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Proteus仿真版本：proteus 7.8
程序編譯器：keil 4/keil 5
編程語言：C語言
設(shè)計編號：Q001
基本功能
以單片機為核心，設(shè)計一個4位競賽搶答器：同時供4名選手或4個代表隊比賽，分別用4個按鈕S0～S4表示。
1.設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，開關(guān)由主持人控制。
2.搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
3.搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定（如20秒）。
4.當主持人啟動“開始”鍵后，定時器進行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間為0.5s左右。
參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
5.如果在主持人啟動"開始"鍵前搶答 ，搶答無效。且顯示器上會顯示搶答選手編號。
6.如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。
課程設(shè)計目的
（1） 綜合所學的單片機原理及接口技術(shù)等課程的理論知識完成本課程設(shè)計；
（2） 學習并掌握基本電路設(shè)計與使用方法，單片機的編程與應(yīng)用方法；
（3） 提高綜合分析、解決實際問題的能力。
任務(wù)和要求
本設(shè)計是以搶答為出發(fā)點?？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，發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出提示。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；在軟件中還應(yīng)用了外部中斷，通過中斷解除搶答的鎖存，似的設(shè)計更加靈活，實用性更強。
本設(shè)計主要設(shè)計指標：
（1） 按鍵輸入模塊，包括主持人時間加，時間減，開始搶答，新一輪4個按鍵和選手1號到4號共搶4答按鍵；
（2） 顯示模塊，可以搶答實現(xiàn)倒計時和顯示搶答選手編號。
（3） 蜂鳴器模塊，用于倒計時提醒，倒計時開始后發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間為0.5s左右。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
? 主持人控制搶答器時間加減和開始，設(shè)置好時間或者使用默認時間后，按下開始按鍵即開始倒計時，每倒計時一秒蜂鳴器短暫鳴0.5提醒選手。選手在開始搶答后按下各自的按鍵搶答，一旦按下會顯示選手編號。一輪搶答結(jié)束后，主持人按下新一輪即可進入下一輪的搶答。
理論分析與計算
? 倒計時主要應(yīng)用了51單片機的定時器，本設(shè)計應(yīng)用定時器產(chǎn)生50ms定時。以12Mhz的晶振來說，機器周期是1us，計滿TH0、TL0就需要216-1個數(shù)，再來一個數(shù)就“溢出”產(chǎn)生中斷，一次溢出也就是65536us，約等于65.5ms，假若定時50ms需要一個預裝值（初值），總值-需要值=預裝值。預裝后，定時器從預裝值開始加值，定時器溢出中斷后，會重新從預裝值開始加值加到50ms就再產(chǎn)生中斷，從而達到了定時的目的。如果要定時1s就可以讓定時器中斷1000ms/50ms=20次。
硬件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)由：AT89C51最小系統(tǒng)、顯示模塊、按鍵模塊和蜂鳴器模塊組成。
AT89C51最小系統(tǒng)
? AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS4位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用4位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C51單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
AT89C51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。
本系統(tǒng)中央控制器采用的單片機AT89C51，復位電路采用上電復位電路。外接的晶振為12MHz晶振。
圖2 AT89C51最小系統(tǒng)
*3**.2* *顯示模塊*
本次設(shè)計采用八段數(shù)碼管顯示，是四位一體共陰極數(shù)碼管，由四個八段數(shù)碼管集成，高電平點亮。在顯示上我們通常采用兩種方法：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。
靜態(tài)顯示是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復雜性。
LED數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)顯示。
在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，但能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。故本次設(shè)計采用動態(tài)顯示方法。其原理圖如圖3所示。
圖3 顯示模塊
本設(shè)計使用74HC573來驅(qū)動四位一體數(shù)碼管。74HC573的八個鎖存器都是透明的D型鎖存器，當使能（LE）為高時，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當使能（LE)為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器.573工作電壓在5V（VCC）左右最大7V最小2V，最大輸出電流為20MA,可用來驅(qū)動發(fā)光二極管。
圖4 顯示電路驅(qū)動電路
鍵盤模塊
鍵盤是人機交互的接口，本設(shè)計中，我們采用獨立鍵盤。按鈕需要12個,分別為4位搶答按鍵、開始搶答鍵、新一輪按鍵、搶答時間加鍵和搶答時間減鍵。當按鍵按下，與主控芯片連接的端口被降為低電平，按鍵松開則也升為高電平。按鍵采用的是Tack Switch按鈕開關(guān),它具有自動恢復的功能。當我們按下按鈕時，其中的接點接通，放開按鈕后，接點恢復為切斷。雖然Tack Switch有4個引腳，但實際上，其內(nèi)部只有一對a接點，即其中兩個引腳是內(nèi)部相連通的，而另外兩個引腳內(nèi)部也是相連通的。
本設(shè)計中12個按鍵實現(xiàn)了搶答，時間調(diào)節(jié)等功能，獨立按鍵的引入使得體現(xiàn)了本設(shè)計的人性化，智能化，功能的強大。其電路分為主持人部分和選手部分。分別實現(xiàn)了控制、調(diào)節(jié)功能和搶答功能。其電路圖如圖4所示。
圖4 按鍵電路
蜂鳴器模塊
蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。
本設(shè)計采用電磁式蜂鳴器進行。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機I/O引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。如蜂鳴器電路圖5所示，蜂鳴器的正極接到VCC（+5V）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極E，三極管的基極B經(jīng)過限流電阻R3后由單片機的beep引腳控制，當beep輸出低電平時，三級管QS截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當beep輸出高電平時，三級管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制beep腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。其電路圖如圖5所示。
圖5 蜂鳴器電路
軟件設(shè)計
當接通電源開始工作后，單片機中的程序開始運行，將對程序進行初始化，以便和單片機芯片達成通信協(xié)議。完成初始化后，將進行鍵盤掃描，同時判斷開始按鍵、調(diào)節(jié)按鍵是否按下。最后完成倒計時和選手號碼的顯示。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)流程框圖
根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計要求將軟件劃分為：主程序、顯示子程序、按鍵子程序、蜂鳴器子程序
主程序完成外部中斷初始化、定時器初始化、蜂鳴器模塊初始化。主程序掃描主持人不斷掃描按鍵，進行對應(yīng)的操作。
主程序
進入主程序后，顯示顯示預設(shè)的倒計時數(shù)字20，程序掃描主持人按鍵倒計時加減鍵和開始按鍵。按下開始按鍵后，倒計時開始工作，實時刷新倒計時數(shù)字，每倒計時1秒蜂鳴器beep引腳拉低0.5秒，蜂鳴器短鳴0.5秒。在掃描到選手按下按鍵后，倒計時定時器停止工作，顯示選手編號和按下?lián)尨疰I的時間。
主要（關(guān)鍵）代碼：
void main (void)
{
EA=1;
TMOD=0x11;
TH0=(65536-50000)/256;//這是50ms的
TL0=(65536-50000)%256;
ET0=1;
TR0=0;
TH1=(65536-50000)/256;//這是50ms的
TL1=(65536-50000)%256;
ET1=1;
TR1=1;
beep = 0;
time=20;
num=0;
flag=0;
while (1) //主循環(huán)
{
TempData[2]=dofly_DuanMa[time/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[3]=dofly_DuanMa[time%10];
if(num!=0)
m=1;
if(start==0)
{
DelayMs(10);
if(start==0)
{
flag=1;
while(!start);
}
}
if(add==0)
{
DelayMs(10);
if(add==0)
{
time++;
while(!add);
}
}
if(jian==0)
{
DelayMs(10);
if(jian==0)
{
time--;
while(!jian);
}
}
if(time>=99)
time=99;
if(flag==0)
{
if(num!=0)
m=1;
keyscan();
check2();
}
if(flag==1)
{
TR0=1;
if(num!=0)
m=1;
keyscan();
check1();
}
//主循環(huán)中添加其他需要一直工作的程序
}
}
此段程序是完成外部中斷初始化、定時器初始化、蜂鳴器模塊初始化。完成后進入大循環(huán)。
if(num==1)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[4]=table[0];
beep=0;
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
if(num==2)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[4]=table[1];
beep=0;
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
if(num==3)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[4]=table[2];
beep=0;
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
if(num==4)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[4]=table[3];
beep=0;
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
這段函數(shù)完成了倒計時的顯示和掃描是否開始倒計時。在沒有開始搶答時，選手按下按鍵會顯示選手編號和清零時間，一起防止選手搶答。開始搶答后，標志位flag變?yōu)?。開始執(zhí)行按鍵掃描函數(shù)check2();
void check2()
{
if(num==1)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[2]=0x40;//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[3]=0x40;
TempData[4]=table[0];
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
if(num==2)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[2]=0x40;//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[3]=0x40;
TempData[4]=table[1];
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
if(num==3)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[2]=0x40;//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[3]=0x40;
TempData[4]=table[2];
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
if(num==4)
{
TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
TempData[2]=0x40;//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=6 68%10=8
TempData[3]=0x40;
TempData[4]=table[3];
Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
TR0=0;
while(m);
}
}
?
假如按鍵1按下，會顯示選手編號。同時程序會卡在while(m);循環(huán)。此時除了新一輪按鍵之外的任何按鍵都系統(tǒng)沒有任何變化。
新一輪按鍵是系統(tǒng)復位，即使程序一直在執(zhí)行while(m)循環(huán)，按下按鍵后，程序會執(zhí)行一次硬件復位，將變量清零，函數(shù)重新執(zhí)行按鍵掃描。
仿真圖
設(shè)計報告
資料清單
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