四路智力抢答器
科信学院
课程设计说明书
（2012 /2013学年第2学期）
课程名称 ： 单片机课程设计
题 目 ： 四路智力抢答器
专业班级 ： 10级自动化3班
学生姓名 ： 刘少伟
学 号： 100412328
指导教师 ： 王静爽 苗静利 韩昱
设计周数 ： 2周
设计成绩 ：
2013年 6月 27 日
目 录
第一节 课程设计目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
1.1 概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
1.2 设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
第二节 四路抢答器设计正文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1 总体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1.1 抢答器的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1.2 抢答器的总体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2 硬件电路详细设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2.180c51芯片„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2.2 芯片的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6
2.2.3 复位电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6
2.2.4 晶振电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
2.2.5 数码显示电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
2.2.6 报警电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
2.2.7 总电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
2.2.8 PCB版图的绘制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
2.3 软件详细设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
2.3.1 主程序的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
2.3.2 显示子程序的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
2.3.3 定时器T0、T1中断服务程序的设计„„„„„„„„„„„„11
2.3.4 抢答处理程序的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
2.3.5 总程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
第三节 实验结果及结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
第四节 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
第一节 课程设计目的
1.1概述
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，为以后进行实际单片机软、硬件应用开发奠定良好的基础。
课程设计的主要内容：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。 接口技术应用设计主要要求学生能综合运用单片机、存储器、常用接口芯片构成单片机应用系统，有针对性地进行软、硬件设计与开发。
1.2设计要求：
1、设置4个抢答台和四个抢答成功指示灯，1个比赛主持人开始按键和1个抢答指示灯以及1个LED 显示器。
2、采用中断和查询结合的方法确定按键动作。
3、主持人按下“开始”键后，若有人抢答，则对应选手的指示灯点亮，并用7段LED 显示抢答者的号码（1-4），同时蜂鸣器发出3声间隔一秒的警告音；若9秒内无人抢答，则发出超时报警声，此题作废，主持人可按下“开始”键开始下一题的抢答。
第二节 四路抢答器设计正文
2.1 总体设计
2.1.1 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2个共阴极LED 数码管来显示，用P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口作为CD4511译码器的数据输入口，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口接4个选手按键，提供选手抢答，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 接四个发光二极管作为抢答成功指示灯；P0.0接
蜂鸣器，超时报警，和提示抢答。
2.1.2 抢答器的总体设计
倒计时方案方面利用MCS-51的内部的定时/计时器进行中断计时，配合软件延时实现倒计时。该方案节省硬件成本，并且能够在定时器/计数器的使用、中断及程序设计方案方面得到锻炼与提高，显示方面采用穿行传输实现动态显示，该方案的硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需占用CPU 较多的时间，适用于单片机没有太多实时测控的任务场合。
抢答功能：
通过四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选手号。并亮起主持人台和对应选手台上的抢答成功指示灯。
抢答限时：
主持人按下抢答键后，设置9秒为抢答时间。若9秒内无人抢答，倒计时为0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。2.2 硬件电路详细设计
2.2.1 80C52芯片
80C52系列中，用CHMOS 工艺制造的单片机都采用双列
直插式（DIP ）40脚封装，引脚信号完全相同。
1、为一般控制应用的 8 位单片机
2、晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至
33MHz ）
3、内部程式存储器（ROM ）为 8KB
4、内部数据存储器（RAM ）为 256B
5、外部程序存储器可扩充至 64KB
6、外部数据存储器可扩充至 64KB
7、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制
8、5 个中断向量源
9、3 组独立的 16 位定时器
10、1 个全双工串行通信端口
5．时钟电路
80C52单片机内有一个高增益反相放大器，其频率范围为1.2MHz~12MHz，XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式或外部方式产生。
80C52内部方式时钟电路如图2-10（a ）所示。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容值可选取为30pF 左右（外接晶体时）或40pF 左右（外接陶瓷谐振器时）。
80C52外部方式时钟电路如图2-10（b ）所示。XTAL1接外部振荡器，XTAL2悬空。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12Hz 的信号。
2.2.2 芯片的选择
抢答器电路的核心是89C52单片机，其内部带有8KB 的FLASH ROM，无需外扩程序存储器；抢答器没有大量的运算和暂存数据现有的256B 篇内RAM 已经能满足容量需求，故不需外扩片外RAM ，系统配有2个8段数码显示管共用一个CD4511驱动，管采用共阴数码管，作为选手号的显示输出。
2.2.3 复位电路的设计
复位电路的设计如图2-1所示：
图2-1 复位电路原理图
该复位电路采用上电自动复位和手动复位两种复位方式，图中右侧引脚接到单片机的复位引脚。要实现复位只需在，52系列单片机的RESET 引脚上加上5ms 的高电平就可以了。上电复位是利用电容的充电来实现的，即上电瞬间RESET 端的电位与Vcc 相同，随着电容上储能增加，电容电压也逐渐增大，充电电流减小，RESET 端的电位。这样就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲的持续时间进行调节。通常若采用12MHz 的晶振时，复位元件参数为22μF 的电解电容和10k Ω的电阻。按钮复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET 端维持两个机器周期的高电平实现复位的。
2.2.4 晶振电路的设计
图2-2 晶振电路原理图
MSC-52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 。
2.2.5 数码显示电路的设计
图2.3 数码显示管电路图
数码显示管用来作为9秒倒计时显示和选手号，两个共阴极数码管共用一个CD4511驱动，每个数码管有一个位选端分别接P3.2、P3.3口。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3作为CD4511数据输入端。
2.2.6 报警电路的设计
图2.4报警电路图
使用蜂鸣器作为报警电路, NPN三极管的基极通过电阻与单片机的P0.0引脚连接，再用330Ω的上拉电阻接电源，三极管的集电极接电源，发射极接蜂鸣器的正极。当P0.0输出低电平时蜂鸣器响。
2.2.7 总电路的设计
图2.5 总电路原理图
2.2.8 PCB板的制作
画好原理图检查无误后，画PCB 版图，本设计由于电路连接比较简单，接线较少，所以用明线直接连接，不用制版，画出PCB 版图的目的是便于插板时的布局和链接。
2.3 软件详细设计
2.3.1 主程序的设计
此程序的及时采用定时器T0和T1中断完成，其余状态循环调用显示子程序。系统主程序流程图如图3-1所示。
图2-3-1 系统主程序流程图
2.3.2 显示子程序的设计
2.3.3 定时器T0、T1中断服务程序的设计
定时器T0用于复位程序，当给RST 口加10ms 的复位信号时，单片机复位。定时器T1用于计时程序，当主持人按下开始抢答按钮9秒内无人抢答时，蜂鸣器发出报警信号。
2.3.4 抢答处理程序的设计
当有选手第一个按下抢答器按扭时数码管显示选手号码，同时选手指示灯点亮，蜂鸣器发出三声间隔1秒的警告，并锁定抢答。当在此选手之后再有选手按下按扭时无效，数码管不变。
2.3.5 四路抢答器程序
#include
#define uchar unsigned char
unsigned char code table[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,
0x99,0x49,0x41,0x1f, 0x01,0x09,0x11,0xc1, 0x63,0x85,0x61,0x71};
uchar key;
uchar num,time_num;
void delay(uchar i)
{
uchar j,k;
for(j=i;j>0;j--)
for(k=125;k>0;k--);
}
void bee()
{
}
key_scan()
{
WR=0; delay(255); delay(255); WR=1; uchar temp; temp=P1; temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(10);
if(temp!=0xf0)
{
switch(temp)
{
case 0xe0:
key=1;
break;
case 0xd0:
key=2;
break;
case 0xb0:
key=3;
break;
case 0x70:
key=4;
break;
}
}
}
return key;
}
void time_scan()
{
if(time_num>=20)
{
num++;
time_num=0;
}
P0=0xfb;
P2=table[num/10];
delay(5);
P0=0xf7;
P2=table[num%10];
delay(5);
while(num>=60)
{
P0=0;
P2=0xfd;
}
}
void main()
{
EX0=1;
IT0=1;
key=0;
num=0;
time_num=0;
TMOD=0x01;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
while(1)
{
key_scan();
time_scan();
if(key!=0)
{
bee();
while(key!=0)
{
P0=0;
P2=table[key];
}
}
}
void EX0() interrupt 0
{
key=0;
}
num=0; time_num=0;
void time0() interrupt 1
{ } TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; time_num++;
2.3.5 四路抢答器仿真图
第三节 试验结果及结论（实验心得）
回顾两周的课程设计，使我深深体会到动手的重要性，即使有再好的理论基础没有实践都是空话。周一至周二绘制原理图，，然后编程，虽然说大二的时候有过一次课程设计，但是需要用到的知识点和需要注意的细节问题也不一样。这次最重要的我觉得是编程，这是这次课设的心脏部分。单片机连接好，然后调试，调试并不是一帆风顺的， 最终也没找出问题，这算是这次实习的唯一遗憾了。
在这几天中，体会到了团结协作的重要性和乐趣，有什么问题很想法拿出来一起探讨与分享，将会有更好的答案，活跃了一个人的思维，丰富了我们的头脑，学会去接受别人，肯定别人，同样也得到了别人的尊重与肯定，除了讨论之外，还需积极独立思考，唯独通过自己的独立思考，才能解决相关问题，才能提高对专业知识的熟悉程度，以后才能学会用，同样这也是我该努力的两个方向。努力培养自己的理论联系实践的能力，我对实验过程的阐述能力。
在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
第四节 参考文献
【1】 张毅刚 单片机原理及应用 高等教育出版社.2003年.
【2】 赵嘉蔚 张家栋 霍凯编 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 2010年
【3】 康华光 电子技术基础 数字部分（第四版） 高等教育出版社， 2000.7