基于51单片机的4位竞赛抢答器的设计

设计编号：Q001
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功能要求：

以单片机为核心，设计一个4位竞赛抢答器：同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮S0～S4表示。
1.设置一个系统清除和抢答控制开关S，开关由主持人控制。
2.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
3.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如20秒）。
4.当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间为0.5s左右。
参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
5.如果在主持人启动"开始"键前抢答，抢答无效。且显示器上会显示抢答选手编号。
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。

1.2 任务和要求
本设计是以抢答为出发点。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，发光二极管和蜂鸣器发出提示。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；在软件中还应用了外部中断，通过中断解除抢答的锁存，似的设计更加灵活，实用性更强。
本设计主要设计指标：
（1）按键输入模块，包括主持人时间加，时间减，开始抢答，新一轮4个按键和选手1号到4号共抢4答按键；
（2）显示模块，可以抢答实现倒计时和显示抢答选手编号。
（3）蜂鸣器模块，用于倒计时提醒，倒计时开始后发出短暂的声响，声响持续的时间为0.5s左右。

演示视频：

基于51单片机的四位抢答器proteus演示视频

设计说明目录

1 概述 3
1.1 课程设计目的 3
1.2 任务和要求 3
1.3 系统结构图 4
2 理论分析与计算 4
3 硬件设计 4
3.1 AT89C51最小系统 5
3.2 显示模块 6
3.3键盘模块 7
3.4蜂鸣器模块 8
4 软件设计 9
4.1 主程序 10
4.2 按键扫描子函数 12
4.3显示子程序 13
4.4蜂鸣器提示子函数 14
5 PROTEUS EDA仿真测试 15
5.1 PROTEUS EDA仿真图绘制 15
5.2 测试 15
6 总结以及展望 18
参考文献 19

1 概述
1.1 课程设计目的
（1）综合所学的单片机原理及接口技术等课程的理论知识完成本课程设计；
（2）学习并掌握基本电路设计与使用方法，单片机的编程与应用方法；
（3）提高综合分析、解决实际问题的能力。

4.1 主程序
主程序完成外部中断初始化、定时器初始化、蜂鸣器模块初始化。主程序扫描主持人不断扫描按键，进行对应的操作。
进入主程序后，显示显示预设的倒计时数字20，程序扫描主持人按键倒计时加减键和开始按键。按下开始按键后，倒计时开始工作，实时刷新倒计时数字，每倒计时1秒蜂鸣器beep引脚拉低0.5秒，蜂鸣器短鸣0.5秒。在扫描到选手按下按键后，倒计时定时器停止工作，显示选手编号和按下抢答键的时间。

主要（关键）代码：

    EA=1;EX0=1;//外部中断0IT0=1;//设置下降沿触发中断0TMOD=0x11;TH0=(65536-50000)/256;//这是50ms的TL0=(65536-50000)%256;ET0=1;TR0=0; TH1=(65536-50000)/256;//这是50ms的TL1=(65536-50000)%256;ET1=1;TR1=1; time=20; //定时时间num=0; //选手编号flag=0; //抢答模式标志位beep=0;//蜂鸣器为0 不响

此段程序是完成外部中断初始化、定时器初始化、蜂鸣器模块初始化。完成后进入大循环。

TempData[2]=dofly_DuanMa[time/10];
//分解显示信息，如要显示68，则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);}}

这段函数完成了倒计时的显示和扫描是否开始倒计时。在没有开始抢答时，选手按下按键会显示选手编号和清零时间，一起防止选手抢答。开始抢答后，标志位flag变为1。开始执行按键扫描函数check2();

void check1()
{if(num==1){TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];
//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];beep=0;Display(0,8); //数码管显示函数TR0=0;   while(m);}

假如按键1按下，会显示选手编号。同时程序会卡在while(m);循环。此时除了新一轮按键之外的任何按键都系统没有任何变化。

新一轮按键是系统复位，即使程序一直在执行while(m)循环，按下按键后，程序会执行一次硬件复位，将变量清零，函数重新执行按键扫描。

4.2 按键扫描子函数

关键代码介绍

if(key1==0)
{DelayMs(10); if(key1==0){  num=1;while(!key1);}
}

程序一直判断按键引脚电压，按下按键电压为0。按键会产生抖动，需要进行消抖处理，演示10毫秒后，如果按键电压还是0，令按键数目num为1。表示按下的按键是按键1。供主函数处理按键消息。

4.3显示子程序
关键代码介绍

void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num)
{unsigned char i;for(i=0;i<Num;i++){ DataPort=0;   //清空数据，防止有交替重影DUAN=1;     //段锁存DUAN=0;DataPort=dofly_WeiMa[i+FirstBit]; //取位码WEI=1;     //位锁存WEI=0;DataPort=TempData[i]; //取显示数据，段码DUAN=1;     //段锁存DUAN=0;DelayMs(2); // 扫描间隙延时，时间太长会闪烁，太短会造成重影}
}

该函数用于动态扫描数码管。输入参数 FirstBit 表示需要显示的第一位，如赋值2表示从第三个数码管开始显示，如输入0表示从第一个显示。 Num表示需要显示的位数，如需要显示99两位数值则该值输入2。显示主要控制74HC573锁存数据。先清除数据，清段锁存。然后选择位码。开位锁存将数据存在位锁存器，选择到了需要显示的数码管。位锁存完成后将数据写进段锁存数据，将需要显示的数据写到数码管中。

4.4蜂鸣器提示子函数
蜂鸣器的正极接到VCC（+5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基极B经过限流电阻R3后由单片机的beep引脚控制，当beep输出低电平时，三级管QS截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当beep输出高电平时，三级管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制beep脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。

beep=0;
if(t==20)//设置为20，就是0.5s为高0.5s为低
{beep=1;t=0;time--;TempData[2]=dofly_DuanMa[time/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8TempData[3]=dofly_DuanMa[time%10];if(time<=0){time=0;          }
}

在50ms一次的定时器0中断中，每10次中断令蜂鸣器置零。第20次中断令蜂鸣器置一。以此产生0.5s短暂提醒。
5 PROTEUS EDA仿真测试
5.1 PROTEUS EDA仿真图绘制

图 7仿真图
5.2 测试
1.初始化。

图8 初始化
2.未按下开始抢答键，选手抢答无效。

图9 抢答无效

3.按下开始抢答键，进入抢答倒计时。

图10 抢答倒计时
3.有选手按下抢答键，显示选手号码及剩余时间。

图11 抢答成功

6 总结以及展望
在硬件电路焊接和软件程序设计分别完成的基础之上，进行软硬件的结合与调试。通过下载将在电脑上已完成的程序下载到单片机芯片中。在调试中发现软件中存在的问题，及时解决问题，确保系统能正常工作并达到设计要求。通过反复的调试与实验，可以证明该系统能够较好地完成设计所需的基本要求。即能够正确的完成抢答器预期功能。
在完成系统时我们遇到了很多困难，从一开始电路设计不够优化导致蜂鸣器不能正常发声，到后来查阅资料一点点丰富我们的设计。在整个设计过程中，我们充分发挥团队精神，分工合作，发挥人的主观能动性，自主学习，学到了许多没学到的知识，较好的完成了作品。相互学习、相互讨论研究，共同进步，完了最初的设想。在电路焊接时虽然没什么大问题，但从中也知道了焊接在整个作品中的重要性，电路工程量大，不能心急，一个个慢慢来不能急于求成。反而达到事半功倍的效果。对电路的设计、布局要先有一个好的构思，才显得电路板美观、大方。程序编写中，由于思路不清晰，开始时遇到了很多的问题，经过静下心来思考，和同组员的讨论，理清了思路，反而得心应手。在此次设计中，知道了做凡事要有一颗平常的心，不要想着走捷径，一步一个脚印。此次比赛也练就了我们的耐心，让我们认识到了学习基础知识的重要性，当设计完整的系统时，要考虑到硬件和软件两者的结合，有时硬件的不足，我们可以用软件程序来弥补，从而节约硬件成本，在设计软件程序时要模块化，可以提高程序的可读性。总之，通过此次单片机课程设计我们的能力得到了全方位的提高。
参考文献
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[8] 李群芳等．单片机微型计算机与接口技术（第2版）[M]．北京：电子工业出版社，2005.1
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[16] 周润景等，基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真.北京：北京航空航天大学出版社，2006.
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