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1、, 清华大学微机原理与接口技术课程设计 题 目 _竞赛抢答器课程设计_学生姓名 刘闯 专业班级 10计科2班 学 号 201015056 所 在 系 信息工程学院 指导教师 曾毅 完成时间 2013 年 1 月 1 日 郑 州 科 技 学 院微机原理与接口技术课程设计任务书 题目 竞赛抢答器课程设计 专业 计算机科学与技术 班级 _10计科2班_ 学号 201015056 姓名 刘闯 1、 基本要求 设计一个具有8路抢答的抢答器，利用并行接口和开关键。逻辑开关K0-K7代表抢答按钮，当某个逻辑开关闭合时，相当于抢答按钮按下，此时在七段数码管上将其号码显示出来，并使喇叭响一声（或者以发光二极管代
2、替）。二、设计任务启动计算机，计算机自动为系统各芯片进行初始化，抢答器开始工作。比赛开始，在主持人按下开始键，绿灯亮后，选手才可开始抢答，否则违规。若选手抢答成功，LED显示器显示选手号码，扬声器鸣叫。若选手抢答违规（主持人未按开妈键），LED显示器显示违规选手号码，红灯亮，扬声器报警，并根据比赛规则进行对该选手进行扣分。若系统提示某号选手抢答违规，主持人仍未按开始键，此时该号选手又按下抢答键，LED显示器显示该选手的号码。本系统开机后，若主持人既未按复位键又未按开始键，此时有选手按下抢答键，系统提示红灯亮，并报警。 1、抢答成功，置8253通道2计数值为1000，扬声器的鸣叫声音频率为1MH
3、z/1000=1KHz。2、抢答失败，置8253通道2计数值为2000，扬声器的鸣叫声音频率为1MHz/2000=0.5KHz。3、扬声器鸣叫或报警的时间为12s。三、设计时间_2012_年_12_月_31_日 至 _2013_年_1_月_4_日指导教师： 教研室主任： 目录一 课程设计的目的和要求.2二 总体设计.2三 硬件电路设计.4四 软件设计.9五 仿真调试.20六 源程序.22 七 总结.28八 参考文献 .30一、课程设计的目的和要求单片机原理及应用课程设计是学生综合运用所学知识，全面掌握单片微型计算机及其接口的工作原理、编程和使用方法的重要实践环节。通过独立或协作提出并论证设计方
4、案，进行软、硬件调试，最后获得正确的运行结果，可以加深和巩固对理论教学和实验教学内容的掌握，进一步建立计算机应用系统整体概念，初步掌握单片机软、硬件开发方法。根据单片机原理及应用课程的要求，主要进行两个方面的设计，即单片机最小系统和存储器扩展设计、接口技术应用设计。其中，单片机最小系统主要要求学生熟悉单片机的内部结构和引脚功能、引脚的使用、复位电路、时钟电路、4个并行接口和一个串行接口的实际应用，从而可构成最小应用系统，并编程进行简单使用。存储器扩展设计要求学生掌握常用半导体芯片与单片机的接口，如EPROM存储器用作外部程序存储器时与单片机的连接关系，SRAM存储器用作外部数据存储器时与单片机
5、的连接关系，E2PROM存储器用作外部程序/数据存储器时与单片机的连接关系。能合理分配和使用单片机的内部和外部存储器，编程实现正常的读写功能。在进行智力竞赛时，为了具有一种反应准确显示方便的抢答装置，下面设计了一种带有定时功能的多路抢答器。 1、八路抢答，各用一个抢答按钮； 2、设置一个控制开关，该开关由主持人控制；3、具有数据锁存和显示功能，抢答开始后若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到系统清零为止；4、当主持人按下“开始”按钮，抢答开始。5、当某一路抢答成功时，在数码管上显示成功信息和该路的号数；6、当某一路抢答违规时，能
6、在数码管上显示违规信息和号数；可扩展以下功能： 7、具有定时抢答的功能，选手在设定的时间内抢答有效，且一次抢答的时间设定为30秒，超时扬声器报警； 8、定时抢答的时间到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答，时间显示器上显示00。 9、开始开关未动作，在数码管上显示出选手的编号和抢答时刻，同时扬声器给出音响提示，选手抢答无效，并报警，系统复位，重新开始。 二、总体设计该系统采用51系列单片机AT89C51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少
7、，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。MCS-51单片机特点如下： 可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令和数据都可以写在ROM里，许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高，易扩充。单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统。 控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。其原理框图如下:抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示主持人按钮开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路 如图所示为电路框
8、图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置，“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“开始、停止”状态开关。（一）功能介绍1、如果想调节抢答时间或答题时间,按抢答时间调节键或答题时间调节键进入调节状态,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-1s键，时间LED
9、上会显示改变后的时间，调整范围为0s99s, 0s时再减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30s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60s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。
10、5、P3.0为开始抢答，P3.1为停止，p1.0-p1.7为八路抢答输入 数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。P3.2抢答时间调整结，P3.3回答时间调整，P3.4为时间加1调整，P3.5为时间减1调整。（二）抢答器的工作原理抢答器的工作原理是利用单片机的定时器T0、T1中断完成,其余状态循环调用显示子程序,用4个共阴极LED数码管来显示，用P0口作为数码管的八个段选，用P2口中的P2.0、P2.1、P2.2、作为4个数码管其中3个位选，P1口接8个按键，提供选手抢答，P3.0-P3.5四个接四个按键，提供开始、结束、答题时间调整、抢答时间调整，加1、减1调整之用。抢答
11、功能：通过八路按键配合程序来实现抢答功能。当主持人按下抢答键开始抢答后，此时任一路按下按钮均闭锁其它各路，由程序对键盘译码并显示最先按下抢答键的路数及其当前时间。抢答限时：主持人按下抢答键后，设置30秒为抢答时间(此时间可在1-99秒之间修改)。若30秒内无人抢答，倒计时为5时发出报警，说明该抢答题目作废。此时闭锁所有抢答按键，只有当主持人再次按下抢答键开始下一次抢答方可抢答。答题限时：当选手按下按钮时，启动倒计时(此倒计时时间可在199秒之间修改)，倒计时为5时发出报警，说明答题时间到。三、硬件电路设计1.原理图的确定单片机实现抢答的原理图：抢答电路的接口电路 2.抢答器电路参考电路如上图所
12、示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置,“清除”然后再进行下一次抢答。 3. 时序控制电路设计 a.主持人将控制开关拨到开始位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。b.当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作4.复位电路的设计外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进
13、行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。复位电路如图3所示： 复位电路原理图5. 晶振电路的设计MSC-51单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内部时钟方式。单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振荡器）和
14、电容就可组成振荡器，如图2-2所示。加电以后延时一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，图中Y1为晶振，震荡产生的时钟频率主要由Y1确定。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起微调作用，典型值为30pF。晶振电路的设计如图2-2所示：晶振电路原理图6. 报警电路设计报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。一般喇叭是一种电感性图5报警电路图。8951驱动喇叭的信号为各种频率的脉冲。因此，最简单的喇叭驱动方式就是利用达林顿晶体管，或者以两个常用的小晶体管连接成达林顿架势。在右图中电阻R为限流电阻，在此利用晶体管的高电流增益，以达到电路快速饱和的目的。
15、不过，如果要由P0输出到此电路，还需要连接一个10K的上拉电阻。选手在设定的时间内抢答时，实现：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次作清除和开始状态开关。 7.选手抢答键（矩阵式键盘）AT89C51的P1口做一个为选手抢答的输入按键引脚，P1.0至P1.7轮流输出低电位，给每一个选手编号1至8，当选手按下按钮时，P1口个端口的电平变化从P1口输入，经单片机处理后从P0输出由数码管显示抢答者编号。8.显示与显示驱动电路 此电路包括显示和驱动，显示采用数码管，驱动用P2口， 违规者编号、抢答30秒倒计时
16、、正常抢答者编号和回答问题时间60秒倒计时，数码管采用动态显示。驱动电路P2口，查询显示程序利用P0口做段选码口输出P2低3位做位选码输出，当为低电平则能驱动数码管使其显示数字。在+5V电压下接10k的电阻，保证正常压降。四、软件设计1、系统主程序设计为了能够达到抢答的公平、公正、合理，应该在主持人发布抢答命令之前必须先设定抢答的时间，因而在编开始抢答前的程序得先编写设定时间的程序，当时间设好了之后，主持人发布抢答命令按下P1.7按键，程序开始打开定时中断开始倒计时，然后调用键盘扫描子程序，编写键盘扫描程序。当在扫描到有人按下了答题键，马上关闭T0、调用显示程序、封锁键盘。主程序设置抢答时间和
17、回答问题时间定时器及并行口初始化将时间计数器及启动标志值1开中断采并行口数据为0吗？启动标志=1吗？判断抢答组号报警电路发声判断哪一组为抢答组将抢答组号送显示抢答时间到了吗？输出响铃信号提示超时继续抢答比赛吗？系统返回NYYYNYN系统主程序流程图2. 显示抢答违规流程图 开 始报警一直提示显示违规者编号3. 抢答成功流程图 开 始响声提示设置定时器初值并启动显示抢答者后30秒倒计时60秒答问题时间到并响声提示RET4. 程序清单 定时器T1时间初值设50ms时间初值为Z，Z的计算方法为（216- Z）12=1250103，结果Z=15536D=3CB0H OK EQU 20H ;抢答开始标志
18、位 RING EQU 22H ;响铃标志位 DATA0 EQU 36H ;抢答按键口数据存放地址 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 ;初设抢答时间为30s MOV R2,#60 ;初设答题时间为60s MOV TMOD,#11H ;设置未定时器/模式1 MOV TH0,#0F0H MOV TL0,#0FFH ;越高发声频率越高,越尖 MOV TH1,#3CH MO
19、V TL1,#0B0H ;50ms为一次溢出中断 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB EX0 SETB EX1 ;允许四个中断,T0/T1/INT0/INT1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0 ;一开始就运行定时器,以开始显示PPP.如果想重新计数,重置TH1/TL1就可以了;查询程序START: MOV DATA0,#0FFH ;初始化 MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH MOV R3,#0BH ACALL DISPLAY ;未开始抢答时候显示PPP JNB P3.3 ,INT0SUB JNB P3.4,TZ1 ;倒计时
20、调整 JB P3.0,NEXT ;ddddddd ACALL DELAY JB P3.0,NEXT ;去抖动,如果开始键按下就向下执行,否者跳到非法抢答查询 SETB EX0 ;开放INT0 ACALL BARK ;按键发声 MOV A,R1 MOV R6,A ;送R1-R6,因为R1中保存了抢答时间 SETB OK ;抢答标志位,用于COUNT只程序中判断是否查询抢答(在使用锦囊时用作判断是抢答倒计时还是回答倒计时) MOV R3,#0AH ;抢答只显示计时,灭号数 AJMP COUNT ;进入倒计时程序,查询有效抢答的程序在COUNT里面NEXT: JNB P1.0,FALSE1 JNB
21、P1.1,FALSE2 JNB P1.2,FALSE3 JNB P1.3,FALSE4 JNB P1.4,FALSE5 JNB P1.5,FALSE6 JNB P1.6,TZ1 JNB P1.7,TZ2 AJMP STARTTZ1: JMP FALSE7TZ2: JMP FALSE8 ;非法抢答处理程序FALSE1: ACALL BARK ;按键发声 MOV R3,#01H AJMP ERRORFALSE2: ACALL BARK MOV R3,#02H AJMP ERRORFALSE3: ACALL BARK MOV R3,#03H AJMP ERRORFALSE4: ACALL BARK
22、MOV R3,#04H AJMP ERRORFALSE5: ACALL BARK MOV R3,#05H AJMP ERRORFALSE6: ACALL BARK MOV R3,#06H AJMP ERRORFALSE7: ACALL BARK MOV R3,#07H AJMP ERRORFALSE8: ACALL BARK MOV R3,#08H AJMP ERROR ;INT0(抢答时间R1调整程序)INT0SUB: MOV A,R1 MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A MOV R4,B MOV R3,#0AH ACALL DISPLAY ;先在两个时间LED上显示R1
23、JNB P3.4,INC0 ;P3.4为+1s键,如按下跳到INCO JNB P3.5,DEC0 ;P3.5为-1s键,如按下跳到DECO JNB P3.1,BACK0 ;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO AJMP INT0SUBINC0: MOV A,R1 CJNE 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为0, R1就置99， DEC
24、 R1 ACALL DELAY1 AJMP INT0SUBSETR1: MOV R1,#63H ACALL DELAY1 AJMP INT0SUBBACK0: RETI ;INT1(回答时间R2调整程序)INT1SUB: MOV A,R2 MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A MOV R4,B MOV R3,#0AH ACALL DISPLAY JNB P3.4,INC1 JNB P3.5,DEC1 JNB P3.1,BACK1 AJMP INT1SUBINC1: MOV A,R2 CJNE A,#63H,ADD1 MOV R2,#00H ACALL DELAY1AJMP IN
25、T1SUBADD1: 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 ;倒计时程序(抢答倒计时和回答倒计时都跳到改程序)COUNT: MOV R0,#00H ;重置定时器中断次数 MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H ;重置定时器RECOUNT: MOV A,R6 ;R6保存了倒计时的时间,之前先将抢答时间或回答时间给R6 MOV B,#0A
26、H DIV AB ;除十分出个位/十位 MOV 30H,A ;十位存于(30H) MOV 31H,B ;个位存于(31H) MOV R5,30H ;取十位 MOV R4,31H ;取个位 MOV A,R6 SUBB A,#07H JNC LARGER ;大于5s跳到LARGER,小于等于5s会提醒 MOV A,R0 CJNE A,#0AH,FULL ;1s中0.5s向下运行 CLR RING AJMP CHECKFULL: CJNE A,#14H,CHECK ;下面是1s的情况,响并显示号数并清R0,重新计 SETB RING MOV A,R6 JZ QUIT ;计时完毕 MOV R0,#00
27、H DEC R6 ;一秒标志减1 AJMP CHECKLARGER: MOV A,R0 CJNE A,#14H,CHECK ;如果1s向下运行,否者跳到查停/显示 DEC R6 ;计时一秒R6自动减1 MOV R0,#00HCHECK: JNB P3.1,QUIT ;如按下停止键退出 ACALL DISPLAY JB OK,ACCOUT ;如果是抢答倒计时,如是则查询抢答,否者跳过查询继续倒数 AJMP RECOUNTACCOUT: MOV A,DATA0 JNB P1.0,TRUE1 JNB P1.1,TRUE2 JNB P1.2,TRUE3 JNB P1.3,TRUE4 JNB P1.4,
28、TRUE5 JNB P1.5,TRUE6 JNB P1.6,TZ3 JNB P1.7,TZ4 AJMP RECOUNT TZ3: JMP TRUE7 TZ4: JMP TRUE8 QUIT: CLR OK ;如果按下了停止键执行的程序 CLR RING AJMP START ;正常抢答处理程序TRUE1: ACALL BARK ;按键发声 MOV A,R2 MOV R6,A ;抢答时间R2送R6 MOV R3,#01H CLR OK ;因为答题的计时不再查询抢答,所以就锁了抢答 AJMP COUNTTRUE2:ACALL BARK; MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#02H
29、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; MO
30、V A,R2 MOV R6,A MOV R3,#07H CLR OK AJMP COUNTTRUE8: ACALL BARK; MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#08H CLR OKAJMP COUNT ;犯规抢答程序ERROR: MOV R0,#00H MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H MOV 34H,R3 ;犯规号数暂存与(34H)HERE: MOV A,R0 CJNE A,#0AH,FLASH ;0.5s向下运行-灭并停响 CLR RING MOV R3,#0AH MOV R4,#0AH MOV R5,#0AH ;三灯全灭 AJMP CHECK1FL
31、ASH: CJNE A,#14H,CHECK1 ;下面是1s的情况,响并显示号数并清R0,重新计 SETB RING MOV R0,#00H MOV R3,34H ;取回号数 MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH ;显示PP和号数 AJMP CHECK1CHECK1: JNB P3.1,QUIT1 ACALL DISPLAY AJMP HEREQUIT1: CLR RING CLR OKAJMP START ;显示程序DISPLAY:MOV DPTR,#DAT1 ;查表显示程序,利用P0口做段选码口输出/P2低三位做 MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0f
32、eH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RETDAT1:DB 00h,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,73H DAT2:DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,73HDELAY1: MOV 35H,#08HLOOP0: ACALL
33、DISPLAY DJNZ 35H,LOOP0 RET ;延时(显示和去抖动用到)DELAY: MOV 32H,#12HLOOP: MOV 33H,#0AFHLOOP1: DJNZ 33H,LOOP1 DJNZ 32H,LOOPRET ;发声程序BARK: SETB RING ACALL DELAY1 ACALL DELAY1 CLR RING ;按键发声RET ;TO溢出中断(响铃程序)T0INT: MOV TH0,#0ECH MOV TL0,#0FFH JNB RING,OUT; CPL P3.6 ;RING标志位为1时候P3.6口不断取反使喇叭发出一定频率的声音OUT: RETI ;T1溢
34、出中断(计时程序)T1INT: MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H INC R0RETI ;INTT0中断服务程序INTT0:MOV DATA0,P1CLR EX0RETI END五、仿真调试试验的程序通过Keil软件编译，产生HEX文件如图4-1所示:程序在Keil软件上编译结果 通过Proteus进行仿真，如仿真结果所示，按下开始后，数码管开始倒计时，仿真结果如图4-2所示。Proteus仿真的结果当有选手按下按扭时，数码管显示选手号码并开始倒计时，如图4-3所示 Proteus仿真的结果通过仿真结果证实，该方案可行。该设计方案同过51系列单片机的P0口作为段选输出，用P2口作为位选输出，动态扫描LED显示管，显示时间。并通过接在P3.0-P3.6口的按键开关控制开始、结束、喇叭提示等功能。P1口接选手按键，控制抢答。本设计实现简单，成本较低很适合我们大学生动手实践。6 源程序 OK EQU 20H