8路竞赛抢答系统
引言
为完成竞赛抢答任务,该系统分为两大部分:选手电路、主持人控制电路,选手电路和主持人控制电路部分Z间的联系,采用无线通信。主持人控制电路采用交流供电,选手电路采用蓄电池供电,基本做到由移动无线通行。各部分都采用单片机作为控制核心;采用无线收发模块,作为无线通信器件,具有电路简洁可靠的优点。数据的传输,采用帧结构对要传输的数据进行打包。帧结构的起始位采用特殊实用的结构,既可包含发送对象的地址信息,又具有很强的抗干扰能力,使已传送的数据显示十分稳定可靠。抢答显示部分的倒计时,可根据情况从0——99秒任
意 | 设 | 定 | 。 |
第一章系统方案与论证
1.1基本要求
(1)系统容量:为满足竞赛抢答的要求,系统容量定位8路。
(2)系统能完成:倒计时指令发送与接收;抢答对别信息发送与接收;(3)抢答倒计时可在0-99秒内根据需要任意调整。
(4)所有信息交换都采用无线通信。
(5)抢答指令发出和抢答成功要有提示音。
1.2系统方案选择
1.2.1系统基本结构框
主持人电路
图1-1基本系统结构框图
系统工作流程:主持人电路通电后,2位数码管不断加1,以示电路可以正常
工作。主持人按下控制开关后,电路进入倒计吋预设状态,设置好后再按一下控制开关,则完成预设,数码管显示预设数。当主持人按下开始按钮后,选手可以抢答,同吋数码管显示倒计时读秒,如有选手按下抢答键,数码管显示该选手的序号,同
时封锁其他的抢答信号,蜂鸣器鸣叫10s,以示有人抢答成功。如读秒归零吋还无人抢答,则蜂鸣器鸣叫10s,数码管显示为不断闪亮的“00”,以示抢答吋间到。当抢答的选手回答完毕或读秒归零后,主持人按一下开始按钮,电路即可恢复到开始抢答,倒计时读秒状态
1.2.2通信方案论证与选择
要实现无线通信,可选用频分复用和时分复用两种形式。频分复用各信道,不考虑信号在吋间上的重叠。但是在整个系统最少也需要8个信道,电路复杂,制作成本高,故不取。
对实际问题进行分析,发现系统通信屮,除抢答信号外,其他信号的传送都具有明显的分时性(即各信号的传送都不可能同吋出现)。
再对抢答信号进行深入研究,发现:
(1)人对抢答信号的反应在毫秒级是很不灵敏的,人的反应速度是在0.2s-0. 8s 内随即岀现。
(2)在比赛现场,抢答题H—般在几十秒内。能做出回答决定的人也只在40%左右,坚决做出回答决定的占20%左右。根据系统满容量算20x20%二4,只有4个左
右的人数进入0. 2—0.8s反应比赛屮。 (3)按键反应速度也是有差界的,大概在20ms左右。
根据以上三点分析,可以定性的得出抢答信号在一定的吋间区间内具有随机分时的特性。另一方面,抢答信号信息量不大(只有对别信息),可以做到在极短的时间内传完,因此,若保证每一个抢答信号传送时间<2.1ms,那么在0・2s-0・8s的时间内任意两个对别信号在传送吋间上重叠的概率就很小,因此可以实现抢答信号吋分传送。又因时分复用只用一个信道,电路简单可靠性高,制作成本低,综合考虑
选 | 用 | 吋 | 分 | 复 | 用 | 方 | 案 | 。 |
第二章系统硬件设计
为了满足系统功能和系统的灵活性,本系统各部分均采用单片机作为核心器件。为了使电路结构简单,性能可靠,无线部分均采用性能良好的收发模块(315MHZ高频接收发送模块FST-3和CZS-3)o硬件系统是一个数、模、单片机混合电路。
2.1 C51单片机
单片机为本系统的核心器件。这里我们选用C51单片机,C51具有低功耗、高性能的特点,且与80C51兼容,特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器FlashROM给单片机的开发及应用带来了很大的方便,且芯片的价格非常便宜,因此近年来得到了及其广泛的应用。
2.1.1功能特性描述
C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—
Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory )的低功耗、高性能CMOS8
位微处理器,俗称单片机。使fflATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片JL,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得ATC51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
主要性能:
⑴与MCS-51单片机产品兼容
⑵8K字节在系统可编程Flash存储器
⑶1000次擦写周期
(4)全静态操作:0Hz〜33Hz
⑸三级加密程序存储器
⑹32个可编程I/O口线
⑺三个16位定吋器/计数器
⑻八个屮断源
⑼全双工UART串行通道
(10)低功耗空闲和掉电模式 |
|
(11)掉电后屮断可唤醒
(12)看门狗定时器
(13)双数据指
针(⑷掉电标
识符
2.1.2引脚结构 | S52 | PP 012 | 40 | 0001 0203( )4050 607 p p p p p p p P |
―I—° | ||||
P 345 | ||||
P 67^ |
| P n n | 0123 | 34 |
33 | |||
P U | |||
P 11 ET | |||
43 | P 11 INT1 INTO R 11 | 456 722 222 222 p p p p p p p P |
|
q | |||
44 | |||
T1 TO 11 | |||
34- | EA/VP 11 | ?7 | |
XI X2 rl |
XU
-U
RXD TXD ALE/P PSEN | -Ui |
44-規GND ?Q |
2.1.3管脚说明
VCC:电源
GND:地
P0口:P0口是一-个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”吋,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器吋,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程吋,P0口也用来接收指令字节;在程序校验吋,输出指令字节。程序校验吋,需要外部上拉电阻。
P1口:P1口是一•个具有内部丄拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”吋,内部上拉电阻把端口拉高,此吋可以作为输入口使用。作为输入使用吋,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(Pl.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(Pl.1/T2EX),具体如表2-1所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P2 口: P2 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能
驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将
输岀电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVXSDPTR,A)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX@Ri,A)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
表2-1P1 口引脚及功能表
引脚号 | 第二功能 |
P1.0 | T2 (定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输岀 |
Pl. 1 | T2EX (定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制) |
P1. 5 | MOSI(在系统编稈用) |
P1.6 | MTOS (在系统编稈用) |
P1.7 | SCK (在系统编程用) |
P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可
以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将 输出电流。P3口亦作为ATC51特殊功能(第二功能)使用,如表2-2所示。在flash |
引脚号 | 第二功能 |
P3.0 | RXD (串行输入) |
P3. 1 | TXD(串行输岀) |
P3. 2 | /INTO (外部中断0) |
P3. 3 | /INTO(外部中断1) |
P3. 4 | T0 (定时器0外部输入) |
P3.5 | T1 (外部1外部输入) |
P3. 6 | /WR (外部数据存储器写选通) |
P3. 7 | /RD (外部数据存储器读选通) |
RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE以晶振六分Z—的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。然血,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需耍,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则,ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
/PSEN:外部程序存储器选通信号(/PSEN)是外部程序存储器选通信号。为ATS52从外部程序存储器执行外部代码时,/PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,/PSEN将不被激活。
/EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,/EA必须接GND。为了执行内部程序指令,/EA应该接VCC。在flash编程期间,/EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。號
2.2无线传输模块
无线传输模块由发射模块和接收模块组成。FST-3和CZS-3是由专业生产厂家
设计生产的无线传输发射模块和接收模块。用FST-3和CZS-3组成的无线传输系统具有很高的性价比。其传输距离远,在无障碍物的情况下可以传输300米;信号传
输可靠,能够传输0-10MHZ的调制信号;价格低廉,发射模块和接收模块的价格加起来不超过20元;此外,还具有不要调整即可使用的特点。
(A) (B)
图2-2无线发射模块FST-3和接收模块CZS-3的管脚功能图
FST-3发射模块如上图2-2(A)所示,在VCC和GND间加上3—12V的直流电压即可使用,从天线发射出315MHZ的无线电波。而所需发射出去的信号可以加在DATA端,去调制315MHZ的无线电波,使其成为已调波从天线发出。在加5V电压时,实测FST-3发射模块的工作电流不超过15mAo
CZS-3接收模块如上图2-2(B)所示,须在VCC和GND间加上5V的直流电压。从天线接收到的己调制无线电信号经过其内部解调,从其DATA端输出已解制信号,在无信号时DATA端输出高电平。CZS-3接收模块的静态电流为5mA,接收灵敏度为-103dBmo[,2]
2.3用555定时器组成的多谐振荡器
多谐振荡器是能产牛矩形波的一种自激振荡器电路,由于矩形波屮除基波外还含有丰富的高次谐波,故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态,在自身因索的作用下,电路就在两个暂稳态之间来回转换,故又称它为无稳 态电路。由555定吋器组成的多谐振荡器电路图如图4所示。
图2-3由555定时器组成的多谐振荡器电路图
如上图2-3所示,接通电源后,电容C被充电,当Uc上升到2匕c/3I1寸,使%
为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C通过R2和T放电,Vc下降。当Vc
下降到Vcc/3吋,V0翻转为高电平。电容器C放电所需的吋间为
t/;/ =/?2Cln2«0.7/?2C
当放电结束时,T截止,匕将通过Rl、R2向电容器C充电,Vc由匕./3上升
到2匕./2所需的吋间为
t/)H= (R、+7?2)CIn 2 « 0.7(/?(+ RJC
当Vc上升到2心/3时,电路乂翻转为低电平。如此周而复始,于是,在电路的
输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下图5,其振荡频率为
t pL + T pH
1.43(R、+
2RJC
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,用555定 时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。⑴
2.4选手电路
图2-4由555定时器组成的多些振荡器的工作波形
如下图6所示的屯路是FST-3发射模块的一种具体应用。皿电路屮555和其外
围元件构成一个多谐振荡器,从555的3脚输岀的方波加到FST-3的DATA端。由图6电路屮的元件参数可以计算出从FST-3的天线发射出被60MHZ信号调制过的315MHZ无线电波。D1为发光二极管,用来指示发射电路的电流是否接通。
图2-5FST-3发射模块的应用电路
选手电路是由图2-5所示的电路进行实用化改进而得,电路由图7所示。考虑到实际使用的方便,把图6的电路的R2用一个8位地址开关和一个9P1K的排阻来
代替。这样,随着8位地址开关屮开关闭合个数的不同,等效R2将有8种不同的阻值,555的3脚输出方波将有8种不同的频率。8个选手电路就可以选择相同的
电路参数,使用时只要拨动8个地址开关,使每个选手电路屮的地址开关闭合个数不同,即可利用555电路振荡频率来区分不同选手发出的信号,依据如图6电路屮的参数,实测的振荡频率如表2-3所示。
表2-3频率表
S1开关闭合个数 | R2等效阻值 | 实测555的振荡频率 |
1 | 1000 Q | 60HZ |
2 | 500 Q | 122HZ |
3 | 333 Q | 153HZ |
4 | 250 Q | 180IIZ |
5 | 200 Q | 200IIZ |
6 | 167 Q | 220HZ |
7 | 143 Q | 231HZ |
8 | 125 Q | 245HZ |
\/
R
1
vcc |
EST-3
2.5主持人电路
主持人电路如附图所示。
以S51单片机为核心,整个电路分为控制输入、信 号采集和输出指示儿个部分。图2-6选手电路电路图
控制核心吋S51的最小应用系统,有时钟和复位电路和在线编程接口。电路 中S1是复位按钮,J]是S51系列单片机的标准在线编程接口。
控制输入电路实际上是一个主持人复位按钮S2; S3是进入等待倒计吋状态的
按钮,S4、S5是预置倒计吋十位和个位加1按钮。
信号采集电路由CZS接收模块和Rl、C2滤波电路组成。由于从CZS-3的DATA 端输出的信号有残存的高频成分,所以在信号进入单片机之前,这里用了 Rl、C2 滤波电路,滤波后的从卩3. 4 (TO)进入单片机。
输出指示电路由数码显示电路和蜂鸣器电路组成。数码显示电路是2位数码管 及其动态显示驱动电路组成。在实际使用屮,为主持人按下开关按钮S2吋,数码 管显示的是等待倒计吋的读秒数;为由选手按下抢答按钮时,数码管显示的是抢答
选手的序号。蜂鸣器由三极管驱动,在实际使用吋蜂鸣器在等待倒计吋归零和有选
手抢答成功吋鸣叫。
第三章 电路功能及控制流程
此电路为实用抢答器。当主持人电路通电时,2位数码管不断地加1,以示电 路可以正常工作。
当主持人按一下S3后,电路即进入等待倒计时起始数预设状态,2位数码管显 示为不断闪亮的“00”。按一下S4,起始数增加10s;按一下S5,起始数增加Is,
最大预设数为99s。设置好后再按下S3,则完成预设,数码管显示预设数。
当主持人按一下开始按钮S2后,选手可以抢答,同时数码管显示开始倒计时读秒。如有选手按下抢答键,数码管显示该选手的序号,同吋封锁其他的抢答信号,
蜂鸣器鸣叫10s,以示有人抢答成功。如读秒归零时还无人抢答,则蜂鸣器鸣叫10s,数码管显示为不断闪亮的“00”,以示抢答时间到。
为抢答的选手回答完毕或读秒归零后,主持人按一下S2,电路即可恢复到开始抢答,倒计吋读秒状态,控制流程如下图3-1所示。
图3-1控制程序流程图
现在常用的无限遥控主要有红外线和无线电两种方法。无线电遥控在传输距离、方向性和可靠性方而和红外线遥控相比有很大的优势。而且无线传输技术现在己日益成熟,现在无线传输收发电路已广泛应用于智能化控制、短距离无线遥控等产品屮,由于工作稳定可靠,彻底摆脱了有线传输的种种不便,所以在遥控领域得到广泛应用。
本设计在大量的电子电路实践的基础上,用无线传输技术应用于抢答器的设计和制作,制作成功了无线抢答器。该无线抢答器可满足不同赛事活动的不同需求,适用于学校、教育部门、企事业工会组织、俱乐部等单位组织举办各种矢口识、技术竞赛及文娱活动时作抢答Z用。能提高活动档次,简化工作流程,减轻工作量、减
少 | 人 | 工 | 失 | 误 | 、 | 节 | 约 | 竞 | 赛 | 成 | 本 | 。 |
经过近几个月的艰苦奋战,我的毕业设计己接近尾声。在这几个月的吋间里,我衷心感谢我的指导老师杨老师,在课题选定、理论指导和方案的论证上,对我精心的指导和耐心的鼓励,使我能够坚持到底,毕业设计有了的结果。他们渊博的知识,深邃的思想,严谨的治学风格、平易近人的处爭态度和幽默风趣的话语,让我在学习知识和解决问题时感到无比的轻松和愉快。至此论文定稿Z际,对老师表示衷心的感谢!感谢老师能在繁忙Z屮抽出时间为我提供耐心的指导,帮我们解决在设计过程屮遇到的种种问题。
在做毕业设计期间,我还有幸得到其它老师的热心指导和同学们的大力帮助,正因为有了他们,我才能克服各种困难,顺利完成毕业设计和论文。在这里一•并向他们表示感谢!最后,再次向各位领导、齐位老师致以崇高的敬意和最衷心的感谢!
参考文献
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附图
g 1舀 | ||
!□ 1 | | < k — > — k |
—
k
RS | — | PL | | o | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
234 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|[=1^ | PLO | 7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
PL1 | U | 56 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
P | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
78 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 | PL2 L 6 PL3 u- 6 P 40 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
91 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
| £ |
| | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | |
附录二源程序清单:
ORG AJMP ORG AJMP ORG MAIN: MOV | 0000H | ||
B,#5AH | ;中断90次 | ||
TOMD,#01H | |||
RE: | MOV | ||
MOV | |||
DPTR,#7F04H | ;把地址送到DPTR | ||
A,#0BH | ;送10次循环 | ||
@DPTR,A |
KLO: | ORG | 4000H | |
MOV | A,#0()H | ;向数据输出输入口送0 | |
MOV | |||
JNB | TI,KL0 | ||
KL1: | CLR | TI | |
JNB | PI.O,PK2 | ;P1.0键是否按下 | |
PKI: | JB | P1.1,KL1 | |
ACALL | D10MS | ;延吋10秒 | |
KL2: | JNB | P1.1,KL2 | |
ACALL | D10MS | ||
KL3: | JNB | P1.2,KL3 | |
ACALL | D10MS | ||
KL4: | JNB | P1.0,KL4 | |
KD: | JNB | P1」,KL4 | |
JNB | |||
P1.2,KL4 | |||
MOV | A,R4 | ;取键号 | |
A,R3 | |||
ADD | |||
SUBB | |||
JNC | |||
MOV | DPTR,#TABL | ;字型码表初值送DPT R | |
ADD | |||
MOVC | A,@A+DPTR | ;取字型数据 | |
MOV | R0,60H | ;取显示缓冲区指针 | |
@R0,A | ;将字型码入显示缓冲区 | ||
MOV | |||
INC | |||
CJNE | R0,#60H,KD | ;判断是否到最高位 | |
MOV | 60H,#58H | ;保存显示缓冲区地址 | |
MOV | 60H,R0 | ||
KD1: | ACALL | LED | ;调用显示子程序 |
RET
KL6: | MOV | B,#03 | ;修止命令键地址转移 |
;表指针
MUL | AB | ;地址表转移指令送 |
MOV | DPTR,UTB | |
;DPTR |
|
TABL | LJMP | @A+DPTR | ;开放显示器 |
DB | CCH,86H,92H,CFH | ||
: | |||
LED: | DB | 80H,8FH,E0H,A4H | |
SETB | PO | ||
LED1: | MOV | R7,#03 | ;显示位数送R7 |
MOV | A,@RO | ;送显示数据 | |
LED2: | MOV | SUBF,A | |
JNB | TI,LED2 | ||
CLR | TI | ||
INC | RO | ||
DJNZ | R7,LED 1 | ||
CLR | PO |
RET
ORG MOVX | 5000H | ||
LED: | SUBB | ||
AJMP | |||
KE: | MOV | A,#0B6H | ;输入控制字 |
MOVX MOV | @DPTR,A | ;方式控制字输入 | |
DPTR,#7FFEH | ;指向计数器 | ||
A,#()D0H | ;1MS周期计数值 | ||
@DPTR,A | |||
@DPTR,A | ;315MHZ方波输出 | ||
KF: | MOV | ||
MOVX MOV | @DPTR,A A,#02H | ||
@DPTR,A | ;315MHZ方波输岀 | ||
P0.7 |
|
DL: | MOV | H | R7,#1E |
MOV | R6,DL1 | ||
DJNZ | R7,DL | ||
CLR | P0.7 | ||
RESET | P0.7 |
ORG8000H
START: LJMP LJMP NOP | MAIN |
NOP
LJMPERR
LJMPPGTO
NOP
NOP
LJMPERR
RESET
END | |
|
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