基于51單片機的4位競賽搶答器的設計

設計編號：Q001
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功能要求：

以單片機為核心，設計一個4位競賽搶答器：同時供4名選手或4個代表隊比賽，分別用4個按鈕S0～S4表示。
1.設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關S，開關由主持人控制。
2.搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按按鈕，鎖存相應的編號，并在優(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。
3.搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定（如20秒）。
4.當主持人啟動“開始”鍵后，定時器進行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間為0.5s左右。
參賽選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
5.如果在主持人啟動"開始"鍵前搶答 ，搶答無效。且顯示器上會顯示搶答選手編號。
6.如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。

1.2 任務和要求
本設計是以搶答為出發(fā)點?？紤]到依需設定限時回答的功能，利用AT89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。用開關做鍵盤輸出，發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出提示。同時系統(tǒng)能夠實現(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；在軟件中還應用了外部中斷，通過中斷解除搶答的鎖存，似的設計更加靈活，實用性更強。
本設計主要設計指標：
（1） 按鍵輸入模塊，包括主持人時間加，時間減，開始搶答，新一輪4個按鍵和選手1號到4號共搶4答按鍵；
（2） 顯示模塊，可以搶答實現(xiàn)倒計時和顯示搶答選手編號。
（3） 蜂鳴器模塊，用于倒計時提醒，倒計時開始后發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間為0.5s左右。

演示視頻：

設計說明目錄

1 概述 3
1.1 課程設計目的 3
1.2 任務和要求 3
1.3 系統(tǒng)結構圖 4
2 理論分析與計算 4
3 硬件設計 4
3.1 AT89C51最小系統(tǒng) 5
3.2 顯示模塊 6
3.3鍵盤模塊 7
3.4蜂鳴器模塊 8
4 軟件設計 9
4.1 主程序 10
4.2 按鍵掃描子函數(shù) 12
4.3顯示子程序 13
4.4蜂鳴器提示子函數(shù) 14
5 PROTEUS EDA仿真測試 15
5.1 PROTEUS EDA仿真圖繪制 15
5.2 測試 15
6 總結以及展望 18
參考文獻 19

1 概述
1.1 課程設計目的
（1） 綜合所學的單片機原理及接口技術等課程的理論知識完成本課程設計；
（2） 學習并掌握基本電路設計與使用方法，單片機的編程與應用方法；
（3） 提高綜合分析、解決實際問題的能力。

4.1 主程序
主程序完成外部中斷初始化、定時器初始化、蜂鳴器模塊初始化。主程序掃描主持人不斷掃描按鍵，進行對應的操作。
進入主程序后，顯示顯示預設的倒計時數(shù)字20，程序掃描主持人按鍵倒計時加減鍵和開始按鍵。按下開始按鍵后，倒計時開始工作，實時刷新倒計時數(shù)字，每倒計時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，倒計時定時器停止工作，顯示選手編號和按下?lián)尨疰I的時間。

主要（關鍵）代碼：

	EA=1;
 EX0=1;//外部中斷0
	IT0=1;//設置下降沿觸發(fā)中斷0
	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; 
	time=20; //定時時間
	num=0; //選手編號
	flag=0; //搶答模式標志位
	beep=0;//蜂鳴器為0 不響

此段程序是完成外部中斷初始化、定時器初始化、蜂鳴器模塊初始化。完成后進入大循環(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);
			}
	}

這段函數(shù)完成了倒計時的顯示和掃描是否開始倒計時。在沒有開始搶答時，選手按下按鍵會顯示選手編號和清零時間，一起防止選手搶答。開始搶答后，標志位flag變?yōu)?。開始執(zhí)行按鍵掃描函數(shù)check2();

void check1()
{
	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];
		beep=0;
		Display(0,8); //數(shù)碼管顯示函數(shù)
		TR0=0;	
		while(m);
	}  	  		

假如按鍵1按下，會顯示選手編號。同時程序會卡在while(m);循環(huán)。此時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)復位，即使程序一直在執(zhí)行while(m)循環(huán)，按下按鍵后，程序會執(zhí)行一次硬件復位，將變量清零，函數(shù)重新執(zhí)行按鍵掃描。

4.2 按鍵掃描子函數(shù)

關鍵代碼介紹

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

程序一直判斷按鍵引腳電壓，按下按鍵電壓為0。按鍵會產(chǎn)生抖動，需要進行消抖處理，演示10毫秒后，如果按鍵電壓還是0，令按鍵數(shù)目num為1。表示按下的按鍵是按鍵1。供主函數(shù)處理按鍵消息。

4.3顯示子程序
關鍵代碼介紹

void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num)
{
	unsigned char i;
	  
	for(i=0;i<Num;i++)
	{ 
		DataPort=0;   //清空數(shù)據(jù)，防止有交替重影
       	DUAN=1;     //段鎖存
       	DUAN=0;

       	DataPort=dofly_WeiMa[i+FirstBit]; //取位碼 
       	WEI=1;     //位鎖存
       	WEI=0;

       	DataPort=TempData[i]; //取顯示數(shù)據(jù)，段碼
       	DUAN=1;     //段鎖存
       	DUAN=0;
       
	   	DelayMs(2); // 掃描間隙延時，時間太長會閃爍，太短會造成重影

	}
}  

該函數(shù)用于動態(tài)掃描數(shù)碼管。輸入?yún)?shù) FirstBit 表示需要顯示的第一位，如賦值2表示從第三個數(shù)碼管開始顯示，如輸入0表示從第一個顯示。 Num表示需要顯示的位數(shù)，如需要顯示99兩位數(shù)值則該值輸入2。顯示主要控制74HC573鎖存數(shù)據(jù)。先清除數(shù)據(jù)，清段鎖存。然后選擇位碼。開位鎖存將數(shù)據(jù)存在位鎖存器，選擇到了需要顯示的數(shù)碼管。位鎖存完成后將數(shù)據(jù)寫進段鎖存數(shù)據(jù)，將需要顯示的數(shù)據(jù)寫到數(shù)碼管中。

4.4蜂鳴器提示子函數(shù)
蜂鳴器的正極接到VCC（+5V）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極E，三極管的基極B經(jīng)過限流電阻R3后由單片機的beep引腳控制，當beep輸出低電平時，三級管QS截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當beep輸出高電平時，三級管導通，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)出聲音和關閉。

beep=0;	
if(t==20)//設置為20，就是0.5s為高0.5s為低
{
	beep=1;
	t=0;
	time--;
	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(time<=0)
	{
		time=0;			
	}			
}

在50ms一次的定時器0中斷中，每10次中斷令蜂鳴器置零。第20次中斷令蜂鳴器置一。以此產(chǎn)生0.5s短暫提醒。
5 PROTEUS EDA仿真測試
5.1 PROTEUS EDA仿真圖繪制

圖 7仿真圖
5.2 測試
1.初始化。

圖8 初始化
2.未按下開始搶答鍵，選手搶答無效。

圖9 搶答無效

3.按下開始搶答鍵，進入搶答倒計時。

圖10 搶答倒計時
3.有選手按下?lián)尨疰I，顯示選手號碼及剩余時間。

圖11 搶答成功

6 總結以及展望
在硬件電路焊接和軟件程序設計分別完成的基礎之上，進行軟硬件的結合與調試。通過下載將在電腦上已完成的程序下載到單片機芯片中。在調試中發(fā)現(xiàn)軟件中存在的問題，及時解決問題，確保系統(tǒng)能正常工作并達到設計要求。通過反復的調試與實驗，可以證明該系統(tǒng)能夠較好地完成設計所需的基本要求。即能夠正確的完成搶答器預期功能。
在完成系統(tǒng)時我們遇到了很多困難，從一開始電路設計不夠優(yōu)化導致蜂鳴器不能正常發(fā)聲，到后來查閱資料一點點豐富我們的設計。在整個設計過程中，我們充分發(fā)揮團隊精神，分工合作，發(fā)揮人的主觀能動性，自主學習，學到了許多沒學到的知識，較好的完成了作品。相互學習、相互討論研究，共同進步，完了最初的設想。在電路焊接時雖然沒什么大問題，但從中也知道了焊接在整個作品中的重要性，電路工程量大，不能心急，一個個慢慢來不能急于求成。反而達到事半功倍的效果。對電路的設計、布局要先有一個好的構思，才顯得電路板美觀、大方。程序編寫中，由于思路不清晰，開始時遇到了很多的問題，經(jīng)過靜下心來思考，和同組員的討論，理清了思路，反而得心應手。在此次設計中，知道了做凡事要有一顆平常的心，不要想著走捷徑，一步一個腳印。此次比賽也練就了我們的耐心，讓我們認識到了學習基礎知識的重要性，當設計完整的系統(tǒng)時，要考慮到硬件和軟件兩者的結合，有時硬件的不足，我們可以用軟件程序來彌補，從而節(jié)約硬件成本，在設計軟件程序時要模塊化，可以提高程序的可讀性?？傊ㄟ^此次單片機課程設計我們的能力得到了全方位的提高。
參考文獻
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