AT89c51多路抢答器
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Key Words:single-chip multi-channel responder
第1章引言
1.1课题设计的目的及意义
中随着各种各样的智力竞赛日益增多，在答题过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有时间限制，到时间要警告提醒。而抢答则要求参赛者做好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是确定优先者的问题就很困难，此外为了提高比赛的进行效率，因此设计此款抢答器来完成这些功能是很有必要的；以便于解决在各项比赛中的抢答不公平的现象，摒弃了陈旧的竞赛模式与规范，通过抢答来提高参赛者对竞赛的积极性，让比赛能够更直观、更准确地进行。
电路图3-2-1
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。其结构特点有：①8位CPU；②片内振荡器和时钟电路；③32根I/O线；④外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；⑤2个16位的定时器/计数器；⑥5个中断源，两个中断优先级；⑦全双工串行口；⑧布尔处理器。
设计要求
1.设计一个智能竞赛抢答器，可同时供4名选手或4各代表参加比赛，他们的编号分别为0、1、2、3，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0—S3。
2.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。
3.抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，30S内若有选手安东抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管显示出选手的编号，同时扬声器给出蜂鸣提示。此外，若规定时间最后5秒依旧为人抢答，系统将发出倒计时警报。
数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。显示器由9个共阴极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。
第4章软件设计
4.1概述
整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。
电路图3-4-1
数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。
关键字：单片机多路抢答器
ABSTRACT
The design is based on the basic idea of multi-channel responder. By taking into account the need for set limit to answer, the answer system using AT89C51 microcontroller and external interface, the use of timer / counter chip timing and counting principle, the software and hardware combination, so that the system can correctly time, the digital display to the correct time at the same time. Switching to do with the keyboard output, speaker prompts occur. At the same time the system can be realized: in the answer, only after the answer to be valid, if at the beginning of pre-answer answer invalid; can show who's effective and answer answer invalid, the correct button prompt after the music; the answer time and answer time countdown display, full automatic reset after the system timing and control forced reset; key lock, in the effective state, the key is invalid.
3.3按键模块电路
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的枢纽。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
在本系统中采用了独立式键盘，其按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。其电路图如图3-3-2所示。
1.3拓展功能
1、抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（例如30s）。当启动主持人“开始”键后，要求定时器立即减时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响后持续时间0.5s左右。
2、参赛选手在设定时间内抢答，抢答有效，定时显示器停止工作，显示器显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
3.2主控制器
采用ATMEL公司的AT89C51作为主控制器（系统控制器）的CPU方案。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其电路图如图3-2-1所示。
通过本次设计，了解简单多路抢答器的组成部分，详细掌握智能抢答器的原理和编程方法，从而利用该设计来解决实际比赛中所存在的抢答争议的问题，使竞赛的公平性得以体现：也使得比赛操作更加简便，更加规范。同时通过本课题设计，提升自己的动手能力，巩固已学的理论知识建立单片机理论和实践结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。进一步深入了解掌握以单片机为核心控制系统的设计方法及编程方法。
电路图3-3-2
独立式键盘，键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了4根I/O口线，该键盘就有4个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。
最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。
摘要
本设计是以多路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键是无效的。
1.2课题设计的任务和要求
设计任务
为了完成本次设计的抢答器的功能，我们利用单片机最小系统（时钟电路、复位电路），时钟电路用于抢答的计时，复位电路用于第一轮抢答结束后，主持人控制显示复位，以便进行第二轮抢答的进行。添加抢答按键模块（4个按键）用于参赛者的抢答操作，加入显示模块泳衣显示抢答成功组的序号，抢答开关模块来控制抢答的启动终止，第一组抢答后后继组按键无效。蜂鸣音频输出模块用于开始抢答时的音效提示。
3、如果定时器抢答的时间已到，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，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示00。
第2章课程的方案设计与论证
2.1系统整体方案的设计
整体方案：抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用查询式键盘进行抢答。通过抢答按键模块，连接按键进行抢答。此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮输入。系统是采用模块化设计的智能抢答器，主控与参赛者设为终端分系统。主控分系统有：开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等。参赛者分系统有：抢答按钮模块、计时显示、提示功能等.如图.2-1-1所示；程序总体流程框图2-1-2。
图2-1-1总方案图
程序总体流程框图2-1-22 Nhomakorabea2系统整体方案的论证
智能抢答器用单片机来设计制作完成，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，采用单片机AT89C51。片内带有4KB的Flash存储器，并允许在系统内改写或用编程器编程。核心器件是AT89C51，其外部接上复位电路、上拉电阻、数码管、独立式按键及蜂鸣音频器。利用单片机定时器/计数器产生定时效果通过编程实现需要的定时时间，再利用数码管动态扫描显示单片机内部处理的数据，同时通过端口读入当前外部控制状态来改变程序的不同状态，实现多路抢答，正确显示时间和组号的功能。
(3)程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。
(4) I/O端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。
(1)尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高，以减少设计的成本。
(2)留有拓展空间。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。
3.4显示电路
显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。
常用的显示模块可以有LED发光二极管和LCD液晶薄膜晶体管。考虑到设计的简单明确，本设计采用了四位LED七段数码管。其电路图如图3-4-1所示。
第3章硬件电路设计
3.1概述
本抢答器的设计分为硬件设计和软件设计两个部分，这两者相互结合，不可或缺；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在前期阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：
第1章引言
1.1课题设计的目的及意义
中随着各种各样的智力竞赛日益增多，在答题过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有时间限制，到时间要警告提醒。而抢答则要求参赛者做好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是确定优先者的问题就很困难，此外为了提高比赛的进行效率，因此设计此款抢答器来完成这些功能是很有必要的；以便于解决在各项比赛中的抢答不公平的现象，摒弃了陈旧的竞赛模式与规范，通过抢答来提高参赛者对竞赛的积极性，让比赛能够更直观、更准确地进行。
电路图3-2-1
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。其结构特点有：①8位CPU；②片内振荡器和时钟电路；③32根I/O线；④外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；⑤2个16位的定时器/计数器；⑥5个中断源，两个中断优先级；⑦全双工串行口；⑧布尔处理器。
设计要求
1.设计一个智能竞赛抢答器，可同时供4名选手或4各代表参加比赛，他们的编号分别为0、1、2、3，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0—S3。
2.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。
3.抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，30S内若有选手安东抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管显示出选手的编号，同时扬声器给出蜂鸣提示。此外，若规定时间最后5秒依旧为人抢答，系统将发出倒计时警报。
数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。显示器由9个共阴极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。
第4章软件设计
4.1概述
整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。
电路图3-4-1
数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。
关键字：单片机多路抢答器
ABSTRACT
The design is based on the basic idea of multi-channel responder. By taking into account the need for set limit to answer, the answer system using AT89C51 microcontroller and external interface, the use of timer / counter chip timing and counting principle, the software and hardware combination, so that the system can correctly time, the digital display to the correct time at the same time. Switching to do with the keyboard output, speaker prompts occur. At the same time the system can be realized: in the answer, only after the answer to be valid, if at the beginning of pre-answer answer invalid; can show who's effective and answer answer invalid, the correct button prompt after the music; the answer time and answer time countdown display, full automatic reset after the system timing and control forced reset; key lock, in the effective state, the key is invalid.
3.3按键模块电路
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的枢纽。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。
在本系统中采用了独立式键盘，其按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。其电路图如图3-3-2所示。
1.3拓展功能
1、抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（例如30s）。当启动主持人“开始”键后，要求定时器立即减时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响后持续时间0.5s左右。
2、参赛选手在设定时间内抢答，抢答有效，定时显示器停止工作，显示器显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
3.2主控制器
采用ATMEL公司的AT89C51作为主控制器（系统控制器）的CPU方案。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其电路图如图3-2-1所示。
通过本次设计，了解简单多路抢答器的组成部分，详细掌握智能抢答器的原理和编程方法，从而利用该设计来解决实际比赛中所存在的抢答争议的问题，使竞赛的公平性得以体现：也使得比赛操作更加简便，更加规范。同时通过本课题设计，提升自己的动手能力，巩固已学的理论知识建立单片机理论和实践结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。进一步深入了解掌握以单片机为核心控制系统的设计方法及编程方法。
电路图3-3-2
独立式键盘，键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了4根I/O口线，该键盘就有4个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。
最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。
摘要
本设计是以多路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键是无效的。
1.2课题设计的任务和要求
设计任务
为了完成本次设计的抢答器的功能，我们利用单片机最小系统（时钟电路、复位电路），时钟电路用于抢答的计时，复位电路用于第一轮抢答结束后，主持人控制显示复位，以便进行第二轮抢答的进行。添加抢答按键模块（4个按键）用于参赛者的抢答操作，加入显示模块泳衣显示抢答成功组的序号，抢答开关模块来控制抢答的启动终止，第一组抢答后后继组按键无效。蜂鸣音频输出模块用于开始抢答时的音效提示。
3、如果定时器抢答的时间已到，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，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示00。
第2章课程的方案设计与论证
2.1系统整体方案的设计
整体方案：抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用查询式键盘进行抢答。通过抢答按键模块，连接按键进行抢答。此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮输入。系统是采用模块化设计的智能抢答器，主控与参赛者设为终端分系统。主控分系统有：开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等。参赛者分系统有：抢答按钮模块、计时显示、提示功能等.如图.2-1-1所示；程序总体流程框图2-1-2。
图2-1-1总方案图
程序总体流程框图2-1-22 Nhomakorabea2系统整体方案的论证
智能抢答器用单片机来设计制作完成，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，采用单片机AT89C51。片内带有4KB的Flash存储器，并允许在系统内改写或用编程器编程。核心器件是AT89C51，其外部接上复位电路、上拉电阻、数码管、独立式按键及蜂鸣音频器。利用单片机定时器/计数器产生定时效果通过编程实现需要的定时时间，再利用数码管动态扫描显示单片机内部处理的数据，同时通过端口读入当前外部控制状态来改变程序的不同状态，实现多路抢答，正确显示时间和组号的功能。
(3)程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。
(4) I/O端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。
(1)尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高，以减少设计的成本。
(2)留有拓展空间。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这样类型的键盘。
3.4显示电路
显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。
常用的显示模块可以有LED发光二极管和LCD液晶薄膜晶体管。考虑到设计的简单明确，本设计采用了四位LED七段数码管。其电路图如图3-4-1所示。
第3章硬件电路设计
3.1概述
本抢答器的设计分为硬件设计和软件设计两个部分，这两者相互结合，不可或缺；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在前期阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：