位競賽搶答器課程設(shè)計

1、1. 原理分析（by張瀟） 1.1設(shè)計任務(wù) 1. 2性能指標(biāo) 1. 3工作原理 2. 方案選擇（by張瀟） 2. 1方案設(shè)定 2. 2方案比較 2. 3方案選擇 3. 電路原理圖繪制及仿真（by王倩） 3. 1所需元器件型號及數(shù)量 3. 2電路原理圖 3. 3電路仿真結(jié)果 4. Pcb圖繪制（by朱文廣） 4. 1 pcb繪制步驟 4.2 pcb繪制原則 4. 3 8路搶答器pcb圖 5. 綜合調(diào)試（by朱文廣） 5.1軟件調(diào)試 5. 2硬件調(diào)試 6. 總結(jié)（by王倩） 附錄1：電路仿真圖 附錄2:8路搶答器完整程序 1 原理分析（by張瀟） 1. 1設(shè)計任務(wù) 以單片機(jī)為核心，設(shè)計一個8位競賽

2、搶答器，同時供8名選手或8個代表隊比賽設(shè)置一個 系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S,開關(guān)由主持人控制。 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，并在優(yōu)先搶答選手的編號 直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。 搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間可由主持人設(shè)定。 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 號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。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性能指標(biāo) 電源電壓：直流5V土 10% 選手組數(shù)：2-8組 初始搶答倒計時：20s 初始回答倒計時：30s 倒計

3、時范圍：1-99S可設(shè) 倒計時提示時間：最后5s 1. 3工作原理 八路數(shù)字搶答器原理框圖如圖1所示，其工作原理為：接通電源后，主持人未按下開 始搶 答，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，數(shù)碼管顯示“-”;主持人宣布“開始”同時按下開始搶 答按 鍵，搶答倒計時開始計時，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，回答倒計時開始計時、禁止二 次搶答、數(shù)碼管顯示搶答選手編號以及回答剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作清 除和開始狀態(tài)開關(guān)。 圖1八路搶答器原理框圖 2. 方案選擇（by張瀟） 2. 1方案設(shè)定 方案一以AVF單片機(jī)為主控

4、制芯片，顯示電路用LCD1602實(shí)現(xiàn)，用機(jī)械開關(guān)按鈕作為控制 開關(guān)，實(shí)現(xiàn)搶答輸入信號的觸發(fā)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，性能可 靠，能方便地完成選手搶答的基本功能。 方案二該系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)AT89C51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)。幣個系統(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。 2.2方案比較 方案一由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路連接集成電路相對較多，而且過于復(fù)雜，并且制作過程工序比 較煩瑣，使用不太方便，

5、同時AVR的編程一般需要gcc或者icc,有特定的環(huán)境，與51相比，稍微復(fù)雜一點(diǎn)，資料也沒有 51多，而且對于初學(xué)者，51使用起來更得心應(yīng)手一些。 方案二使用的51單片機(jī)可靠性好功能性強(qiáng)，比起方案一，系統(tǒng)更具有靈活的可編程性，周 圍輔助電路也不多，簡單可靠成本低，對于學(xué)生來說，不失為一個更優(yōu)選。 2. 3方案選擇 綜上所述，方案二比方案一更具有可行性，因此我們選擇使用AT89C51單片機(jī)為主控制 器，外加4位數(shù)碼管顯示電路和報警電路、按鍵電路的組合，來完成我們8路搶答器的設(shè)計。 3. 電路原理圖繪制及仿真（by王倩） 3. 1所需元器件型號及數(shù)量 元器件名稱 數(shù)量 四位一體共陰數(shù)碼管 1 4.

6、 7K電阻 1 S8550三極管 1 單片機(jī) 1 40腳IC座 1 12M晶振 1 22P電容 2 10uF電容 1 10K電阻 1 1K排阻 1 按鍵 15 DC座 1 口鎖開關(guān) 1 導(dǎo)線 若干 蜂鳴器 1 3.2電路原理圖 圖2 8路搶答器總體電路圖 如圖2所示，該搶答器由主控制器AT89C51控制，外圍顯示電路、脈沖產(chǎn)生電路 和按鍵電路構(gòu)成。電路通電后打開電源開關(guān)，支持人按下開始鍵即開始搶答倒計時， 倒計時時間和回答問題時間均可由主持人自由設(shè)定。倒計時最后5s時蜂鳴器會發(fā)出提 示聲。若有選手搶答成功，就開始回答倒計時，無人搶答則返回到最初狀態(tài)。 3. 3電路仿真結(jié)果 見附錄lo 4. P

7、cb圖繪制（by朱文廣） 4. 1 pcb繪制步驟 建立元件庫。將自己所需的所有元件放入自己設(shè)計的pcb庫專用設(shè)計文件。 規(guī)劃電路板，主要是確定電路板的邊框，包扌舌電路板的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上適當(dāng)大小的焊 盤。 注意：在繪制電路板地邊框前，一定要將當(dāng)前層設(shè)置成Keep Out層，即禁止布線層。 導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表文件和修改零件封裝。 設(shè)置布局。Protel99可以進(jìn)行自動布局，也可以進(jìn)行手動布局。如果是手動布局，用鼠標(biāo)選中一個元件， 按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖住這個元件到達(dá)目的地，放開左鍵，將該元件固定。 根據(jù)情況再作適當(dāng)調(diào)整然后將全部器件鎖定。放好后用VIEW3D功能察看一下實(shí)際效果，

8、存盤。 4. 2 pcb繪制原則 印制電路板（PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件.它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著 電于技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大因此，在進(jìn)行PCB設(shè) 計時必須遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布 設(shè)是很重要的。為了設(shè)計質(zhì)量好。造價低的PCB,應(yīng)遵循以下一般原則： A. 布局。首先，要考慮PCB尺寸大校PCB尺寸過大時，卬 制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定 PCB尺寸后再 確定特殊元件的位置。最

9、后，根 據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局。 B. 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的 元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。 C. 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。 帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。 不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。 E對于電位器?？烧{(diào)電感線圈?？勺冸娙萜?。微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。 若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在卬制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕

10、在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。 F. 應(yīng)留岀印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進(jìn)行 布局時，要符合以下原則： a. 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致 的方向。 b. 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻。整齊。緊湊地排列在PCB 上盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。 c. 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這 樣，不但美觀而且裝焊容易易于批量生產(chǎn)。 d. 位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2nmio電路板的最佳形狀為矩

11、形。長寬比為 3:2成4:3o電路板面尺寸大于200 x150mm時應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。 G. 布線。布線的原則如下： a. 輸入輸岀端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋藕合。 b. 卬制攝導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基扳間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。 c. 卬刷線路板的布線要注意以下問題： 專用零伏線，電源線的走線寬度 1mm電源線和地線盡可能靠 近，整塊卬刷板上的電源與地要呈井”字形分布，以便使分布線電流達(dá)到均衡；要為模擬電路專門提供一根 零伏線；為減少線間串?dāng)_，必要時可增加卬刷線條間距離，在意；安插一些零伏線作為線間隔離；印刷電路的插頭也要多 安排一

12、些零伏線作為線間隔離；特別注意電流流通中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸；如有可能在控制線（于 卬刷板上）的入口處加接R-C去耦，以便消除傳輸中可能岀現(xiàn)的干擾因素；卬刷弧上的線寬不要突變，導(dǎo)線不 要突然拐角（9 （度）。 d. 焊盤。焊盤要比器件引線直徑大一些。但焊盤太大易形成虛焊。焊 盤外徑D 般不小于（d+1. 2） mm, 其中d為引線孔徑。對高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可?。╠+1.0） mmo H. 電源線設(shè)計：根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時。使電源線 地線的走向和 數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。 I. 地線設(shè)計原則： a. 數(shù)字地與模擬地分開。若線

13、路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地 應(yīng)盡量采用單 點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租，高頻元件周圍 盡量用柵格狀大而積地箔。 b. 接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。 因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過三倍于卬制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在23mm以上。 c. 接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的卬制板，其接地電路布成閉環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。 4.3 8路搶答器pcb圖 圖38路搶答器pcb圖 5綜合調(diào)試(by朱文廣) 5.1軟件調(diào)試 該程序定義P1

14、.0-P1.7為八路搶答輸入數(shù)碼管段選P0 口，位選P2 口，蜂鳴器輸岀為P2.0 口。P3. 1為開 始搶答， P3. 2為搶答時間設(shè)置按鍵，P3.3為回答時間設(shè)置按鍵，P3.4為時間加，P3.5為時間減，P3. 6為停止。程序流程圖見圖 具體程序見附錄2。 5. 2硬件調(diào)試 (a )接通電源 (c)回答倒計時 搶答倒計時 (d)自主設(shè)定倒計時時間 圖5整機(jī)調(diào)試圖 6總結(jié)(by王倩) 這次綜合課程設(shè)計是我們在大學(xué)第一次真正意義上的完成的一個作品，從最開始的原理分 析、方案選擇，到后來的調(diào)試，最后得到一個成品。這次的實(shí)驗(yàn)對我們組的成員來說，是一個 很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀冎岸紱]有參加過比賽，而我

15、們這一屆也與電子設(shè)計大賽無 緣，所以， 不管是分工合作方面還是技術(shù)方面，我們都不看好自己。但是我們都沒有退縮，因?yàn)槲覀兌伎?望成功，無論如何，我們都相信努力才會有結(jié)果，堅持成了我們心中唯一的信念。 最后我們用實(shí)際行動證明了自己，巨大的滿足感讓我們都興奮不已。我們完成了預(yù)期的目標(biāo)，而且我們收獲到的，不只是這個實(shí)驗(yàn)的成功，而是我們團(tuán)隊的合作經(jīng)歷和難得的經(jīng) 驗(yàn)。 單片機(jī)是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，很多人都想學(xué)習(xí)單片機(jī)，并且想知道如何 學(xué)習(xí) 單片機(jī)。通過這次實(shí)驗(yàn)，我們深深地體會到，學(xué)單片機(jī)不僅要學(xué)習(xí)理論知識，實(shí)踐操 作也很重 要。相信很多學(xué)過單片機(jī)的人都有這樣的經(jīng)歷，就是把自己寫的程序燒錄到單片機(jī)

16、里面的時候 會發(fā)現(xiàn)與自己想要的結(jié)果有很大的不同。這就是實(shí)踐操作太少，經(jīng)驗(yàn)不足的緣故。 這個實(shí)驗(yàn)對我們小組來說，最難的莫過于寫程序。所以我們的程序是仿寫的，從網(wǎng)上 下了 很多類似的程序，一邊調(diào)試一邊改，最后找出了最適合我們的需求的總程序。在電路制作方面， 對我們來說也是個難題，畫pcb完全是現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，但值得慶幸的是，我們學(xué)會了，雖然最后畫 出來的圖也沒有盡如人意。我們還是不夠仔細(xì)，在按鍵電路的部分沒有加 入電阻，也沒有防抖 動部分，希望下次我們可以做得更好更加完善。 在這個實(shí)驗(yàn)前期，我們都忽略了一個大問題，那就是謹(jǐn)慎。不管是程序的改進(jìn)，還是 電路 的封裝，還是電路焊接，還是整機(jī)調(diào)試，每一個過程都

17、需要我們謹(jǐn)慎小心對待，一旦 出錯，我 們就得不到想要的結(jié)果。這雖然是一個小實(shí)驗(yàn)，但對于我們的生活態(tài)度也有一定 的影響。對待 任何事情，我們都要百分百用心，仔細(xì)認(rèn)真，并堅持不懈，總會有成功的一天。 最后，感謝老師的悉心教導(dǎo)，耐心地為我們解決難題，讓我們可以有今天的進(jìn)步。 附錄1:電路仿真圖 附錄2: 8路搶答器完整程序 include/51 include/ . 1 / #define uchar unsigned char/ 系列單片機(jī)定義文件 調(diào)用_nop_（）;延時函數(shù)用 無符號字符（8位） #define uint unsigned int / 無符號整數(shù)（16位） bit OK; /

18、開始搶答標(biāo)志位，響鈴標(biāo)志位 sbit speak=P2A0;/ sbit start二P3A1; sbit end=P3A6; 聲音輸出口 /開始 /終止 sbit add二P3A4;/+ sbit sub二P3A5;/- /其屮搶答設(shè)置時間， 以及回答設(shè)置時間，采用的是單片機(jī)中斷口 P3.2以及p3.3 ,故不用定義 sbit S1二P2A1;/ 第一個數(shù)碼管 sbit S2二P2A3;/ 第二個數(shù)碼管 sbit S3=P2A5;/ sbit S4=P2A7;/ 第三個數(shù)碼管 第四個數(shù)碼管 uchar Q_T=20, H_T=30, qt, ht; uchar a=ll, b=ll, c二1

19、1, d=ll, n, m=0, k; /初始搶答時間，回答時間 /數(shù)碼管顯示選手編號與計數(shù)值，計時器中斷 次數(shù)，犯規(guī)選手號 卅 * 材*榊*榊材 *代*/ uchar code dis_7 = 0 x5F, 0 x44, 0 x9D, 0 xD5, 0 xC6, 0 xD3, OxDB, 0 x45, OxDF, 0 xD7, 0 x00, 0 x80; /* 共陽七段 LED 段碼表乜 3 4 5 6 7 8 9 不亮-*/ 毫秒延時子函數(shù) void delaylms(uint t) 1 uint i, j; for(i=0;it;i+) for(j-0;j120;j+) 響鈴標(biāo)志子程序

20、* 材* 材* * void nose() speak=0; delaylms(500); speak=l; J*#*#*#*#*我* void display() 顯示子程序*/ 009090* P0=dis_7a; /第一個數(shù)碼管顯示 S1 二0; delaylms(5); S1二1； P0=dis_7U; S2=0; delaylms (5); S2=l; P0=dis_7b; S3=0; delaylms(5); S3=l; PO二dis_7c; S4=0; delaylms(5); S二 1 /打開第一個數(shù)碼管顯示 /稍作延時 /關(guān)閉數(shù)碼管顯示 void false () 非法搶答*

21、/ vtx kIx kIxkIzkIxvlxxlx xlx JxJJ7 7 if (Pl!=Oxff) / 如果pl 口不等于ff ,則執(zhí)行下程序，否則跳過 m=l; if (Pl=Oxfb) m=2; 辻(Pl=Oxfd) m=3; 辻（Pl=0 xf7） /I 號選手違規(guī)按下 / 賦值1,送顯示 /2號選手違規(guī)按下 / 賦值2,送顯示 3號選手違規(guī)按下 賦值3,送顯示 m=4; /賦值4,送顯示 if (Pl=Oxef) /5號選手違規(guī)按下 m 二 5; /賦值5,送顯示 辻(Pl=Oxdf) /6號選手違規(guī)按下 m 二 6; /賦值6,送顯示 if(Pl=Oxbf) /7號選手違規(guī)按下

22、m 二 7; /賦值7,送顯示 if(Pl=0 x7f) /8號選手違規(guī)按下 m 二 8; /賦值8,送顯示 n二0; /計數(shù)器中斷次數(shù)清零 while (end=l) /停止按鍵未按下，循環(huán)以下 辻(n=6) /蜂鳴器關(guān)閉 /若計數(shù)器屮斷次數(shù)大于等于6 ,則執(zhí)行以下程序 a=m;b=ll;c=ll; /a 賦值違規(guī)選手號數(shù)，b, c賦值11,顯示數(shù)碼管中間一橫 display (); speak二0; /開啟蜂鳴器 /延時 if(n=20) n=0; /若計數(shù)器中斷次數(shù)等于 20,則執(zhí)行以下程序 清零 speak=l;m=0; a=10;b=10;c=10; /關(guān)閉蜂鳴器；違規(guī)搶答位清零 /

23、a, b, c均賦值10 /xjc zjc xjcxjc zjczC zjc zjczC zjc zjczC zjc / main() TMOD=Oxll; TH0=0 x3c; TLO=OxbO; EA=1; ETO=1; EXO=1; EX1=1; 0K=0; speak=l; TRO二1; while(1) /無盡循環(huán) display () ; / 顯示程序 while(start=l) / false (); display (); if(start=0) / while(start=O); / 開始未按下，循環(huán)以下程序 違規(guī)子程序 顯示子程序 若開始按鍵按下，則執(zhí)行以下程序 dela

24、ylms(2); 稍作延時,防止抖動 若開始按鍵按下，則執(zhí)行以下程序 / / nose() ; / 0K=l; / TRO二0; qt二Q_T; / 響鈴子程序 開始搶答標(biāo)志位 n=0-/ 搶答時間賦初值計數(shù)器中斷次數(shù)清零 wh訂e(qtO 滬10; /a賦值10 bpt/10; /b賦值搶答時間十位 c=qt%10; display (); if(n20) n二0; qt； /c賦值搶答時間個位 調(diào)用顯示speak二1; /若計數(shù)器中斷大于 20,則執(zhí)行以下程序 /n清零 /搶答時間減1 辻(qt=5) /如果搶答時間小于等于5,則執(zhí)行以下程序 if(n7) speak二0; 辻(qt=O)

25、/如果搶答時間等于0 a=10;b二10;c=10;d=10;OK二0;speak=l;m=0;n=0; /則a,b,c,d均置10 ;搶答標(biāo)志，響鈴關(guān)閉，選手號，計數(shù)器中斷數(shù)均清零 辻(end=0)/如果主持人按下終止按鍵 a=10;b二10;c=10;d二10;0K二0;speak=l;m=0;n=0; /則a, b, c, d均置10 ；搶答標(biāo)志，響鈴關(guān)閉，選手號，計數(shù)器屮斷數(shù)均清零辻(PlUOxff) /如果有選手按 下按鈕，則執(zhí)行以下程序 k=Pl; /pl 口數(shù)值賦給k nose (); /響鈴子程序 if(k=0 xf7) /比較k的值 m二1; /賦對應(yīng)選手號給m if(k=O

26、xfb) /跟以上一樣，以下以此類推 m 二 2; 辻(k=Oxfd) m 二 3; if (k=0 xfe) m=4; if (k=0 xef) m 二 5; if(k=0 xdf) m 二 6; if(k=0 xbf) m=7; if(k=0 x7f) m=8; n二0; /n 清零 ht=H_T; / 回答時間賦初值 while(end=l / 打開計時器 a=m; /a 賦值選手號 b=ht/10; /b 賦值回答時間十位 c=ht%10; display (); speak=l; /c / 賦值回答時間個位 調(diào)用顯示子程序 辻(n=20) / 如果計時器屮斷次數(shù)等于 20,則執(zhí)行以下程序 n二0; / 清零 ht; if (ht=5) 辻(n7) speak=0; / 回答時間減1 / 如果回答時間小于等于 5,則執(zhí)行以下程序 a=10;b二10;c=10;d二10;OK二0;speak=l;m=0