序ASM51、Keil C51、MedWin 等均是針對8051內(nèi)核單片機(jī)的開發(fā)軟件，AT89C51完全兼容，可以使用；再次該系列單片機(jī)的發(fā)展相對較成熟，會使用的人很多，容易被人接受；最后，在眾多的51系列單片機(jī)中， ATMEL 公司的AT89C51更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。AT89C51有PDIP、PLCC和PQFP/TQFP等封裝，AT89C51目前的售價比8031還低，市場供應(yīng)也很充足。 AT89C51單片機(jī)的介紹AT89C51單片機(jī)主要有以下部件構(gòu)成：八位微處理器CPU、振蕩電路、總線控制部件、中斷控制部件、片內(nèi)Flash存儲器、片內(nèi)RAM、并行I/O接口、定時器和串行I/O接口。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部由CPU、4KB的FPEROM ，128B的RAM，兩個16位的定時/計數(shù)器T0和T1，4個8位的I/O端P0、P1、P2、P3等組成。單片微機(jī)內(nèi)部最核心的部分是CPU，CPU按其功能可分為運算器和控制器兩部分?？刂破饔沙绦蛴嫈?shù)器PC、指令儲存器、指令譯碼器、實時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等組成。它的功能是對來自存