单片机课程设计：八路抢答器设计 精品

摘 要

抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。作为一个单位，如果专门购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因此设计了本抢答器。

本设计是以八路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用ATC51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。 关键词：ATC51 LED数码管 抢答器 计时

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目 录

1 绪 论 .................................................................................................................................... 1

1.1 课题研究的相关背景 ..................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................................. 1 1.3 抢答器目前存在的主要问题 ......................................................................................................... 1

2 抢答器的系统概述 .............................................................................................................. 3

2.1 系统的主要功能 ............................................................................................................................. 3 2.2 系统需求分析 ................................................................................................................................. 4 2.3 抢答器的工作流程 ......................................................................................................................... 4 2.4 抢答器的工作过程 ......................................................................................................................... 5 2.5 ATC51特殊功能寄存器 ............................................................................................................. 6 2.6 ATC51的功能及简介 ................................................................................................................. 7 2.7 抢答器的优点及组成 ..................................................................................................................... 8

3 系统总体方案的设计 ........................................................................................................ 10

3.1 硬件电路的设计 ........................................................................................................................... 10 3.2 总体原理图 ................................................................................................................................... 11 3.3 时钟频率电路的设计 ................................................................................................................... 13 3.4 复位电路的设计 ........................................................................................................................... 14 3.5 显示电路的设计 ........................................................................................................................... 14 3.6 键盘扫描电路的设计 ................................................................................................................... 16 3.7 发声电路 ....................................................................................................................................... 18 3.8 系统复位 ....................................................................................................................................... 19

4 软件设计 ............................................................................................................................ 21

4.1 软件任务分析 ............................................................................................................................... 21 4.2 程序流程图 ................................................................................................................................... 22 4.3 主程序系统结构图 ....................................................................................................................... 23

5 总结 ..................................................................................................................................... 24 附录A: 器件选型方案及详细清单 ....................................................................................... 25 附录B: 主要程序分析 ............................................................................................................ 25 附录C: 实物图........................................................................................................................ 37 参 考 文 献 ............................................................................................................................. 39

II

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1 绪 论

1.1 课题研究的相关背景

抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。

本课题利用ATC51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。系统达到要求：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可是在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法[1]。

1.2 国内外研究现状

抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用[2]。

1.3 抢答器目前存在的主要问题

随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢

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答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

而且目前多数抢答器存在3个不足之处[3]：

第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。

第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。

第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。

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2 抢答器的系统概述

2.1 系统的主要功能

本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、计时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。

参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。

系统的主要功能模块方框图如图2.1所示。

复位电路 开始、结束 按键输入 加一、减一 按键输入 时钟 ATC51 8路抢答 按键输入 图2.1 系统主要功能模块

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4位七段数码管显示 = 声音电路本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。

主持人有开始和结束键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为20s，回答问题时间为30s。通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。

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主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。

本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。主持人依次按下复位键（RESET），开始键后开始抢答。可以抢按：超时数码管显示“FFF”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“FFF”。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。

2.2 系统需求分析

1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。 2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在1～99s设定。

3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。 4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。 5、抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到60s。 6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。 2.3 抢答器的工作流程

抢答器的基本工作原理[4]：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为：系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2所示，下面分别予以介绍。

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加载程序 运 行 正常流程 违规流程 开始 开始前有选手抢按 开始数码管显 示FFF开始抢 按时间倒计时 显示违例选手号码并伴有语音报警 倒计时结 束，超时 有选手 抢按 显示FFF 显示选手号码，倒计 时时间,语音报警，答 题,答题时间倒计时 若超过答题 时间，则数 码管显示FFF 答题完毕 根据选手表现，规 则由主持人减分 图2.2 抢答器工作流程

2.4 抢答器的工作过程

1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下\"加1s\"键，如果想减一秒按一下“减1s”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0~99s， 0s时

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再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

2、主持人按\"抢答开始\"键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设20s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设30s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。

4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下“停止” 键为止。

总而言之，本课题利用ATC51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。

2.5 ATC51特殊功能寄存器

特殊功能寄存器也称专用寄存器[5]，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称SFR（Special Function Register）。特殊功能寄存器共含有22个不同寄存器。它们的地址分配在80H～FFH中，即在RAM地址中。这些寄存器的名称和地址见表2.1。

表2.1 ATC51特殊功能寄存器列表

符 号 *ACC *B *PSW SP DPL DPH *IE *IP *P0 *P1 *P2 *P3 PCON

地 址 E0H F0H D0H 81H 82H 83H A8H D8H 80H 90H A0H B0H 87H

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注 释 累加器 乘法寄存器 程序状态字 堆栈指针

数据存储器指针低8位 数据存储器指针高8位 中断允许控制器 中断优先控制器

端口0 端口1 端口2 端口3

电源控制及波特率选择

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*SCON SBUF *TCON TMOD TL0 TL1 TH0 TH1

98H 99H 88H H 8AH 8BH 8CH 8DH 串行口控制器 串行数据缓冲器 定时器控制 定时器方式选择 定时器0低8位 定时器1低8位 定时器0低8位 定时器1高8位

注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器

虽然特殊功能寄存器地址在80H～FFH之中，但在80H～FFH的地址单元中，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。所以，用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的。

2.6 ATC51的功能及简介

ATC51单片机是ATMAL公司系列单片机的一种8位Flash单片机。它最大特点是片内含有Flash存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用[6]。

ATC51单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口

ATC51是系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。

ATC51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM ，128B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。单片微机内部最核心的部分是CPU。CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条

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件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。

外部定 时元件 系统时钟 定时/计数器 复位 ROM 中断 串行I/O口 并行I/O口 CPU 电源 RAM

图2.3 ATC51单片机的内部结构图

为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图2.3所示。

ATC51的主要性能包括：ATC51与MCS—51控制器系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory），存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电压范围宽：Vcc可由2.7V到6V；全静态工作可由0Hz到16MHz；程序存储器具有3级锁存保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。

2.7 抢答器的优点及组成

在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢

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答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用ATC51单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；利用一个4位七段共阴数码管来完成显示功能。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制4位七段共阴数码管和喇叭工作。在数码管上显示哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。

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3 系统总体方案的设计

3.1 硬件电路的设计

本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面[7]：

(1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。

(2) 留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。

(3) 程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用ATC51单片机。 (4) RAM空间，ATC51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。如选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如62，62256等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。

(5) I/O端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。

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3.2 总体原理图

本原理图是利用Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具

(仿真软件)。它不仅具有其它仿真软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者和单片机爱好者的青睐。在编译方面，它支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器[9]。

Proteus 软件除了可以编辑设计电路原理图，还可以进行电路仿真。首先在画好的电路原理图中选中需要编写程序的芯片，并单击鼠标左键，打开Edition Component对话框，设置单片机晶振频率为12MHZ，在此窗口中的program file栏中，选择之前用keil软件生成的KEIL生成的HEX文件。在Proteus的菜单栏中选择file并Save Desig选项，保存设计。在Proteus的菜单栏中，打开 Debug下拉菜单，在菜单中选中Use start/restart debugging选项，这样proteus中绘制的电路原理图就可以链接上，keil中生成的HEX文件进行仿真了。

打开proteus软件，在File的下拉菜单中找到New Design新建Proteus并选择A4版面，然后保存，这样就完成proteus的新建了。

把元件排布好后，使用导线将各个元件连接起来，最后绘制完成八路扫描式抢答器电路原理图。

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87654321P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.7/RDP3.6/WRP3.5/T1P3.4/T0P3.3/INT1P3.2/INT0P3.1/TXDP3.0/RXD1716151413121110313029EAALEPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A828272625242322219RST18XTAL219XTAL1P0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD032333435363738391212348561112

图3.1 系统仿真原理图

R133p200R33p单片机课程设计

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C1C210uC3100kX1R8R7R6R5R4R3100k100k100k100k100kCRYSTAL0k10R9R2510RU1ATC51LS1SPEAKERU2:A74LS04U474S30单片机课程设计

图中U1为单片机ATC51，U2为芯片74HC30，U3为芯片74LS04。K1~K8分别为8路抢答按键，分别接到单片机的P1.0~P1.7中。开始按键与结束按键分别接到单片机的10、11脚，由于单片机的10、11脚既有串行接口RXD、TXD功能，又有P3.0、P3.1的IO端口功能，此处按键用到单片机10、11脚的IO端口功能。抢答时间调整按键和回答时间调整按键分别接到单片机的13、14管脚，加一按键和减一按键分别接到单片机的15、16管脚。4位七段数码管段选P0口。4位七段数码管的位选接P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.7口[8]。

3.3 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。时钟电路如图3.2所示。

图3.2 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。C1，C2的典型值为20PF。

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，常用fosc表示。图中时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12µs。

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3.4 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，其电路图如图3.3所示：

图3.3 复位电路

图3.3中由按键RESET1以及电解电容C3、电阻R2构成按键及上电复位电路。由于单片机是高电平复位，所以当按键RESET1按下时候，单片机的9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从0000H开始执行。

值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能，该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位，所以设定了软复位功能。软复位实际上就是当程序执行完毕之后，将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。

3.5 显示电路的设计

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，

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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。

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口低3位为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字，数码管显示原理如下：

MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,#0feH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET

4位七段数码管显示电路如图7所示。

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图3.4 共阴极数码管

图3.4中数码管采用的是4位七段共阴数码管，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、COM3、COM4分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在图中还有八个1K的电阻，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。

3.6 键盘扫描电路的设计

键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是键盘及矩阵键盘。

它们各有自己的特点，其中键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里我们取10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。

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在本文设计中采用了键盘的方式，本设计中有8个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。如图3.5所示。

图3.5 抢答按键及调整按键

在图3.5中8个抢答按键分别接入单片机的P1.0~P1.7端口，单片机通过读取P1.0~P1.7的值来判断当前输入的是8个抢答按键中的哪一个。抢答时间调整和回答时间调整接到单片机的P3.3和P3.4接口，加一及减一按键接到单片机的P3.5和P3.6接口。

图3.6 开始、结束按键

在图3.6中，开始及结束按键接到单片机的10、11脚，这里用到了单片机10、11脚复合功能中的IO端口功能，单片机通过读取10、11脚的P3.0、P3.1的IO端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。

按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不

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妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms，例如取10-20ms。如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。

K1～K8八个按键的输入电平靠74HC30输入与非门和74LS04反向器组成的电路改变输入电平。图3.7中电路就是由一个74HC30输入与非门和74LS04反向器组成的去抖电路。

图3.7 去抖电路

3.7 发声电路

我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。

本文设计如图3.8所示。图中单片机的14脚输出具有复合功能，此处用到了单片机17脚的IO端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。

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图3.8 发声电路

3.8 系统复位

使CPU进入初始状态，从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过CPU外部的硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。上电复位，人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对片内通用寄存器的内容没有影响。但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。对各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。有的编程人员用020000（LJMP 0000H）作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位，它将阻止同级中断响应。由于软件看门是高级中断，它将阻止说要中断响应，由此可见清除中断激活标志的重要性。

在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。出错处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。

程序一般先关中断，以便后续处理能顺利进行，然后用两个RETI指令代替两个LJMP指令，从而清除了两级中断激活标志。有相应软件陷阱捕捉来的程序可能没有全部激活两个标志，这也无妨。

有复位时系统的历史状况，可将复位分为“冷启动”和“热启动”。 “冷启动”时，

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系统的状态全部无效，进行彻底的初始化操作；而“热启动”时，对系统的当前状态进行修复和有选择的初始化。系统初次上电投入运行时，必须是“冷启动”，以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为“热启动”初次上电投入运行时，必须是“冷启动”，以后由抗干扰措施引起的复位操作一般均为“热启动”。为了使系统能正确决定采用何种启动方式，常用上电标志来区分，如图3.9所示。

复位 关中断，设定堆栈 上电标志 冷启自检 全面初始热启动恢复被破坏的信息部分初始化 建立上电标志 开始运转

图3.9 系统复位策略图

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4 软件设计

4.1 软件任务分析

软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了[9]。

软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。从软件的功能来看可分为两大类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。

软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义）。在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。

各执行模块规划好后，就可以监控程序了。首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。这如同当一名操作工人比较容易，而当一个厂长就比较难了。

软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。

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4.2 程序流程图

在本设计中包括了以下主要的程序：主程序，查询程序，非法抢答程序，抢答时间调整程序，回答时间调整程序，倒计时程序，正常抢答处理程序，犯规处理程序，显示及发声程序。主流程图如4.1所示：

初始化 显示FFF 开始键 加一键 减一键 回答 时间 图4.1 程序设计流程图

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Y 去抖动 Y Y 非法抢 答处理 调整抢 答时间 显示 犯规 正常 抢答 显示抢答 号并倒计时 单片机课程设计

4.3 主程序系统结构图

系统初始化模块 按键模块 非法抢答模块 正确抢答模块 调整抢答时间 调整回答时间数码显示模块

图4.2软件系统结构图

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5 总结

基于单片机八路扫描式抢答器的设计是我在广泛参加校团委和学院各项活动的亲身经历后，发现如果添加抢答器这样的简易实用的活动道具，一定能使活动更加公平公正而又妙趣横生。因此，我主动选择该课题，并通过姜老师和余老师的的指导以及同学间的切磋认真而饶有兴致的完成了本次课程设计。

本次课程设计在软、硬件设计成熟后，通过亲手焊接电路板和烧制程序，最终实现设计指标，基本完成的课程设计任务。其主要功能为：

1、开始抢答时间20秒（时间可调）；

2、八位选手抢答过程通过扫描方式在LED灯处显示出最先按键的选手编号，并有30秒的答题时间（答题时间可调），超过答题时间则蜂鸣器警告；

3、一轮结束后复位即可重新开始；

4、以上抢答时间和答题时间均设计为可调。 回头再看看该设计，还可以将设计的扩展功能增强：

1、可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能； 2、增加记分模块，可以设定初始积分，并记录每次抢答完成后的积分； 3、将抢答按键用无线实现，如红外线，使抢答者可以远距离进行抢答，并简化按键模块的线路布置。

如果提供相应的器材及时间上的宽限，一定可以完成上述扩展功能，进一步完善作品。

本设计是在姜静老师的指导下完成的。感谢老师在论文的选题、设计方案的确定，设计的进行以及最后的设计说明书的撰写整个过程中给予我细心的指引和教导，使我能顺利完成毕业设计。老师渊博的知识、敏锐的学术思维、严谨的治学态度、求实的科学态度和工作作风以及创新的工作精神，令我终身受益，是我毕生学习的典范，值此论文完成之际，谨向姜老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

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附录A: 器件选型方案及详细清单

微控制器选用ATMAL公司生产的ATC51，该芯片货源充足，并且价格也比较便宜。如表1所示。

表1 器件选型方案的详细清单

器件名称 微处理器

芯片 电阻 电容 晶振 按钮 7段数码管 扬声器

规格型号 ATC51 74LS04 74HC30 3WATT10K 20PF 12MHZ

7SEG-MPX4-CA

数量 1 1 1 8 3 1 11 4 1

附录B: 主要程序分析

主程序：

OK EQU 20H ;抢答开始标志位 RING EQU 22H ;响铃标志位

DATA0 EQU 36H ;抢答按键口数据存放地址

ORG 0000H

AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTT0 ORG 000BH AJMP T0INT ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040H

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MAIN: MOV R1,#20 ;初设抢答时间为20s MOV R2,#30 ;初设答题时间为30s MOV 38h,#60 ;启用锦囊时间从60s倒计时 MOV TMOD,#11H ;设置未定时器/模式1 MOV TH0,#0F0H

MOV TL0,#0FFH ;越高发声频率越高,越尖 MOV TH1,#3CH

MOV TL1,#0B0H SETB EA SETB ET0

SETB ET1 CLR OK CLR RING SETB TR1

SETB TR0 查询程序：

START: MOV DATA0,#0FFH MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH MOV R3,#0BH

ACALL DISPLAY JNB P3.3,SELSUB0

JNB P3.4,TZ3

JB P3.0,NEXT

ACALL DELAY

JB P3.0,NEXT SETB EX0

;50ms为一次溢出中断 ;允许二个中断,T0/T1 ;一开始就运行定时器,以开始显示

FFF.如果想重新计数,重置TH1/TL1就可以了 ;初始化 ;未开始抢答时候显示FFF ;倒计时调整 ;去抖动,如果“开始键”按下就向下

执行,否者跳到非法抢答查询

;开放INT0

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ACALL BARK ;按键发声

MOV A,R1

MOV R6,A ;送R1->R6,因为R1中保存了抢答时间 SETB OK ;抢答标志位,在使用锦囊时用作判断

是抢答倒计时还是回答倒计时

MOV R3,#0AH ;抢答只显示计时,灭号数 AJMP COUNT NEXT: JNB P1.0,FALSE1 JNB P1.1,FALSE2 JNB P1.2,FALSE3 JNB P1.3,FALSE4 JNB P1.4,FALSE5 JNB P1.5,FALSE6 JNB P1.6,TZ1 JNB P1.7,TZ2 AJMP START TZ1: AJMP FALSE7 TZ2: AJMP FALSE8 TZ3: AJMP SELSUB1

非法抢答处理程序：

FALSE1: MOV R3,#01H AJMP ERROR FALSE2: MOV R3,#02H AJMP ERROR FALSE3: MOV R3,#03H AJMP ERROR FALSE4: MOV R3,#04H AJMP ERROR

;进入倒计时程序,“查询有效抢答

的程序”在COUNT里面

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FALSE5: MOV R3,#05H AJMP ERROR FALSE6: MOV R3,#06H AJMP ERROR FALSE7: MOV R3,#07H AJMP ERROR FALSE8: MOV R3,#08H AJMP ERROR

SELSUB0(抢答时间R1调整程序)：SELSUB0: MOV A,R1 MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A MOV R4,B MOV R3,#0AH

ACALL DISPLAY JNB P3.5,INC0 JNB P3.6,DEC0 JNB P3.1,BACK0 AJMP SELSUB0 INC0: MOV A,R1

CJNE A,#63H,ADD0 MOV R1,#00H ACALL DELAY1 AJMP SELSUB0 ADD0: INC R1 ACALL DELAY1 AJMP SELSUB0

;先在两个时间LED上显示R1 ;P3.5为+1s键,如按下跳到INCO ;P3.6为-1s键,如按下跳到DECO ;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO ;如果不是99,R2加1,如果加到99,R1

就置0，重新加起。

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DEC0: MOV A,R1

JZ SETR1 ;如果R1为0, R1就置99， DEC R1

ACALL DELAY1 AJMP SELSUB0 SETR1: MOV R1,#63H ACALL DELAY1 AJMP SELSUB0 BACK0: AJMP START

SELSUB1(回答时间R2调整程序)：SELSUB1: MOV A,R2 MOV B,#0AH DIV AB MOV R5,A MOV R4,B MOV R3,#0AH ACALL DISPLAY JNB P3.5,INC1 JNB P3.6,DEC1 JNB P3.1,BACK1 AJMP SELSUB1 INC1: MOV A,R2

CJNE A,#63H,ADD1 MOV R2,#00H ACALL DELAY1 AJMP SELSUB1 ADD1: INC R2

ACALL DELAY1 AJMP SELSUB1

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DEC1: MOV A,R2

JZ SETR2 DEC R2 ACALL DELAY1 AJMP SELSUB1 SETR2: MOV R2,#63H ACALL DELAY1 AJMP SELSUB1 BACK1: AJMP START 启用锦囊程序：

REPEAT:MOV A,38h ;使用锦囊时重新计时 MOV R6,A

CLR RING ;当倒计时进入最后5秒的时候，启用锦囊能消除蜂鸣

倒计时程序(抢答倒计时和回答倒计时都跳到改程序)：

COUNT: MOV R0,#00H ;重置定时器中断次数 MOV TH1,#3CH

MOV TL1,#0B0H ;重置定时器

RECOUNT:MOV A,R6 ;R6保存了倒计时的时间，之前先将抢答时间或回答时间给R6

MOV B,#0AH

DIV AB ;除十分出个位/十位 MOV 30H,A ;十位存于(30H) MOV 31H,B ;个位存于(31H) MOV R5,30H ;取十位 MOV R4,31H ;取个位 MOV A,R6 SUBB A,#07H

JNC LARGER ;大于5s跳到LARGER，小于等于5s会提醒 MOV A,R0

CJNE A,#0AH,FULL ;1s中0.5s向下运行

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CLR RING AJMP CHECK

FULL: CJNE A,#14H,CHECK ;下面是1s的情况，响并显示号数并清R0，重新计算

SETB RING MOV A,R6

JZ QUIT ;计时完毕 MOV R0,#00H

DEC R6 AJMP CHECK LARGER: MOV A,R0

CJNE A,#14H,CHECK DEC R6 MOV R0,#00H

CHECK: JNB P3.1,QUIT JNB OK,CHECKK AJMP NEXTT

CHECKK:JNB P3.0,REPEAT NEXTT: ACALL DISPLAY

JB OK,ACCOUT AJMP RECOUNT ACCOUT:MOV A,DATA0 JNB ACC.0,TRUE1 JNB ACC.1,TRUE2 JNB ACC.2,TRUE3 JNB ACC.3,TRUE4 JNB ACC.4,TRUE5 JNB ACC.5,TRUE6 JNB ACC.6,TZ7 JNB ACC.7,TZ8

;一秒标志减1 ;如果1s向下运行，否者跳到“停/显示” ;计时一秒R6自动减1 ;如按下停止键退出 ;只在回答倒计时才有效 ;判断是否使用锦囊 ;如果是抢答倒计时，如是则查询抢答，否者

跳过查询继续倒数(这里起到锁抢答作用)

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AJMP RECOUNT TZ7: AJMP TRUE7 TZ8: AJMP TRUE8

QUIT: CLR OK ;如果按下了“停止键”执行的程序 CLR RING AJMP START

正常抢答处理程序：

TRUE1: ACALL BARK MOV A,R2

MOV R6,A MOV R3,#01H

CLR OK AJMP COUNT TRUE2:ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#02H CLR OK AJMP COUNT TRUE3:ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#03H CLR OK AJMP COUNT TRUE4:ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#04H

;抢答时间R2送R6 ;因为答题的计时不再查询抢答，所以就锁了抢答32

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CLR OK AJMP COUNT TRUE5: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#05H CLR OK AJMP COUNT TRUE6: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#06H CLR OK AJMP COUNT TRUE7: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#07H CLR OK AJMP COUNT TRUE8: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#08H CLR OK AJMP COUNT

犯规抢答程序：

ERROR: MOV R0,#00H MOV TH1,#3CH

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MOV TL1,#0B0H

MOV 34H,R3 ;犯规号数暂存与(34H) HERE: MOV A,R0

CJNE A,#06H,FLASH ;0.3s向下运行->灭并停响 CLR RING MOV R3,#0AH MOV R4,#0AH

MOV R5,#0AH AJMP CHECK1

FLASH: CJNE A,#0CH,CHECK1 SETB RING MOV R0,#00H

MOV R3,34H MOV R5,#0BH

MOV R4,#0BH AJMP CHECK1 CHECK1: JNB P3.1,QUIT1 ACALL DISPLAY AJMP HERE QUIT1: CLR RING CLR OK AJMP START 显示程序：

DISPLAY:MOV DPTR,#DAT1 MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,#0feH

；三灯全灭 ;下面是0.8s的情况，响并显示号数并清

R0，重新计算

;取回号数 ;显示FF和号数 ;查表显示程序，利用P0口做段选码口输

出/P2低三位做位选码输出

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MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4

MOVC A,@A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET

DAT1:DB 00h,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H ;\"灭\灭\

DAT2:DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H ;第一个为零,其他与上相同,因为十位如果为零显示熄灭

加减时间延时(起到不会按下就加N个数)：

DELAY1: MOV 35H,#08H LOOP0: ACALL DISPLAY DJNZ 35H,LOOP0 RET

延时(显示和去抖动用到)：

DELAY: MOV 32H,#12H LOOP: MOV 33H,#0AFH LOOP1: DJNZ 33H,LOOP1 DJNZ 32H,LOOP

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RET 发声程序：

BARK: SETB RING ACALL DELAY1 ACALL DELAY1

CLR RING ;按键发声 RET

TO溢出中断(响铃程序) ：

T0INT: MOV TH0,#0ECH MOV TL0,#0FFH JNB RING,OUT;

CPL P3.7 OUT: RETI

T1溢出中断(计时程序)：

T1INT: MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H INC R0 RETI 中断服务程序：

INTT0: MOV DATA0,P1 CLR EX0 RETI END

;RING标志位为1时候P3.7口不断取反使喇

叭发出一定频率的声音

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附录C: 实物图

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实物图（反面）

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参 考 文 献

[1]程相波,卫安军.基于MCS-51单片机的八路抢答器设计方法研究[J].北京工业职业技术学院学报,2007,(2).

[2]林凌,李刚,丁茹,李小霞.新型单片机接口器件与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005年.

[3]李增生.对《抢答器》的改进[J].电子制作,2000,(12). [4]马轲瀛.八路数字抢答器系统[J].华商，2007,(23).

[5]高伟.AT单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社，2008年.

[6]蔡朝阳.单片机控制实习与专题制作[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006年. [7]杨凌霄.微型计算机原理及应用[M].江苏:中国矿业大学出版社,2004年. [8]丁建伟.抢答器电路设计[J].兰州工业高等专科学校学报,2008,(04). [9]胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].北京:北京电子工业出版社，2005年.

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