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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(jì)編號(hào)：Q001
基本功能
以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)4位競賽搶答器：同時(shí)供4名選手或4個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用4個(gè)按鈕S0～S4表示。
1.設(shè)置一個(gè)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(hào)，并在優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
3.搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如20秒）。
4.當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始”鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間為0.5s左右。
參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)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(dòng)"開始"鍵前搶答 ，搶答無效。且顯示器上會(huì)顯示搶答選手編號(hào)。
6.如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。
課程設(shè)計(jì)目的
（1） 綜合所學(xué)的單片機(jī)原理及接口技術(shù)等課程的理論知識(shí)完成本課程設(shè)計(jì)；
（2） 學(xué)習(xí)并掌握基本電路設(shè)計(jì)與使用方法，單片機(jī)的編程與應(yīng)用方法；
（3） 提高綜合分析、解決實(shí)際問題的能力。
任務(wù)和要求
本設(shè)計(jì)是以搶答為出發(fā)點(diǎn)。考慮到依需設(shè)定限時(shí)回答的功能，利用AT89C51單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機(jī)地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)使數(shù)碼管能夠正確地顯示時(shí)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(shí)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(jì)更加靈活，實(shí)用性更強(qiáng)。
本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：
（1） 按鍵輸入模塊，包括主持人時(shí)間加，時(shí)間減，開始搶答，新一輪4個(gè)按鍵和選手1號(hào)到4號(hào)共搶4答按鍵；
（2） 顯示模塊，可以搶答實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)和顯示搶答選手編號(hào)。
（3） 蜂鳴器模塊，用于倒計(jì)時(shí)提醒，倒計(jì)時(shí)開始后發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間為0.5s左右。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
? 主持人控制搶答器時(shí)間加減和開始，設(shè)置好時(shí)間或者使用默認(rèn)時(shí)間后，按下開始按鍵即開始倒計(jì)時(shí)，每倒計(jì)時(shí)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(huì)顯示選手編號(hào)。一輪搶答結(jié)束后，主持人按下新一輪即可進(jìn)入下一輪的搶答。
理論分析與計(jì)算
? 倒計(jì)時(shí)主要應(yīng)用了51單片機(jī)的定時(shí)器，本設(shè)計(jì)應(yīng)用定時(shí)器產(chǎn)生50ms定時(shí)。以12Mhz的晶振來說，機(jī)器周期是1us，計(jì)滿TH0、TL0就需要216-1個(gè)數(shù)，再來一個(gè)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(shí)50ms需要一個(gè)預(yù)裝值（初值），總值-需要值=預(yù)裝值。預(yù)裝后，定時(shí)器從預(yù)裝值開始加值，定時(shí)器溢出中斷后，會(huì)重新從預(yù)裝值開始加值加到50ms就再產(chǎn)生中斷，從而達(dá)到了定時(shí)的目的。如果要定時(shí)1s就可以讓定時(shí)器中斷1000ms/50ms=20次。
硬件設(shè)計(jì)
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(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用4位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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(shí)/計(jì)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(gè)硬件復(fù)位。
本系統(tǒng)中央控制器采用的單片機(jī)AT89C51，復(fù)位電路采用上電復(fù)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(jì)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(gè)八段數(shù)碼管集成，高電平點(diǎn)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(dòng)態(tài)顯示。
靜態(tài)顯示是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。
LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的8個(gè)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(gè)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(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，單片機(jī)對(duì)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(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)顯示。
在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r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(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感，動(dòng)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(jì)采用動(dòng)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(jì)使用74HC573來驅(qū)動(dòng)四位一體數(shù)碼管。74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的D型鎖存器，當(dāng)使能（LE）為高時(shí)，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能（LE)為低時(shí)，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(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)發(fā)光二極管。
圖4 顯示電路驅(qū)動(dòng)電路
鍵盤模塊
鍵盤是人機(jī)交互的接口，本設(shè)計(jì)中，我們采用獨(dú)立鍵盤。按鈕需要12個(gè),分別為4位搶答按鍵、開始搶答鍵、新一輪按鍵、搶答時(shí)間加鍵和搶答時(shí)間減鍵。當(dāng)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(dòng)恢復(fù)的功能。當(dāng)我們按下按鈕時(shí)，其中的接點(diǎn)接通，放開按鈕后，接點(diǎn)恢復(fù)為切斷。雖然Tack Switch有4個(gè)引腳，但實(shí)際上，其內(nèi)部只有一對(duì)a接點(diǎn)，即其中兩個(gè)引腳是內(nèi)部相連通的，而另外兩個(gè)引腳內(nèi)部也是相連通的。
本設(shè)計(jì)中12個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)了搶答，時(shí)間調(diào)節(jié)等功能，獨(dú)立按鍵的引入使得體現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的人性化，智能化，功能的強(qiáng)大。其電路分為主持人部分和選手部分。分別實(shí)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(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)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(jì)采用電磁式蜂鳴器進(jìn)行。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它，單片機(jī)I/O引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)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(fù)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(jī)的beep引腳控制，當(dāng)beep輸出低電平時(shí)，三級(jí)管QS截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)beep輸出高電平時(shí)，三級(jí)管導(dǎo)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(jì)
當(dāng)接通電源開始工作后，單片機(jī)中的程序開始運(yùn)行，將對(duì)程序進(jìn)行初始化，以便和單片機(jī)芯片達(dá)成通信協(xié)議。完成初始化后，將進(jìn)行鍵盤掃描，同時(shí)判斷開始按鍵、調(diào)節(jié)按鍵是否按下。最后完成倒計(jì)時(shí)和選手號(hào)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(jì)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(shí)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(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。
主程序
進(jìn)入主程序后，顯示顯示預(yù)設(shè)的倒計(jì)時(shí)數(shù)字20，程序掃描主持人按鍵倒計(jì)時(shí)加減鍵和開始按鍵。按下開始按鍵后，倒計(jì)時(shí)開始工作，實(shí)時(shí)刷新倒計(jì)時(shí)數(shù)字，每倒計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)定時(shí)器停止工作，顯示選手編號(hào)和按下?lián)尨疰I的時(shí)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(shí)器初始化、蜂鳴器模塊初始化。完成后進(jìn)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(jì)時(shí)的顯示和掃描是否開始倒計(jì)時(shí)。在沒有開始搶答時(shí)，選手按下按鍵會(huì)顯示選手編號(hào)和清零時(shí)間，一起防止選手搶答。開始搶答后，標(biāo)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(huì)顯示選手編號(hào)。同時(shí)程序會(huì)卡在while(m);循環(huán)。此時(shí)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(fù)位，即使程序一直在執(zhí)行while(m)循環(huán)，按下按鍵后，程序會(huì)執(zhí)行一次硬件復(fù)位，將變量清零，函數(shù)重新執(zhí)行按鍵掃描。
仿真圖
設(shè)計(jì)報(bào)告
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