基于AT89C51的八路搶答器

搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低。作為一個單位，如果專門購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟(jì)上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展，因此設(shè)計了本搶答器。

本設(shè)計是以八路搶答為基本理念�？紤]到依需設(shè)定限時回答的功能，利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。用開關(guān)做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。同時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可在1-99s設(shè)定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，滿時后系統(tǒng)計時自動復(fù)位及主控強制復(fù)位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法

目錄

• 緒 論
  

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。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(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。

本課題利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間和選手號碼。用開關(guān)做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。系統(tǒng)達(dá)到要求：在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可是在1-99s設(shè)定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復(fù)位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法[1]。

通過這次設(shè)計，掌握51單片機的原理，了解簡單多功能搶答器組成原理，初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法，提高動手能力和排除故障的能力。同時通過本課題設(shè)計與裝配、調(diào)試，提高自己的動手能力，鞏固已學(xué)的理論知識，建立單片機理論和實踐的結(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。初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法。提高動手能力和排除故障的能力。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應(yīng)用，各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結(jié)束、復(fù)位鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設(shè)置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為20s，回答問題時間為30s。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結(jié)束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，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。

通過研究并在設(shè)計驗證后發(fā)現(xiàn)，采用單片機技術(shù)設(shè)計的搶答器與目前常用的搶答器相比，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)計在單片機內(nèi)部，第二，工作性能可靠，抗干擾能力優(yōu)于目前搶答器。所以本研究是一個實用的工程設(shè)計，具有創(chuàng)新性。

本論文章節(jié)的結(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，說明了本課題研究的內(nèi)容。

第二章：搶答器系統(tǒng)概述。說明了搶答器的工作過程和主要功能，并定下了本課題要達(dá)到的設(shè)計目標(biāo)。

第三章：搶答器的硬件電路的設(shè)計。詳細(xì)描述了本課題各個組成電路單元的設(shè)計。

第四章：搶答器的軟件設(shè)計，并編程序。

第五章：Proteus仿真，仿真出結(jié)果。

第六章：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。

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。為適應(yīng)高校等多代表隊單位活動的需要而設(shè)計一個多功能搶答器，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。在國內(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應(yīng)用[2]。

隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識的手段多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟(jì)上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。

而且目前多數(shù)搶答器存在3個不足之處[3]：第一，現(xiàn)場線路連接復(fù)雜。因為每個選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。第二，電路復(fù)雜。因為單片機只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用單片機掃描技術(shù)識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大。第三，選手搶按成功，但出現(xiàn)沒有搶答被記錄的問題。

• 搶答器的系統(tǒng)概述
  

本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設(shè)計的八路搶答器，包括8路搶答按紐、計時顯示、提示功能等（根據(jù)需要可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能）、開始與結(jié)束控制按鈕、時限設(shè)定、各種相關(guān)顯示調(diào)控功能等（根據(jù)需要也可另設(shè)或多設(shè)相關(guān)功能）。

參賽者系統(tǒng)，除享有搶答按紐的權(quán)利功能外，還有人性化的提示功能和時間提示功能，也可設(shè)定由主控控制在參賽者終端表現(xiàn)的趣味性功能等；主控系統(tǒng)的控制按鈕做開始與結(jié)束控制，根據(jù)活動參賽者的層次，對提前掄答者的行為設(shè)定為非法或阻隔，若設(shè)有非法搶答控制功能時，在主控處帶有公示性顯示的非法掄答者的臺位號，對搶答限時及回答問題限時設(shè)為倒計時，并有顯示提示。

系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要功能模塊

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計的八路搶答器，在搶答比賽中廣泛應(yīng)用，各組分別有一個搶答按鈕。一共有8個按鍵輸入，分別對應(yīng)8路選手的搶答按鍵。

主持人有開始和結(jié)束鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問題的時間設(shè)置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為20s，回答問題時間為30s。通過加鍵和減鍵修改上述時間，改完后結(jié)束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效，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。

單片機是整個搶答器的核心，內(nèi)部電路設(shè)計用匯編語言編寫。它完成了時間參數(shù)的設(shè)定，搶按號碼的譯碼，保存；顯示；輸出，搶按及答題倒計時功能等。

本設(shè)計中，有一個共陰的數(shù)碼管組，四個數(shù)碼管。其中兩個顯示時間，一個空位，一個顯示搶答號碼。主持人依次按下復(fù)位鍵（RESET），開始鍵后開始搶答�？梢該尠矗撼瑫r數(shù)碼管顯示“FFF”，當(dāng)搶按超過規(guī)定時間或答題超過規(guī)定時間后數(shù)碼管顯示“FFF”。若有選手在規(guī)定時間內(nèi)搶按成功，則可以答題，數(shù)碼管顯示搶答時間的同時也顯示選手號碼。若在按開始鍵前搶答表示違規(guī)，數(shù)碼管顯示“FF”并顯示選手號碼。

1、在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效。

2、搶答限定時間和回答問題的時間可以在1～99s設(shè)定。

3、可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示。

4、搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復(fù)位。

5、搶答限定時間內(nèi)使用錦囊回答時間將加到60s。

6、按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。

搶答器的基本工作原理[4]：在搶答競賽或呼叫時，有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器內(nèi)部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內(nèi)部的定時器開始工作，記錄有關(guān)時間并產(chǎn)生超時信號。在整個搶答器工作過程中，顯示電路、聲音電路等還要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向外電路輸出相應(yīng)信號。搶答器的工作流程分為：系統(tǒng)復(fù)位、正常流程、違例流程等幾部分，如圖2所示，下面分別予以介紹。

圖2 搶答器工作流程

1、如果想調(diào)節(jié)搶答時間或答題時間，按“加一”鍵或“減一”鍵進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時會顯示現(xiàn)在設(shè)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“減1s”鍵，時間LED上會顯示改變后的時間，調(diào)整范圍為0~99s， 0s時再減1s會跳到99，99s時再加1s會變到0s。

2、主持人按"搶答開始"鍵，會有提示音，并立刻進(jìn)入搶答倒計時（預(yù)設(shè)20s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(jìn)入回答倒計時（預(yù)設(shè)30s搶答時間），不進(jìn)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。

3、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(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待主持人按“搶答開始”進(jìn)入下次搶答計時。

4、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。

總而言之，本課題利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)設(shè)計了搶答器，該搶答器增加了新功能、提高了系統(tǒng)的可靠性、簡化了電路結(jié)構(gòu)、節(jié)約了成本，是一個實用的工程設(shè)計。

微控制器選用ATMAL公司生產(chǎn)的AT89C51，該芯片貨源充足，并且價格也比較便宜。如表1所示。

表1 器件選型方案的詳細(xì)清單

圖3  AT89C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)增加了一個通用寄存器B和一些專用寄存器，還增加了位處理邏輯電路的功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

AT89C51的主要性能包括：AT89C51與MCS—51控制器系列產(chǎn)品兼容，片內(nèi)有4K可在線重復(fù)編程閃速電擦除存儲器（Flash  Memory），存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次；存儲器數(shù)據(jù)保存時間可達(dá)10年；工作電壓范圍寬：Vcc可由2.7V到6V；全靜態(tài)工作可由0Hz到16MHz；程序存儲器具有3級鎖存保護(hù)；128*8位內(nèi)部RAM；32條可編程I/O線；兩個16位定時器/計數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)具有5個中斷源和2個中斷優(yōu)先級；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。

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。利用單片機系統(tǒng)來設(shè)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。本文主要介紹了單片機搶答器設(shè)計及工作原理，以及它的實際用途。系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為核心�？刂葡到y(tǒng)的四個模塊分別為：存儲模塊、顯示模塊、聲音模塊、搶答開關(guān)模塊。該搶答器系統(tǒng)通過八個個按鍵輸入搶答信號；利用存儲程序來完成軟件的設(shè)計；利用一個4位七段共陰數(shù)碼管來完成顯示功能。工作時，用按鍵通過開關(guān)電路輸入各路的搶答信號，經(jīng)單片機的處理，輸出控制信號，控制4位七段共陰數(shù)碼管和喇叭工作。在數(shù)碼管上顯示哪一組先答題，從而實現(xiàn)整個搶答過程。

本章主要講述了搶答器的工作原理和本設(shè)計系統(tǒng)的工作流程。在說明工作原理的過程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實現(xiàn)搶答功能；在說明系統(tǒng)的流程時，結(jié)合本設(shè)計的內(nèi)容，指出了參數(shù)設(shè)置的方法和意義。搶答正常流程與違例流程的實現(xiàn)，以及如何進(jìn)行搶答控制。同時也說明了搶答器的優(yōu)點和AT89C51的功能及簡介。

• 系統(tǒng)總體方案的設(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[7]：

(1) 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強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，本設(shè)計采用AT89C51單片機。

(4)  RAM空間，AT89C51內(nèi)部RAM不多，當(dāng)要增強軟件數(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：在樣機研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場試用時，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。

圖4 系統(tǒng)原理圖

圖中U1為單片機AT89C51，U2為芯片74HC30，U3為芯片74LS04。K1~K8分別為8路搶答按鍵，分別接到單片機的P1.0~P1.7中。開始按鍵與結(jié)束按鍵分別接到單片機的10、11腳，由于單片機的10、11腳既有串行接口RXD、TXD功能，又有P3.0、P3.1的IO端口功能，此處按鍵用到單片機10、11腳的IO端口功能。搶答時間調(diào)整按鍵和回答時間調(diào)整按鍵分別接到單片機的13、14管腳，加一按鍵和減一按鍵分別接到單片機的15、16管腳。4位七段數(shù)碼管段選P0口。4位七段數(shù)碼管的位選接P2口低3位，蜂鳴器輸出為P3.7口[8]。

單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。時鐘電路如圖5所示。

圖5 外部振蕩源電路

一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。C1，C2的典型值為20PF。

單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。圖中時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12µs。

單片機的第9腳RST為硬件復(fù)位端，只要將該端持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖6所示：

圖6 復(fù)位電路

圖6中由按鍵RESET1以及電解電容C3、電阻R2構(gòu)成按鍵及上電復(fù)位電路。由于單片機是高電平復(fù)位，所以當(dāng)按鍵RESET1按下時候，單片機的9腳RESET管腳處于高電平，此時單片機處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)上電后，由于電容的緩慢充電，單片機的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時間后，單片機的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機上電復(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行。

值得注意的是，在設(shè)計當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能，由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復(fù)到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能，該功能的實現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機進(jìn)行硬件復(fù)位，所以設(shè)定了軟復(fù)位功能。軟復(fù)位實際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。

顯示功能與硬件關(guān)系極大，當(dāng)硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。

在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設(shè)計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法。

通過查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來，其中P0口為字型碼輸入端，P2口低3位為字選段輸入端。在這里我們通過查表將字型碼送給7段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，數(shù)碼管顯示原理如下：

        MOV A,R3

        MOVC A,@A+DPTR

        MOV P2,#0feH

        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

        RET

4位七段數(shù)碼管顯示電路如圖7所示。

圖7 共陰極數(shù)碼管

圖7中數(shù)碼管采用的是4位七段共陰數(shù)碼管，其中A~H段分別接到單片機的P0口，由單片機輸出的P0口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼COM1、COM3、COM4分別接到單片機的P2.0、P2.1、P2.2，由單片機來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個1K的電阻，連接在P0口上，用作P0口的上拉電阻，保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出時候處于高電平狀態(tài)。

鍵盤是人與單片機打交道的主要設(shè)備。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計方法也可以在文獻(xiàn)和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應(yīng)的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當(dāng)前時刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。

它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時重復(fù)掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個時間,所以當(dāng)單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間(這里我們?nèi)?0ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效。

在本文設(shè)計中采用了獨立鍵盤的方式，本設(shè)計中有8個搶答按鍵輸入，一個開始按鍵、一個結(jié)束按鍵，此外還有搶答時間調(diào)整鍵、回答時間調(diào)整鍵，加一按鍵、減一按鍵各一個。如圖8所示。

圖8 搶答按鍵及調(diào)整按鍵

在圖8中8個搶答按鍵分別接入單片機的P1.0~P1.7端口，單片機通過讀取P1.0~P1.7的值來判斷當(dāng)前輸入的是8個搶答按鍵中的哪一個。搶答時間調(diào)整和回答時間調(diào)整接到單片機的P3.3和P3.4接口，加一及減一按鍵接到單片機的P3.5和P3.6接口。

圖9 開始、結(jié)束按鍵

在圖9中，開始及結(jié)束按鍵接到單片機的10、11腳，這里用到了單片機10、11腳復(fù)合功能中的IO端口功能，單片機通過讀取10、11腳的P3.0、P3.1的IO端口值來判斷當(dāng)前是否處于搶答開始狀態(tài)或搶答結(jié)束狀態(tài)。

按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會引起按鍵命令的錯誤執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行�，F(xiàn)在一般均用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于5ms，例如取10-20ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。

K1～K8八個按鍵的輸入電平靠74HC30輸入與非門和74LS04反向器組成的電路改變輸入電平。圖10中電路就是由一個74HC30輸入與非門和74LS04反向器組成的去抖電路。

圖10 去抖電路

我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調(diào)，使喇叭發(fā)出不同的聲音。

本文設(shè)計如圖11所示。圖中單片機的14腳輸出具有復(fù)合功能，此處用到了單片機17腳的IO端口功能，單片機通過內(nèi)部定時器的操作實現(xiàn)交替變換的波形輸出驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。

圖11 發(fā)聲電路

使CPU進(jìn)入初始狀態(tài)，從0000H地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復(fù)位。從實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位的方法來看，系統(tǒng)復(fù)位可分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。硬件復(fù)位必須通過CPU外部的硬件電路給CPU的RESET端加上足夠時間的高電位才能實現(xiàn)。上電復(fù)位，人工按鈕復(fù)位和硬件看門狗復(fù)位均為硬件復(fù)位。硬件復(fù)位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。但是，硬件復(fù)位還能自動清除中斷激活標(biāo)志，使中斷系統(tǒng)能夠正常工作，這樣一個事實卻容易為不少編碼人員所忽視。軟件復(fù)位就是用一系列指令來模擬硬件復(fù)位功能，最后通過轉(zhuǎn)移指令使程序從0000H地址開始執(zhí)行。對各專用寄存器的復(fù)位操作是容易的，也沒有必要完全模擬，可根據(jù)實際需要去主程序初始化過程中完成。而對中斷激活標(biāo)志的清除工作常被遺忘，因為它沒有明確的位地址可供編程。有的編程人員用020000（LJMP0000H）作為軟件陷阱，認(rèn)為直接轉(zhuǎn)向0000H地址就完成了軟件復(fù)位，就是這類錯誤的典型代表。軟件復(fù)位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進(jìn)行的工作，這時程序出錯完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標(biāo)志已置位，它將阻止同級中斷響應(yīng)。由于軟件看門是高級中斷，它將阻止說要中斷響應(yīng)，由此可見清除中斷激活標(biāo)志的重要性。

在所有的指令中，只有RETI指令能夠清除中斷激活標(biāo)志。出錯處理程序ERR主要完成這一功能，其他的善后工作交由復(fù)位后的系統(tǒng)去完成。

程序一般先關(guān)中斷，以便后續(xù)處理能順利進(jìn)行，然后用兩個RETI指令代替兩個LJMP指令，從而清除了兩級中斷激活標(biāo)志。有相應(yīng)軟件陷阱捕捉來的程序可能沒有全部激活兩個標(biāo)志，這也無妨。

有復(fù)位時系統(tǒng)的歷史狀況，可將復(fù)位分為“冷啟動”和“熱啟動”。 “冷啟動”時，系統(tǒng)的狀態(tài)全部無效，進(jìn)行徹底的初始化操作；而“熱啟動”時，對系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行修復(fù)和有選擇的初始化。系統(tǒng)初次上電投入運行時，必須是“冷啟動”，以后由抗干擾措施引起的復(fù)位操作一般均為“熱啟動”初次上電投入運行時，必須是“冷啟動”，以后由抗干擾措施引起的復(fù)位操作一般均為“熱啟動”。為了使系統(tǒng)能正確決定采用何種啟動方式，常用上電標(biāo)志來區(qū)分，如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)復(fù)位策略圖

本章詳細(xì)講述了以AT89C51為核心元件的搶答器的硬件電路具體設(shè)計過程，分析了具體電路。在設(shè)計過程中，實現(xiàn)搶答功能的是通過編寫程序的方法集成在AT89C51內(nèi)部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的時鐘電路，復(fù)位電路等，制作出符合設(shè)計要求的搶答器。

• 軟件設(shè)計
  

圖13軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟件任務(wù)分析和硬件電路設(shè)計結(jié)合進(jìn)行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計基本定型后，也就基本上決定下來了[9]。

軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設(shè)計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計偏重算法效率，與硬件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。

軟件任務(wù)分析時，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進(jìn)行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。

各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。相對來講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當(dāng)一名操作工人比較容易，而當(dāng)一個廠長就比較難了。

軟件任務(wù)分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)�實時性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。

在本設(shè)計中包括了以下主要的程序：主程序，查詢程序，非法搶答程序，搶答時間調(diào)整程序，回答時間調(diào)整程序，倒計時程序，正常搶答處理程序，犯規(guī)處理程序，顯示及發(fā)聲程序。主流程圖如14所示：

圖14 程序設(shè)計流程圖

主程序：

本章是搶答器的軟件設(shè)計，實現(xiàn)搶答功能主要是通過編寫程序的方法集成在AT89C51內(nèi)部。將程序下載到硬件電路中，實現(xiàn)搶答功能。

• Proteus仿真系列組圖
  

圖15 復(fù)位顯示三個FFF

該圖顯示當(dāng)單片機復(fù)位后，在4位七段數(shù)碼管上顯示的初始狀態(tài)“F FF”字符。

圖16 計時時間為17秒

該圖顯示通過加一按鍵操作后在4位數(shù)碼管上顯示的計時時間為17秒。

圖17  三號選手非法搶答

該圖顯示的是若三號選手非法搶答時候，第一位字符顯示單片機判定的非法選手“3”號選手，在4位數(shù)碼管上的后兩位顯示非法搶答字符“FF”。

圖18 六號選手搶答

圖中顯示的是若6號選手搶答成功的時候，4位數(shù)碼管的第一顯示是“6”號選手搶答成功，最后兩位顯示選手答題倒計時時間還有25秒。

本章是搶答器的系統(tǒng)仿真部分，并對搶答器的各個流程做出了具體仿真結(jié)果。從仿真圖上可以進(jìn)一步得出結(jié)論：利用單片機設(shè)計的搶答器工作性能穩(wěn)定，延遲時間小，電路結(jié)構(gòu)簡單，是一個實用、創(chuàng)新性的電路設(shè)計。

• 總結(jié)與展望
  

本文研究與設(shè)計的八路多功能搶答器采用了通用的電子元器件，利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結(jié)合起來。理論聯(lián)系實踐，體現(xiàn)出大學(xué)生動手能力。通過查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動手能力。并且由原先的被動的接受知識轉(zhuǎn)換為主動的尋求知識，這可以說是學(xué)習(xí)方法上的一個很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會記住很多的書本知識，但是通過畢業(yè)論文，我們學(xué)會了如何將學(xué)到的知識轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會了怎么更好的處理知識和實踐相結(jié)合的問題。把握重點、攻克難關(guān)，學(xué)到用到、活學(xué)活用。在設(shè)計過程中由于時間倉促有很多地方難免存在不足之處，硬件設(shè)計已經(jīng)完成，在軟件設(shè)計中有些功能還尚未開發(fā)出來。但在以后的工作中，我們會嚴(yán)格要求自己，追求完美。

整個設(shè)計通過了軟件和硬件上的調(diào)試、仿真。我想這對于自己以后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大的幫助的。在這次設(shè)計中遇到了很多實際性的問題，在實際設(shè)計中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東西與在實際運用中的還是有一定的出入的，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。對于單片機設(shè)計，其硬件電路是比較簡單的，主要是解決程序設(shè)計中的問題。而程序設(shè)計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力。它才是一個設(shè)計的靈魂所在。因此在整個設(shè)計過程中大部分時間是用在程序上面的。很多子程序是可以借鑒書本上的，但怎樣銜接各個子程序才是關(guān)鍵的問題所在，這需要對單片機的結(jié)構(gòu)很熟悉。因此可以說單片機的設(shè)計是軟件和硬件的結(jié)合，二者是密不可分的。

但是，通過這次設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)自己的很多不足之處。在設(shè)計過程中我發(fā)現(xiàn)自己考慮問題很不全面，自己的專業(yè)知識掌握的很不牢固，所掌握的計算機應(yīng)用軟件還不夠多，我希望自己的這些不足之處能在今后的工作和學(xué)習(xí)中得到改善。而且，通過這次設(shè)計，我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，學(xué)會了堅持和努力，這將為以后的學(xué)習(xí)做出了最好的榜樣！

回頭再看看該設(shè)計，還可以將設(shè)計的擴展功能增強：1、可以設(shè)計聲控裝置，在主持人說開始時，系統(tǒng)自動完成清零并開始計時的功能。2、增加記分模塊，可以設(shè)定初始積分，并記錄每次搶答完成后的積分。3、將搶答按鍵用無線實現(xiàn)，如紅外線，使搶答者可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行搶答，并簡化按鍵模塊的線路布置。如果提供相應(yīng)的器材及時間上的寬限，一定可以完成上述擴展功能，進(jìn)一步完善作品。

[1] 程相波,衛(wèi)安軍.基于MCS-51單片機的八路搶答器設(shè)計方法研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007,(2).

[2]林凌,李剛,丁茹,李小霞.新型單片機接口器件與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005年.

[3]李增生.對《搶答器》的改進(jìn)[J].電子制作,2000,(12).

[4]馬軻瀛.八路數(shù)字搶答器系統(tǒng)[J].華商，2007,(23).

[5]高偉.AT89單片機原理及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008年.

[6]蔡朝陽.單片機控制實習(xí)與專題制作[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006年.

[7]楊凌霄.微型計算機原理及應(yīng)用[M].江蘇:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2004年.

[8]丁建偉.搶答器電路設(shè)計[J].蘭州工業(yè)高等�？茖W(xué)校學(xué)報,2008,(04).

[9] 胡學(xué)海.單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京電子工業(yè)出版社，2005年.

Abstract

Eight-way first answer device based on AT89C51

Lincheng Deng

(College of Computer Science and Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225,China)

Abstract: As a tool, the first answer device has been widely used in all kinds of intelligence and knowledge contests occasions. However, it is not used so frequently due to its production complexity, lacking of reliability and reducing interest. Although a unit can afford it, it is rarely used yearly. Meanwhile, because of the long-term storage, its electronic devices are easy to be damaged. Some activities are likely to be affected because it is quiet trouble to repurchase these spare parts and time-wasting. This First Answer Device is designed to solve these problems.

And this design is based on the principle of eight-way first answer. Considering the requirement and the limited time to answer, while using AT89C51 single-chip and external interface of the Answer System, the use of single-chip timer / counter timing and number of the principles in mind, the software and hardware combination, makes the system time correctly, while the digital control to display time correctly. Switch the keyboard to do with output, speaker prompted occurred. At the same time, the system can be realized: In the competitive answering game, only after the answer that will be valid, if at the beginning of pre-answer that will be invalid; Competitive answer to the question and the end of the question can be set in 1-99s; it can show who's effective and whose answer’s invalid, the correct button will prompt after the music; count down to the competitive and finished time, when it’s full time the system will be automatic reset and the master will also be forced reset ;keys locked in the effective state, while the key is invalid illegal.

單片機源程序如下:

基于51單片機搶答器畢業(yè)設(shè)計.doc (887 KB, 下載次數(shù): 256)