Question

设计一个智力竞赛抢答器可同时供8人参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮

按钮的编号与选手的编号分别是S0、相对应， S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答开始。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有某一参赛者首先按下抢答开关时，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30s）。当主持人启动开始按钮后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5s左右。
电路具有回答问题时间控制功能。要求回答问题的时间小于等于100秒（显示为0～99），时间显示采用倒计时方式。当达到限定时间时，发出声响以示警告。如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。

Answer 1

第一章抢答器设计功能分析
1.1 数字抢答器的概述
对于抢答器我们大家来说都不陌生，它是用于很多竞赛场合，真正实现先抢先答，让最先抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。
1.2 设计任务与要求
基本要求：
1. 给主持人设置一个开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。
2. 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答器按钮，编号立即锁存，并在LED数码上显示选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
发挥部分：
1. 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30秒）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。
2. 参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
3. 如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。
4. 选手如果在主持人按开始键之前违规抢答，系统报警，LED显示违规选手号码和FF，直到主持人按下停止键。

第二章 抢答器方案论证
抢答器的实现方式有种多样，通过纯电子器件搭建电路实现，如优先编码器，锁存器，555定时器译码器等，纯电子器件实现没有软件参与，调试简单，但是它不易于扩展和修改，而且电路结构复杂，调试困难电子，电子器件管脚很多，实际搭建起来费时费力，焊接很容易出错。于是，我想到了用单片机实现。单片机体积小价格低，应用方便，稳定可靠。单片机将很多任务交给了软件编程去实现，大大简化了外围硬件电路，使外围电路的实现简单方便。由于单片机本身不具有软件编译测试的功能，我们需要借助其他软件编译，将编译好的程序“烧”入单片机内。
在实际电路设计中，需要先通过仿真软件测试电路以及编译的程序，检查外围电路设计是否合理，软件编译是否正确，以及软件和硬件电路能否正常配合工作，能否准确的实现所设计的功能。如果测试通过，电路仿真没有问题能完全实现功能的话就可以实际的做板子的焊接工作了。在老师的指导下我选择了常用的单片机仿真软件proteus6.9以及keil 进行仿真。

第三章 硬件电路设计
3.1总体设计
根据抢答器的基本功能，可以设计出如下的单片机外围电路：

图3-1 总体设计
如图3-1，P3.0为开始抢答，P3.2为停止，P1.0-P1.7为八路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器（用绿灯代替）输出为P3.6口。P3.2为时间加1调整，P3.3为时间减1调整。
3.2 外部振荡电路

图3-2 外部振荡电路
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30PF。
3.3 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4所示:

图3-3 复位电路
在方案中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位可使寄存器及存储器的值都恢复到初始值,而前面的功能提到了倒计时间需要有记忆功能,该功能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。
3.1.4 显示电路的设计
显示电路使用了七段数码管7SEG-MPX4-CC，它是共阴极的，由高电平点亮。

图3-4 阴极七段数码管
4.1.5 按钮输入电路的设计
抢答器的输入按钮使用常开开关，

图3-5 抢答按键
这些常开开关组成了抢答按键，硬件电路简单，在程序设计上也不复杂，只要在程序中消除在按键过程中产生的“毛刺”现象就可以了。这里采用最常用的方法即延时法，其的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而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。
3.1.6 发声
这里能利用程序来控制单片机P3.6口线反复输出高电平或低电平，即在该口线上产生一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出一定频率的声音，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，使扬声器发出不同的声音。

第四章 系统软件设计
4.1 程序系统结构图
硬件电路确定后，软件的编程要与硬件相匹配，软硬件才能结合完成所要实现的功能。由功能分析得到以下的软件结构图：

图4-1 软件系统结构图
4.2 程序流程图
整个程序主要由定时器T0、定时器T1、外部中断0和主程序构成。
定时器T0用于使扬声器发声，当需要响铃时，把响铃标志位置一，每次中断都对P3.7取反，扬声器发声，改变定时器初值，可改变扬声器频率。定时器程流程图如下：

图4-2 响铃程序流程图
定时器T1用于倒计时，每次中断为50ms，当计数标志为20时即为一秒，显示数字减一。其流程图如下：

图4-3 倒计时中断流程图
外部中断0用于调整倒计时时间，流程图如下：

图4-4 调整抢答时间流程图

主程序协调三个中断一起工作，实现抢答功能,其流程图如下：

图4-5 主程序流程图

附录：
程序代码：
P3.0为开始抢答，P3.1为停止，P1.0-P1.7为八路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2的低三位口，蜂鸣器输出为P3.6口。
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INT0SUB
ORG 000BH
AJMP T0INT
ORG 001BH
AJMP T1INT
OK EQU 20H ; 抢答开始标志位
RING EQU 22H ; 响铃标志位
ORG 0040H
MAIN: MOV R1,#0FH; 初设抢答时间为15s
MOV R2,#0AH; 初设答题时间为10s
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; 50ms为一次溢出中断
SETB EA
SETB ET0
SETB ET1
SETB EX0
SETB EX1; 允许四个中断,T0/T1/INT0/INT1
CLR OK
CLR RING
SETB TR1
SETB TR0; 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
查询程序:
START: MOV R5,#0BH
MOV R4,#0BH
MOV R3,#0BH
ACALL DISPLAY; 未开始抢答时候显示FFF
JB P3.0,NEXT
ACALL DELAY
JB P3.0,NEXT;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
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,用于COUNT只程序中判断是否查询抢答
MOV R3,#0AH; 抢答只显示计时,灭号数
AJMP COUNT;进入倒计时程序,"查询有效抢答的程序"在COUNT里面
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,FALSE7
JNB P1.7,FALSE8
AJMP START
非法抢答处理程序:
FALSE1: ACALL BARK; 按键发声
MOV R3,#01H
AJMP ERROR
FALSE2: ACALL BARK
MOV R3,#02H
AJMP ERROR
FALSE3: ACALL BARK
MOV R3,#03H
AJMP ERROR
FALSE4: ACALL BARK
MOV R3,#04H
AJMP ERROR
FALSE5: ACALL BARK
MOV R3,#05H
AJMP ERROR
FALSE6: ACALL BARK
MOV R3,#06H
AJMP ERROR
FALSE7: ACALL BARK
MOV R3,#07H
AJMP ERROR
FALSE8: ACALL BARK
MOV R3,#08H
AJMP ERROR
倒计时程序(包括有效抢答程序):
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
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
CLR C
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
CLR RING
AJMP CHECK
FULL: CJNE A,#14H,CHECK ; 1s时,响并显示号数并清R0,重新计时
SETB RING
MOV A,R6
JZ QUIT ; 计时完毕
MOV R0,#00H
DEC R6 ; 一秒标志减1
AJMP CHECK
LARGER: MOV A,R0
CJNE A,#14H,CHECK ; 如果1s向下运行,否者跳到查"停/显示"
DEC R6; 计时一秒R6自动减1
MOV R0,#00H
CHECK: JNB P3.1,QUIT; 如按下停止键退出
ACALL DISPLAY
JNB P1.0,TRUE1
JNB P1.1,TRUE2
JNB P1.2,TRUE3
JNB P1.3,TRUE4
JNB P1.4,TRUE5
JNB P1.5,TRUE6
JNB P1.6,TRUE7
JNB P1.7,TRUE8
AJMP RECOUNT
QUIT: CLR OK ; 如果按下了"停止键"重新回到开始
CLR RING
ACALL BARK
AJMP START
正常抢答处理程序：
TRUE1: ACALL BARK; 按键发声
MOV A,R2
MOV R6,A; 抢答时间R2送R6
MOV R3,#01H
CLR OK;
AJMP LOOP2
TRUE2:ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#02H
CLR OK
AJMP LOOP2
TRUE3:ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#03H
CLR OK
AJMP LOOP2
TRUE4:ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#04H
CLR OK
AJMP LOOP2
TRUE5: ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#05H
CLR OK
AJMP LOOP2
TRUE6: ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#06H
CLR OK
AJMP LOOP2
TRUE7: ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#07H
CLR OK
AJMP LOOP2
TRUE8: ACALL BARK;
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV R3,#08H
CLR OK
LOOP2: AJMP DISPLAY ;抢答后停止计时，等待返回
SETB RING
JNB P3.1 QUIT
AJMP LOOP2
犯规抢答程序:
ERROR: SETB RING ;犯规响铃
MOV R5,#0BH
MOV R4,#0BH; 显示FF和犯规号数
LOOP3: ACALL DISPLAY
JNB P3.1 QUIT1; 等待“停止”键按下
AJMP LOOP3
QUIT1: CLR RING
CLR OK
AJMP START
显示程序:
DISPLAY:MOV DPTR,#DAT1; 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
MOV A,R5
MOVC A,@A+DPTR
MOV P2,#01H
MOV P0,A
ACALL DELAY
MOV DPTR,#DAT2
MOV A,R4
MOVC A,@A+DPTR
MOV P2,#02H
MOV P0,A
ACALL DELAY
MOV A,R3
MOVC A,@A+DPTR
MOV P2,#04H
MOV P0,A
ACALL DELAY
RET
DAT1:DB 00H,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H
;"灭","1","2","3","4","5","6","7","8","9","灭","F"
DAT2:DB 3FH, 06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,00H,71H
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
RET
发声程序:
BARK: SETB RING
ACALL DELAY1
ACALL DELAY1
CLR RING; 按键发声
RET
INT0(抢答时间R1调整程序):
INT0SUB:MOV A,R1
MOV B,#0AH
DIV AB
MOV R5,A
MOV R4,B
MOV R3,#0AH
ACALL DISPLAY；先在两个时间LED上显示R1
JNB P3.2,INC0; P3.2为+1s键,如按下跳到INCO
JNB P3.3,DEC0; P3.3为-1s键,如按下跳到DECO
JNB P3.4,BACK0; P3.4为确定键,如按下跳到BACKO
AJMP INT0SUB
INC0: MOV A,R1
CJNE A,#63H,ADD0; 如果不是99,R2加1,如果加到99了,R1就置0，重新加起
MOV R1,#00H
ACALL DELAY1
AJMP INT0SUB
ADD0: INC R1
ACALL DELAY1
AJMP INT0SUB
DEC0: MOV A,R1
JZ SETR1;如果R1为0, R1就置99，
DEC R1
ACALL DELAY1
AJMP INT0SUB
SETR1: MOV R1,#63H
ACALL DELAY1
AJMP INT0SUB
BACK0: RETI
TO溢出中断(响铃程序):
T0INT:MOV TH0,#0ECH
MOV TL0,#0FFH
JNB RING,OUT
CPL P3.6 ; RING标志位为1时候P3.6口不短取反使喇叭发出一定频率的声音
OUT: RETI
T1溢出中断(计时程序):
T1INT: MOV TH1,#3CH
MOV TL1,#0B0H
INC R0
RETI
END