1 课题设计内容
此次设计提出了用AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简易的抢答器，本方案以AT89C51单片机作为主控核心，与晶振、数码管、蜂鸣器等构成六路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时/中断等电路，设计的六路抢答器具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的特点，还有复位电路，使其再开始新的一轮的答题和比赛，同时还利用C51语言编程，使其实现抢答器的一些基本的功能。
本设计的系统实用性强、判断精确、操作简单、扩展功能强。它的功能实现是比赛开始，主持人读完题之后按下抢答键，声音提示，提示音结束后抢答倒计时开始，此时数码管开始进行10s的倒计时，直到有一个选手抢答，选手按下抢答键时有声音提示并在对应的数码管上显示出该选手的编号和抢答所剩的时间。如果在规定的10s时间内没有做出抢答，鸣笛提示本轮抢答结束，则此题作废，即开始重新一轮的抢答。下一轮抢答前先将时间归零，再按下抢答键即开始。抢答者回答正确后，主持人可按下加分键，对应于选手编号的数码管显示数字就增加（按下一次加一分，最高显示9分），反之，抢答者回答错误后，在该选手的得分数不为0时，主持人可按下减分键（按下一次减一分）。如果支持人要调整抢答时间，主持人可按下加时键（按下一次加1s）或减时键（按下一次减1s）。
2 设计方案论证
根据设计内容要求，提出了如下两种方案
方案一：以AT89C51为核心，连接LED数码管，晶振电路，开关电路组成。其工作原理图如下所示：
图1 工作原理图
图2.1 方案一：采用RX8 驱动译码单片机设计的多路抢答器系统结构框图
方案二：以AT89C51单片机作为主控核心，与晶振、数码管、蜂鸣器等构成六路抢答器，利用了单片机的延时电路、按键复位电路、时钟电路、定时/中断等电路，设计的六路抢答器具有实时显示抢答选手的号码和抢答时间的特点，还有复位电路。
两种方案的特点比较如下：方案一具有电路简单，设计方便，耗电较少，可靠性高等特点；方案二的图案具备的功能更多，单片机占用端口资源利用合理，。可见方案二优于其他两种方案，因此本设计选用方案二。
3 系统硬件设计3.1方框图
图3.1 功能模块图
第一步按键扫描，AT89C51接收到按键扫描的信息确定是否开始启动本轮抢答，当扫描键被按下，第二步AT89C51启动声音模块，蜂鸣器发声一段时间停止发声，与此同时选手开始抢答，第三步AT89C51启动LED显示模块，显示抢答倒计时，和各选手的的分数，整个过程按键扫描一直执行，当有选手按下抢答键，按键扫描终止对选手按键的扫描，AT89C51启动声音模块提示有选手按键，并将该选手的序号发送到LED显示，第四步，按键扫描对加减分按键扫描，按键每按下一次对相应的选手对应的数码管上显示的分数加减一，直到抢答复位键的按下，开始新的一轮循环。当倒计时结束时选手仍然没有按键，AT89C51启动声音模块，提示本轮抢答结束。
3.2抢答器显示模块选择
显示模块主要是显示抢答的时间，组别号码和选手得分情况。
在使用传统的数码管显示。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。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。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。8位8段数码管显示电路如下图所示。
图 3.2 8位七段数码管显示电路图
上图中数码管采用的是8位一体七段共阳数码管，其中A~H段分别接到单片机的P0口，由单片机输出的P0口数据来决定段码值，位选码COM1，COM2，COM3,COM4,(COM1,COM2,
COM3,COM4)分别接到单片机的P2^0，P2^1，P2^2 ，P2^3，(P2^4，P2^5，P2^6，P2^7)由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在图中还有一个排阻，连接在P0口上，用作P0口的上拉电阻，保证P0口没有数据输出时候处于高电平状态。
通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口的8位为字选段输入段。在这里我们通过查表将字型码送给8段数码管显示的数字。
3.3 控制器
控制器主要用于对显示、抢答、声音、计分等模块进行控制。
采用ATMEL公司的AT89C51作为系统控制器的CPU方案。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。
3.4 键盘电路
键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。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。本设计采用独立式键盘：
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8根I/O口线，该键盘就有8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。如图2-2。
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。
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。
图3.3独立式键盘
3.5 时钟频率电路的设计
单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。时钟电路如下图所示。
图3.4外部振荡源电路
一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1，C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。
单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数。图中时钟频率为12MHz。
3.6 复位电路的设计
单片机的第9脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如下所示：
图3.5 按键复位电路
3.7 报警电路
利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或“低”电平，接上蜂鸣器就能发出声音，若再利用延时程序控制“高”或“低”电平的持续时间，就能改变蜂鸣器鸣叫的时间。
本文设计如下图所示。图中利用单片机的I/O端口P1^6，单片机通过设定该端口的高、低电平使蜂鸣器发声。
图 3.6 发声电路
3.8 74LS245引脚及功能
图 3.7 74LS245引脚图
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
当80C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/E低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）
DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/E为高电平时，A、B均为高阻态。
3.9系统硬件连接原理总图
图2-6 系统硬件连接原理图
3.10元器件清单
8位8段数码管
1只；
AT89S52芯片
1只；
12MHz晶振
1只；
30PF瓷片电容
2只；
10UF电解电容
1只；
电阻1KΩ、200Ω、2.2KΩ
各一只；
按键BUTTON
13只；
三极管PNP
1只；
蜂鸣器
1只；
排阻471、102
各一只；
74LS245
一只
4 系统软件设计4.1程序流程图
图4.1 程序流程图
4.2源程序
#include <reg52.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
/*-----------------------------------------------------------
共阳极0-9的数码管段码
------------------------------------------------------------*/
unsigned char code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,
0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xc0};
/*-----------------------------------------------------------
变量定义
------------------------------------------------------------*/
sbit start=P3^6;
sbit reset=P3^7;
sbit key1=P1^0;
sbit key2=P1^1;
sbit key3=P1^2;
sbit key4=P1^3;
sbit key5=P1^4;
sbit key6=P1^5;
sbit key7=P1^6;
sbit key8=P1^7;
sbit jia=P3^4;
sbit jian=P3^5;
sbit jia0=P3^0;
sbit jian0=P3^1;
bit action = 0;
uchar second=10,a[7]={0};
uchar timer0_count = 0;
uchar number=0;
uchar number_display = 0;
uchar k;
/*-----------------------------------------------------------
延时函数
------------------------------------------------------------*/
void delay(uint z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=120;y>0;y--);
}
/*-----------------------------------------------------------
显示函数
------------------------------------------------------------*/
void display(uchar number,uchar second)
{
P2 = 0x01;
P0 = table[second];
delay(1);
P2 = 0x02;
P0 = table[number];
delay(1);
P2 = 0x04;
P0 = table[a[0]];
delay(1);
P2 = 0x08;
P0 = table[a[1]];
delay(1);
P2 = 0x10;
P0 = table[a[2]];
delay(1);
P2 = 0x20;
P0 = table[a[3]];
delay(1);
P2 = 0x40;
P0 = table[a[4]];
delay(1);
P2 = 0x80;
P0 = table[a[5]];
delay(1);
}
/*-----------------------------------------------------------
抢答开始按键检测函数
------------------------------------------------------------*/
void start_keyscan()
{
while(start == 0)
{
key7=0;
display(number_display,second);
if(start == 1)
{
key7=1;
action = 1;
TR0 = 1;
}
}
}
/*-----------------------------------------------------------
抢答者按键检测函数
------------------------------------------------------------*/
uchar key_scan8()
{
if(key1 == 0)
{
delay(8);
if(key1 == 0)
{
number = 1;
number_display = number;
}
}
if(key2 == 0)
{
delay(8);
if(key2 == 0)
{
number = 2;
number_display = number;
}
}
if(key3 == 0)
{
delay(8);
if(key3 == 0)
{
number = 3;
number_display = number;
}
}
if(key4 == 0)
{
delay(8);
if(key4 == 0)
{
number = 4;
number_display = number;
}
}
if(key5 == 0)
{
delay(8);
if(key5 == 0)
{
number = 5;
number_display = number;
}
}
if(key6 == 0)
{
delay(8);
if(key6 == 0)
{
number = 6;
number_display = number;
}
}
if(number_display != 0)
{
return number_display;
}
else
{
return 0;
}
}
/*-----------------------------------------------------------
抢答复位函数
------------------------------------------------------------*/
void reset_keyscan()
{
if(reset == 0)
{
delay(8);
if(reset == 0)
{
number_display = 0;
second=10;
}
}
}
/*-----------------------------------------------------------
主函数
------------------------------------------------------------*/
void main()
{
TMOD=0x01;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=0;
P2=0x00;
while(1)
{
reset_keyscan();
start_keyscan();
if(jia0==0)
{
delay(10);
while(jia0==0)
display(number_display,second);
second=second+1;
}
if(jian0==0)
{
delay(10);
while(jian0==0)
display(number_display,second);
second=second-1;
}
if(jia==0&&a[number-1]<9)
{
delay(10);
while(jia==0)
display(number_display,second);
a[number-1]=a[number-1]+1;
}
if(jian==0&&a[number-1]>0)
{
delay(10);
while (jian==0)
display(number_display,second);
a[number-1]=a[number-1]-1;
}
while(action)
{
while(!key_scan8()) //无人抢答
{
display(number_display,second);
if(second == 0)
{
second = 10;
break;
}
}
TR0 = 0;
key7=0;
delay(80);
display(number_display,second);
key7=1;
action = 0;
break;
}
display(number_display,second);
}
}
/*-----------------------------------------------------------
定时中断
------------------------------------------------------------*/
void timer0() interrupt 1
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
timer0_count ++;
if(timer0_count == 20)
{
second --;
timer0_count = 0;
if(second==0)
{
key7=0;
delay(60);
key7=1;
}
}
}
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