基于单片机的智能抢答器的.doc

本科生毕业设计（论文、创作）

题　　目　　基于单片机的数字式　　
　　　　　　　　　　竞赛抢答器的设计　　　
姓　　名　　　　耿　艳　磊　　　　
学　　号　　　　201010730203　　　
院 　系　　　　物　理　系　　　　
专　　业　　　　物　理　学　　　　
指导教师　 王 新 智　　　　

2014 年 06 月
教务处制
本科生毕业设计（论文、创作）声明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或没有公开发表的作品内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本设计创作声明的法律责任由本人承担。

作者签名：

年 月 日

本人声明：该毕业设计是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过毕业设计的全部内容，保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性，并通过一定检测手段保证毕业设计未发现违背学术道德诚信的不端行为。

指导教师签名：

年 月 日

目 录
内容摘要 3
关 键 词 1
Abstract 1
Keywords 1
1. 序论 2
1.1 单片机的发展历史及其应用 2
1.2 单片机抢答器的背景及意义 2
1.3 本设计的方案 2
1.4 本设计中抢答器的主要功能 3
2. 硬件电路设计 4
2.1 AT89C51单片机 4
2.2 键盘电路 6
2.3 显示驱动电路 8
2.4 蜂鸣报警器电路 9
2.5 电源电路 10
3. 软件部分 11
3.1 单片机内部信号分析 11
3.2 主要程序流程 11
4. 软件仿真与硬件调试 13
4.1 软件仿真 13
4.2 硬件调试 14
5. 结论 14
参考文献 16
致谢 17
附录1 整机电路 18
附录2 源程序 19

内容摘要：随着抢答竞赛节目的涌现，抢答器也形形色色，但是基于单片机的数字式抢答器因为其诸多优点而越来越被人们重视。本设计就是利用单片机为核心部件的，主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括单片机、驱动器、显示屏、报警器以及操作按键，这些共同构成了抢答器的身体；软件部分给予了抢答器生命，这要归功于汇编语言，本设计使用了单片机汇编语言和C语言。本设计可以显示抢答、犯规选手号和抢答、答题倒计时，可以犯规报警，还可以锁存选手号码。电路简单、功能齐全是本设计的特色，单片机价格低且能对竞赛过程进行精准控制，综合来说本设计性价比较高。
关 键 词：单片机 抢答器 报警器
Abstract：With the emergence of competition program Responder, Responder also diverse, but the microcontroller-based digital answering device because of its many advantages and has been growing attention. This design is the use of the microcontroller core components, mainly by hardware components and software components. The hardware includes a microcontroller, drives, displays, alarms and keys, which together constitute the Responder body; software is a compilation of some of the major languages, including microcontroller assembly language and C language, assembly language is both soul Responder make fresh technology. The design of the LED display can show answer, and the answer fouls player number, answer the countdown; alarm alarm can answer fouls and timeouts alarm latch also has an automatic latch, set, clear function. Circuit is simple, functional design is characteristic of the low price and can Microcontroller precise control of the contest process, to sum up the higher cost of the design.
Keywords：SCM Responder alarm

1. 序论
1.1 单片机的发展历史及其应用
单片机的发展分为以“48系列单片机的推出”为标志的单片机形成阶段、以“51系列单片机的推出”为标志的结构成熟阶段和以“AT89C51单片机的推出”为标志的性能提高阶段。
单片机的应用领域非常之广，究其原因不外乎三个方面：第一，由于单片机价格低，适合于大批量低成本的产品设计且单片机的品种和型号多；第二，因为单片机的引脚少、体积小、从而电路板减小，使产品小巧精致；第三，在种类繁多的电子类产品中，单片机的性价比之高令人震惊。
应用单片机的领域很多，例如智能仪器仪表等。利用单片机可以提高精准度和功率且方便他们的产品更新；打印机等机电一体化产品应用单片机更是广泛；像温度指控、自动生产线等产品中采集控制电流、电压、温度等物理量的参数也广泛的应用了单片机及其技术，能大量的提高生产速度和效率[ [] 李全利. 单片机原理及接口技术[M]. 北京：高等教育出版社，2009：2-7.
]。
1.2 单片机抢答器的背景及意义
1971年1月，由Intel公司的特德·霍夫于日本商业通信公司合作研制的台式计算机中，首次使用了集成电路芯片，其中将经典结构中的运算器和控制器压缩在了一个芯片中，这就是所谓的“微处理器”。微处理器、存储器和I/O接口电路构成微型计算机。
本设计中所应用的单片机正是微型计算机的一种，它是将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一片电路芯片中，它具有体积小、价格低、可靠性高和易于嵌入式应用等特点，可以使产品升级换代，易于维修。在本设计中，同样应用到了单片机，设计的抢答器具有一定的特色。
而在抢答竞赛中的抢答环节上，如果靠基本的电源、开关、导线、闹铃组成的串并联电路或者靠人体感知器官不容易说得清哪一组或哪一位选手获得抢答权，不能使比赛达到公平、公正、公开，利用单片机程序设计抢答器可以迅速的判断出获得抢答权的选手以及实现其他的一些功能，这在后文中会重点介绍。
1.3 本设计的方案
本设计采用了80C51系列中的AT89C51单片机作为整个抢答器的灵魂，就像人类的大脑一样。这样利用了将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一片电路芯片中的单片机，能使电路结构精简[1]。这样整个抢答器就包括单片机、LED驱动器、LED显示屏、蜂鸣报警器以及操作按键，其中操作按键包括主持人控制键盘和选手抢答键盘。本设计的工作原理是“输入信号----信号分析----信号输出”，输入信号是通过主持人操作键钮（“开始”键、“停止”键、“复位”键）和选手操作按钮（抢答键）操控，单片机通过汇编语言来分析信号，通过LED显示屏、蜂鸣报警器来输出信号。设计方案如1.3图所示。
键盘输出电路
LED显示屏
A T 8 9 C 5 1
单 片 机
时钟电路
LED显示器驱动电路
复位电路
蜂鸣（报警）电路
电源电路
图1.3 单片机抢答器设计方案简图

1.4 本设计中抢答器的主要功能
本设计可以实现选手抢答功能，供八名选手使用。在抢答的基础上，还可以显示获得抢答权的选手号以及违规的选手号以及抢答、答题剩余时间，所谓“违规”就是违反抢答规定，本轮抢答或答题开始，主持人会按动“复位”、“开始”按钮，并宣布开始抢答，此时八位选手才能按动“抢答”按钮，如果提前按动，则视为违规。开始因为本设计具有时钟电路，所以还可以对抢答过程和答题过程进行时间限制。当到达时间后，会通过报警电路报警，同样，当选手具有违规操作时，报警电路会发声报警。抢答器还有一个重要的功能就是“锁存”，是通过单片机中锁存器来完成的，所谓“锁存”指当有选手抢答成功后，系统会自动将这名选手号锁住，其他选手在按动抢答按钮则不被系统识别，即使相差几微妙也能区分开来，这样就实现了抢答的公正性和精准性。
2. 硬件电路设计
2.1 AT89C51单片机
本设计使用AT89C51。通过图2.1所示的单片机引脚图我们可以看出：AT89C51单片机引脚相对较多，总共有40个,分别有双向I/O端口、外中断口、可编程定时计数器、全双工串行通信口。因为AT89C51单片机内含有可擦写的Flash存储器，所以在进行软件编程上，可以采用在线编程，也适用于常规编程[1]。

2.1.1 单片机时钟电路
AT89C51单片机内有高增益反相放大器，其频率范围为1.2MHz~12MHz，输入引脚和出入引脚分别为为XTAL1（引脚号19）和XTAL2（引脚号18）。引脚XTAL1接地；XTAL2接外部振荡源。
本设计时钟采用内部方式产生，电路如图2.1.1所示。XTAL1和XTAL2接由C1、C2、石英晶体（晶振）并联成的谐振，这样连接会使电路自动激发震荡。C1和C2可以微调频率。

2.1.2 单片机复位电路
复位，顾名思义，恢复到初始位置、初始状态并从初状态工作。
AT89C51复位结构如图2.1.2（a）所示， 在复位的外部电路中，在振荡器正在运行的情况下，要想实现复位功能，必须靠在RST/VPD引脚（引脚号9）加连续2个周期即24个振荡周期的高电平。内部复位是在RST引脚出现高电平后的第二个周期执行，复位开始以后每过一个周期都有一次复位，直至RST端随着电容充电电流的减少， RST的电位逐渐下降最终变低电平[[] 朱永金，成友才．单片机应用技术[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2007：153-167.
]。

复位分为两种方式：第一种方式是上电自动复位如图2.1.2（b）所示，但是这种复位方式因为不能低抗干扰容易出现故障；第二种复位方式是人工按键复位方式，要想采取后者复位方式，则只需要在复位电路中并联一个按钮，按一下按钮，RST引脚出现高电平，则实现一次复位，安全可靠。本设计复位电路采取的是人工按键复位方式，如图2.1.2（c）所示

2.2 键盘电路
在现代高科技迅速发展，各类电子产品普及的时代，“键盘”发挥了重要的作用，例如手机上、电脑上、各类机器机床上均安装有键盘，虽然随着科技的更新，有些产品将键盘更新成触摸屏，但是键盘仍然起到了不可或缺的重要作用。本设计上就采用了键盘来实现某些功能。
2.2.1选手抢答电路
本设计是为8名选手或者8个参赛队设计的数字抢答器，所以选手要想实现抢答目的，就通过按自己座位上的抢答按钮（即选手抢答键盘）来实现。
8名选手或参赛队的抢答键盘（分别为S0~S8）各自独立互不影响，每个键盘都独立接入输入/输出（I/O）端口（如图2.2.1所示），这样各输入/输出（I/O）端口将不会彼此影响。这样，当有某名选手或参赛队按动抢答按键时，输入/输出（I/O）端口的电平就会发生变化，所以检测输入/输出（I/O）端口的电平状态我们就能发现最先按动抢答按键的选手了。

2.2.2主持人控制电路
本设计中的许多功能是由主持人控制的，例如主持人宣布抢答开始以及答题开始后，由主持人按动“开始”按键、答题时间或抢答时间到达后的“停止” 按键以及对答题时间或抢答时间的调整、答题结束后主持人按动“复位”按键都是有主持人控制的，这就需要有“主持人控制电路（如图2.2.2所示）”来帮助主持人实现以上功能。

2.3 显示驱动电路
在“1.4 本设计中抢答器的主要功能”中已经讲到抢答器的相关功能，提到了LED显示屏可以显示获得抢答权的选手号以及违规的选手号以及抢答、答题剩余时间，这个显示功能需要显示及驱动才能实现。三个由“八根二极管”组成的“八段数码显示管”组成了“LED显示屏” ，“八段数码显示管”分别编号a - h。显示屏的电路连接有两种方法：一是将各LED阳极接显示管上引脚a - h，将所有阴极连起来，此种接法叫做“共阴极链接”（如图2.3.1所示）； 二是将各LED阴极接显示管上引脚a~h，将所有阳极连起来，此种接法叫做“共阳极链接” （如图2.3.2所示）。

我们知道，在各引脚加上不同的电压a - h八段管会显示不同的字形，例如在a引脚处加上+5V电压，八段管会显示“—”字，若各引脚都加+5V电压，八段管会显示“”字。在单片机中一般用“1”表示+5V，用“0”表示0V。因此，将几只数码管的a - h分别连在一起与单片机段码控制端P0口连在一起，由AT89C51的P0通过锁存器与反相放大器来完成在八个引脚送0或1的任务，就可以形成不同的数字。（如图2.3.3所示）。

2.4 蜂鸣报警器电路
报警器电路大致包括两种：一种是由振荡器、电磁铁、振动膜片构成的电磁式蜂鸣器，其中振荡器的作用是产生的音频信号电流，当有电流流过时，电磁铁中的电磁线圈会有音频信号电流通过并产生磁场，因为电磁铁会使振动膜片振动，从而振动膜片会发声，并且发出的蜂鸣声具有周期性；另一种就是本设计采用的报警电路——压电式蜂鸣器，由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等够成[[] 刘博. 淋浴收费控制器设计[J]. 电脑知识与技术：学术交流，2009，5(3)：1619-1621.
]。本设计采用压电式蜂鸣器，利用P3.6-----输入输出（I/O）口向扬声器送高电平来控制扬声器发声（如图2.4所示）。

2.5 电源电路
考虑到本设计中采用的AT80C51单片机所需要的工作电压很小，一般情况下电压在+4.5V到+6V（直流电）范围内就可以正常工作，所以有两种方式可以为本设计提供电压。
一种就是采用三节干电池串联起来为其供电，我们知道，一节干电池的电压大约为1.5V，这样三节串联起来后就是4.5V。
第二种方式就是采用市电220V电源，但是因为AT80C51单片机需要的电压范围在+4.5V到+6V之间，而且需要的是直流电，所以我们要想办法把市电转变成我们所需要的规格。这就需要将市电整流、滤波、稳压三个过程，经过这三个过程后输出稳定的+5V的直流电为单片机供电（如图2.5所示）。稳压器采用可以将220V电压稳定在+5V左右的CW7805。电路中，若读写器的电源接通发光二极管亮，若读写器的电源接没有接通发光二极管不亮。

3. 软件部分
3.1 单片机内部信号分析
单片机分析的信号是主持人指令或者抢答选手的抢答指令。当抢答过程需要复位、开始时，或者主持人调节抢答时间或调节允许的答题时间（如果实际需要的抢答时间和允许的答题时间符合本设计的默认值，则不再需要调整相应时间）时，主持人按动“复位” 、“开始” 、调节时间按钮以给出指令，单片机会对主持人下发的指令进行分析扫描并执行。这时如果在抢答过程或答题过程中，因为某些原因主持人需要抢答器停止计时，则按动“停止” 按钮，计时停止，同时抢答器自动准备就绪，准备开始或下一轮的抢答开始。如果主持人还没有宣布抢答开始，有选手按动抢答按钮时，蜂鸣报警器会发出报警声音，并且将犯规的选手号显示在LED显示屏上[[] 林春方．电子线路学习指导与实训[M]．北京：电子工业出版社，2004：135-137.
]。在整个环节中，蜂鸣报警器还会对抢答、答题的时间发出报警提示，通知主持人和选手“时间到”。若规定的时间内没有选手参与抢答，则蜂鸣报警器会自动发出声音，抢答器自动进入初始状态。抢答器还有一个重要的功能就是“锁存”，所谓“锁存”指当有选手抢答成功后，系统会自动将这名选手号锁住，其他选手在按动抢答按钮则不被系统识别。
3.2 主要程序流程
3.2.1系统主程序流程
抢答器中枢单片机系统会由系统主程序控制，并按本设计的操作运行，它体现了抢答器工作的流程，抢答器工作后，形同会进入电路初始化。初始化程序会单片机中寄存器进行设定，如图3.2.1所示。

3.2.2 中断程序流程
中断程序是指当CPU对信号进行分析的时候，主持人给出指令要求CPU去分析其他信号，这是CPU暂时中止正在分析的信号，而转去分析主持人多给的其他信号，当完成其他信号的分析并完成输出后，CPU再返回到原来的信号分析（中断流程如图3.2.2（a）所示）。

本设计中，需要的“中断程序”是在主持人的“时间调节操作”。主持人在有需要的情况下通过按“主持人控制键盘”上的“抢答时间调节”键或“答题时间调节”键进入中断流程，按键的这一刻称为“中断点”，主程序中断进入时间调节状态，此时可以按动“加1”键或者“减1”键进行时间加减调整，此时“时间LED”上显示的时间为调节后的新时间。具体中断时间流程如图3.2.2（b）所示。

4. 软件仿真与硬件调试
4.1 软件仿真
打开软件keil uVision2，鼠标左键单击主菜单project，选择new project，弹出“Create new project”对话框，用鼠标选择文件夹保存[[] 鲁杰爽. 单片机Keil软件仿真与调试技巧[J]. 电子制作，2010，12(8)：50-52.

]。在弹出的窗口中选择AT89C51。然后建立源文件夹，在弹出的“编辑工作模式”窗口中输入源程序。将源程序加入工程。。
4.2 硬件调试
硬件调试需要硬件调试软件，在这里我们采用Proteus　ISIS软件，在电路图画在原理图编辑区内并设置正确参数，导入hex文件，最后按照本设计的预想方案进行硬件调试。经过调试，在本设计1.4和3.1中提到的各种功能均能实现。
5. 结论
连续将近三个月的时间设计这个“基于单片机的数字式抢答器”在心情无比激动的此时此刻终于画上了一个句号，耗费了我无数的心血，经历了辛酸苦辣。在论文开题时就想过小结应该如何去写，但现在设计完成了，却无从下笔。
现在我从以下几个方面来对我的设计进行一下总结：
首先，是心态方面，通过这次毕业设计，让我知道要想成功的完成一件事，心态是何等的重要。大学课程中开设了《单片机原理与接口技术》一门课程，虽然对单片机很感兴趣，但由于刚刚接触，所以在课程学习过程中还是一知半解。但在论文拟题过程中，我还是选择了这个有关单片机应用的抢答器设计，我认为只要自己认认真真的请教指导老师、查阅资料、认真构造，熟悉相关知识，就一定会出色的完成这个设计。开始要想在这个设计中应该重点注意什么，应该想好自己的设计较其他类型的抢答器有什么优点，并怎样将这些优点设计在自己的抢答器中。在设计的前几个星期内，也经常去找指导老师询问相关问题，例如对单片机的各个接口的作用进行了详细的讲解，是我更加的熟悉了如何去设计相关的电路，比如如何去设计电源电路、复位电路等等。同时去图书室、互联网上去查阅相关资料，特别是最新的有关单片机的资料，并不断积累，凡是与设计有关的，凡是自己没有想到的，凡是有助于自己完成设计的资料都被我积累下来，到现在为止，这些资料大部分都被用到了。这些无不显示有良好的、正确心态去支持自己。
然后就是设计撰写过程，在这个过程中最让我记忆犹新的是有关图形的刻画，有时一上午或者一下午就让一个图形难住。单片机接口与其他硬部件的链接让人眼花缭乱，特别是LED显示屏中的数码管与接口的连线问题，每一个LED显示屏都是由八断数码管组成，每个数码管又有一个阴极一个阳极，连接起来有一种作呕的感觉。但是不得不说，人类的思维就是跳跃性的，虽然麻烦，但还是想快速的、一丝不苟的去完成，也许人类更热衷的是体会经过千辛万苦后那份成功的喜悦和模仿不到的成就感。
最后就是软件的仿真与硬件的调试问题，本系里有“嵌入式单片机实验室”，当时学习单片机课程的时候就是在这里做的实验。所以在软件仿真、硬件调试上条件是允许的，总的来说还是很方便的。唯一一个感觉到麻烦的就是源程序的编写，这是不允许一点错误出现的。但经过认真的输入，编写源程序还是顺利地完成了。在最后这个仿真与调试上，效果很明显、结论很完美。

参考文献

16

致 谢
这个毕业设计在王新智老师的指导下终于完成了。完成过程中，最功不可没的要数我的指导老师了，在这里，衷心的感谢王老师对本设计细心的指导以及提出的宝贵意见。在细心指导之余，王老师还给了我们拓展视野的机会，让我感受到了科学技术的美妙和乐趣，培养了我积极的人生态度。借此机会向王老师及对本设计提出宝贵意见以及帮助我的其他老师和同学表示感谢，感谢他们的付出和奉献。
最后感谢在百忙之中抽出时间来审阅、点评本设计的老师们，感谢百忙之中参见毕业设计（论文）答辩的老师们。

附录1 整机电路

附录2 源程序

目录

第一章 总论 5
1.1项目说明 5
1.2项目概况 5
1.2.1项目建设区环境条件 5
1.2.2社会经济条件 6
1.3项目的由来及必要性 7
1.4编制依据 9
第二章 市场分析与预测 10
2.2项目市场SWOT分析 12
2.2.1优势 12
2.2.2劣势 12
2.2.3机会 13
2.2.4威胁 13
2.2.5由SWOT分析提出的行动点 13
2.3市场研究 14
2.4主要目标市场 15
第三章 建设条件 16
3.1气象 16
3.2配套条件 16
第四章 建设方案 18
4.1建设原则 18
4.2总体布置 18
4.3建设规模 18
4.4项目实施规划 18
4.5工程设计 19
4.6建设工期 22
第五章 公用工程及环境保护 23
5.1公用工程 23
5.2环境保护 24
第六章 劳动安全保护 26
第七章 项目管理和组织定员 27
7.1项目管理 27
7.2组织设置原则 27
7.3组织机构设置与管理 27
第八章 投资估算与资金筹措 30
8.1投资估算 30
第九章 效益评估 32
9.1盈利能力评估 32
9.2自然生态效益评估 32
9.3刺激当地经济效益评估 32
第十章 结 语 34

25