深度解讀單片機(jī)四路搶答器設(shè)計

摘 要

搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低。作為一個單位，如果專門購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟(jì)上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展，因此設(shè)計了本搶答器。

本設(shè)計是以四路搶答為基本理念?？紤]到依需設(shè)定限時回答的功能，利用AT49C51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)的定時器/計數(shù)器定時和記數(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，揚(yáng)聲器發(fā)生提示。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；搶答限定時間和回答問題的時間可在1-99s設(shè)定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，滿時后系統(tǒng)計時自動復(fù)位及主控強(qiáng)制復(fù)位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。

一，設(shè)計任務(wù)與要求

1、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 ~ S3表示。

2、設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。

3、 搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時揚(yáng)聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，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。

4、參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)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并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

二，方案設(shè)計與論證

方案：該系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)AT49C51作為控制核心，該系統(tǒng)可以完成運(yùn)算控制、信號識別以及顯示功能的實(shí)現(xiàn)。由于用了單片機(jī)，使其技術(shù)比較成熟，應(yīng)用起來方便、簡單并且單片機(jī)周圍的輔助電路也比較少，便于控制和實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)具有極其靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進(jìn)行功能的擴(kuò)張和更改。MCS-51單片機(jī)特點(diǎn)如下：

《1》可靠性好：單片機(jī)按照工業(yè)控制要求設(shè)計，抵抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般的CPU，程序指令和數(shù)據(jù)都可以寫在ROM里，許多信號通道都在同一芯片，因此可靠性高，易擴(kuò)充。

《《 span=“”》2》單片機(jī)有一般電腦所必須的器件，如三態(tài)雙向總線，串并行的輸入及輸出引腳，可擴(kuò)充為各種規(guī)模的微電腦系統(tǒng)。

《《 span=“”》3》 控制功能強(qiáng)：單片機(jī)指令除了輸入輸出指令，邏輯判斷指令外還有更豐富的條件分支跳躍指令。

其原理框圖如下：

三，硬件電路設(shè)計

1、 搶答器的電路框圖

如圖11、1所示為電路框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置，“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“開始、停止”狀態(tài)開關(guān)。

搶答器框圖

其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置，“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。揚(yáng)聲器給出聲響提示。搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人再次操作“開始、停止”狀態(tài)開關(guān)。

2、單元電路設(shè)計

（1）搶答器電路

參考電路如圖11.2所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置，“清除”然后再進(jìn)行下一

次搶答。

（2）時序控制電路設(shè)計

時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下功能：

a.主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)。

b.當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路停止工作。

（3）復(fù)位電路的設(shè)計

外部中斷和內(nèi)部中斷并存，單片機(jī)硬件復(fù)位端，只要持續(xù)4個機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器以及存儲器的值都恢復(fù)到了初始值，因為本設(shè)計中功能中有倒計時時間的記憶功能，所以不能對單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位，只能用軟件復(fù)位，軟件復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完之后，將程序通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它完成復(fù)位。復(fù)位電路如下圖示：

2.3.3外部震蕩電路

外部震蕩電路單片機(jī)必須在AT49C51的驅(qū)動下才能工作，在單片機(jī)內(nèi)部有一個時鐘震蕩電路，只需要外接一個振蕩器就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個單元，外部震蕩電路如下圖。

2.3.4報警電路設(shè)計

報警電路用于報警，當(dāng)遇到報警信號時，發(fā)出警報。一般喇叭是一種電感性

圖11.4報警電路圖。4951驅(qū)動喇叭的信號為各種頻率的脈沖。因此，最簡單的喇叭驅(qū)動方式就是利用達(dá)林頓晶體管，或者以兩個常用的小晶體管連接成達(dá)林頓架勢。在右圖中電阻R為限流電阻，在此利用晶體管的高電流增益，以達(dá)到電路快速飽和的目的。不過，如果要由P0輸出到此電路，還需要連接一個10K的上拉電阻。

選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答時，實(shí)現(xiàn)：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人再次*作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)。圖面是數(shù)字搶答器的報警電路圖。

其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。

四，軟件設(shè)計

1、系統(tǒng)主程序設(shè)計

為了能夠達(dá)到搶答的公平、公正、合理，應(yīng)該在主持人發(fā)布搶答命令之前必須先設(shè)定搶答的時間，因而在編開始搶答前的程序得先編寫設(shè)定時間的程序，當(dāng)時間設(shè)好了之后，主持人發(fā)布搶答命令按下P1.7按鍵，程序開始打開定時中斷開始倒計時，然后調(diào)用鍵盤掃描子程序，編寫鍵盤掃描程序。當(dāng)在掃描到有人按下了答題鍵，馬上關(guān)閉T0、調(diào)用顯示程序、封鎖鍵盤。

（1）主程序流程圖

？

2、主程序清單

ORG 0000H

LJMP STARTUP1

ORG 000BH

LJMP dingshi

ORG 001BH

LJMP fengmingqi

ORG 0400H

main：

LCALL init

SETB TR0

MOV TH0，#0x3C

MOV TL0，#P3

MOV 0x0E，#0x00

MOV 0x0F，#0x01

MOV 0x10，#0x00

MOV 0x11，#0x01

MOV R3，#0x01

MOV R2，#0x00

a12：

JB P0.0，a1

MOV 0x0E，#0x00

MOV 0x0F，#0x01

MOV 0x10，#0x00

MOV 0x11，#0x01

MOV R2，#0x00

MOV R3，#0x01

CLR 0x20.0

CLR A

MOV 0x09，A

SETB TR0

MOV TH0，#0x3C

MOV TL0，#P3

CLR TR1

MOV 0x0A，A

MOV 0x0C，A

MOV 0x0D，A

MOV DPTR，#0x0B4C

MOVC A，@A+DPTR

MOV P3，A

MOV DPTR，#shuma

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV 0xA0，A

a1：

MOV A，0x0F

ORL A，0x0E

JNZ a2

LJMP a3

a2：

MOV A，R3

ORL A，R2

JNZ a4

LJMP a3

a4：

MOV A，0x11

ORL A，0x10

JNZ a5

LJMP a3

a5：

MOV A，0x09

MOV B，#0x0A

LCALL a6

MOV R7，B

MOV A，R7

RLC A

SUBB A，ACC

MOV R6，A

MOV A，#0x45

ADD A，R7

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R6

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV 0xA0，A

;a4：

MOV A，0x09

MOV B，#0x0A

LCALL a6

MOV R7，B

CLR C

MOV A，R7

XRL A，#P0

SUBB A，#SP

JC a7

MOV A，0x09

MOV B，#0x0A

LCALL a6

MOV R7，A

RLC A

SUBB A，ACC

MOV R6，A

MOV A，R7

ADD A，#0x04

MOV R7，A

CLR A

ADDC A，R6

MOV R6，A

MOV A，R7

XRL A，#0x0A

ORL A，R6

JZ a4

MOV A，0x09

MOV B，#0x0A

LCALL a6

MOV R7，A

RLC A

SUBB A，ACC

MOV R6，A

MOV A，#0x4D

ADD A，R7

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R6

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV P3，A

a4：

MOV A，0x09

MOV B，#0x0A

LCALL a6

MOV R7，A

RLC A

SUBB A，ACC

MOV R6，A

MOV A，R7

ADD A，#0x04

MOV R7，A

CLR A

ADDC A，R6

MOV R6，A

MOV A，R7

XRL A，#0x0A

ORL A，R6

JNZ a9

MOV DPTR，#shuma

SJMP a10

a7：

MOV A，0x09

MOV B，#0x0A

LCALL a6

MOV R7，A

RLC A

SUBB A，ACC

MOV R6，A

MOV A，#0x4C

ADD A，R7

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R6

MOV DPH，A

CLR A

a10：

MOVC A，@A+DPTR

MOV P3，A

a9：

JNB 0x20.0，a3

CLR A

MOV R2，A

MOV R3，A

CLR 0x20.0

MOV DPTR，#0x0B4C

MOVC A，@A+DPTR

MOV P3，A

MOV DPTR，#shuma

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV 0xA0，A

CLR TR0

a3：

MOV A，0x11

ORL A，0x10

JNZ a11

LJMP a12

a11：

MOV A，0x0F

ORL A，0x0E

JNZ a13

LJMP a12

a13：

MOV A，P1

ANL A，#0x0F

MOV R1，A

CLR A

MOV R4，A

MOV R5，A

a17：

CLR C

MOV A，R5

SUBB A，#0x04

MOV A，R4

XRL A，#P0

SUBB A，#P0

JC a14

LJMP a12

a14：

MOV A，#0x4F

ADD A，R5

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R4

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

XRL A，R1

JNZ a15

LCALL delay

MOV A，#0x4F

ADD A，R5

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R4

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

XRL A，R1

JNZ a15

MOV A，R3

ORL A，R2

JNZ a16

CLR C

MOV A，#0x09

SUBB A，R5

MOV R7，A

CLR A

SUBB A，R4

MOV R6，A

MOV A，#0x45

ADD A，R7

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R6

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV 0xA0，A

MOV P3，#0xFF

CLR A

MOV 0x10，A

MOV 0x11，A

ORL P1，#B

SJMP a15

a16：

SETB TR1

MOV TH1，#0xFF

MOV TL1，#0xFF

CLR TR0

CLR A

MOV 0x0E，A

MOV 0x0F，A

CLR C

MOV A，#0x09

SUBB A，R5

MOV R7，A

CLR A

SUBB A，R4

MOV R6，A

MOV A，#0x45

ADD A，R7

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R6

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV 0xA0，A

CLR C

MOV A，#0x09

SUBB A，R5

MOV 0x0A，A

MOV P3，#0xFF

LJMP a12

a15：

INC R5

CJNE R5，#0x00，a14

INC R4

a14：

LJMP a17

a6：

CLR F0

JNB 0xF0.7，a19

CPL F0

XRL B，#0xFF

INC B

a19：

JNB 0xE0.7，a20

CPL F0

CPL A

INC A

DIV AB

XRL B，#0xFF

INC B

SJMP a21

a20：

DIV AB

a21：

JNB F0，a22

CPL A

INC A

a22：

RET

a40：

CLR F0

MOV A，R4

JNB 0xE0.7，a23

CPL F0

CLR A

CLR C

SUBB A，R5

MOV R5，A

CLR A

SUBB A，R4

MOV R4，A

a23：

MOV A，R6

JNB 0xE0.7，a24

CPL F0

CLR A

CLR C

SUBB A，R7

MOV R7，A

CLR A

SUBB A，R6

MOV R6，A

LCALL a25

CLR C

CLR A

SUBB A，R5

MOV R5，A

CLR A

SUBB A，R4

MOV R4，A

SJMP a26

a24：

LCALL a25

a26：

JNB F0，a27

CLR C

CLR A

SUBB A，R7

MOV R7，A

CLR A

SUBB A，R6

MOV R6，A

a27：

RET

a25：

CJNE R4，#0x00，a24

CJNE R6，#0x00，a29

MOV A，R7

MOV B，R5

DIV AB

MOV R7，A

MOV R5，B

RET

a24：

CLR A

XCH A，R4

MOV R0，A

MOV B，#0x04

a31：

MOV A，R7

ADD A，R7

MOV R7，A

MOV A，R6

RLC A

MOV R6，A

MOV A，R4

RLC A

MOV R4，A

MOV A，R6

SUBB A，R5

MOV A，R4

SUBB A，R0

JC a30

MOV R4，A

MOV A，R6

SUBB A，R5

MOV R6，A

INC R7

a30：

DJNZ B，a31

CLR A

XCH A，R6

MOV R5，A

RET

a29：

MOV A，R5

MOV R0，A

MOV B，A

MOV A，R6

DIV AB

JB OV，a32

MOV R6，A

MOV R5，B

MOV B，#0x04

a35：

MOV A，R7

ADD A，R7

MOV R7，A

MOV A，R5

RLC A

MOV R5，A

JC a33

SUBB A，R0

JNC a34

DJNZ B，a35

RET

a33：

CLR C

SUBB A，R0

a34：

MOV R5，A

INC R7

DJNZ B，a35

a32：

RET

fengmingqi：

PUSH ACC

PUSH B

PUSH DPH

PUSH DPL

PUSH PSW

MOV PSW，#0x00

PUSH 0x00

PUSH 0x04

PUSH 0x05

PUSH 0x06

PUSH 0x07

MOV TH1，#0x3C

MOV TL1，#P3

INC 0x0D

MOV A，0x0D

JNZ a36

INC 0x0C

a36：

CPL A

ORL A，0x0C

JNZ a37

MOV 0x0C，A

MOV 0x0D，#0x0B

a37：

SETB C

MOV A，0x0D

SUBB A，#0x0A

MOV A，0x0C

XRL A，#P0

SUBB A，#P0

JNC a34

CPL 0xB0.7

SJMP a39

a34：

SETB 0xB0.7

a39：

MOV R6，0x0C

MOV R7，0x0D

MOV R4，#0x00

MOV R5，#0x0A

LCALL a40

MOV A，R5

ORL A，R4

JNZ a41

MOV A，0x04

JNZ a42

MOV 0x04，#0x01

MOV 0xA0，#0xFF

SJMP a41

a42：

MOV 0x04，#0x00

MOV R7，0x0A

MOV A，R7

RLC A

SUBB A，ACC

MOV R6，A

MOV A，#0x45

ADD A，R7

MOV DPL，A

MOV A，#0x0B

ADDC A，R6

MOV DPH，A

CLR A

MOVC A，@A+DPTR

MOV 0xA0，A

a41：

POP 0x07

POP 0x06

POP 0x05

POP 0x04

POP 0x00

POP PSW

POP DPL

POP DPH

POP B

POP ACC

RETI

dingshi：

PUSH ACC

PUSH PSW

MOV TH0，#0x3C

MOV TL0，#P3

INC 0x0B

MOV A，0x0B

CJNE A，#0x14，a43

INC 0x09

MOV 0x0B，#0x00

a43：

MOV A，0x09

CJNE A，#0x1E，a44

MOV 0x09，#0x00

SETB 0x20.0

CLR TR0

a44：

POP PSW

POP ACC

RETI

init：

MOV TMOD，#0x11

SETB ET0

SETB ET1

CLR TR0

CLR TR1

SETB EA

ANL P1，#0x0F

RET

delay：

CLR A

MOV R7，A

MOV R6，A

a46：

INC R7

CJNE R7，#0x00，a45

INC R6

a45：

MOV A，R7

XRL A，#0x0C

a47：

ORL A，R6

JNZ a46

RET

shuma：

PUSH P1

SJMP a47

ANL C，0x90.2

SUBB A，R1

ANL C，/0xA0.4

MOV R1，A

KeyBoard：

INC R6

INC R5

INC R3

INC @R1

STARTUP1：

MOV R0，#0x7F

CLR A

IDATALOOP：

MOV @R0，A

DJNZ R0，IDATALOOP

MOV SP，#0x20

LJMP main

END

五，器件選型方案

表1 器件選型方案的詳細(xì)清單

器件名稱規(guī)格型號數(shù)量

微處理器AT49C511

極性電容10uF1

電阻3WTT10K9

電容20PF3

晶振12MHZ1

按鈕

15

共陰4位7段數(shù)碼管SMG SM410561K1

揚(yáng)聲器

1

六，調(diào)試：

（1） 開機(jī)

按電源開關(guān)，顯示屏左邊的“搶答”指示燈亮，數(shù)碼管顯示。

（2） 測試各組搶答按鍵

試按一下各組的搶答按鈕，應(yīng)立即顯示該組的組別數(shù)字，同時機(jī)內(nèi)喇叭發(fā)出“叮咚”的提示音，按“取消”鍵，返回“0”閃爍狀態(tài)。。

（3） 違規(guī)搶答

當(dāng)主持人讀題過程中，而未宣布搶答開始時按下?lián)尨鸢粹o。主顯示屏將顯示該違規(guī)組號，及發(fā)出提示音。及該組的紅燈亮起。

編輯：jq