本设计是以抢答为出发点。考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51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，发光二极管和蜂鸣器发出提示。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；在软件中还应用了外部中断，通过中断解除抢答的锁存，似的设计更加灵活，实用性更强。

本设计主要设计指标：

（1）按键输入模块，包括主持人时间加，时间减，开始抢答，新一轮4个按键和选手1号到4号共抢4答按键；

（2）显示模块，可以抢答实现倒计时和显示抢答选手编号。

（3）蜂鸣器模块，用于倒计时提醒，倒计时开始后发出短暂的声响，声响持续的时间为0.5s左右。

系统结构图

主持人控制抢答器时间加减和开始，设置好时间或者使用默认时间后，按下开始按键即开始倒计时，每倒计时一秒蜂鸣器短暂鸣0.5提醒选手。选手在开始抢答后按下各自的按键抢答，一旦按下会显示选手编号。一轮抢答结束后，主持人按下新一轮即可进入下一轮的抢答。

理论分析与计算

倒计时主要应用了51单片机的定时器，本设计应用定时器产生50ms定时。以12Mhz的晶振来说，机器周期是1us，计满TH0、TL0就需要216-1个数，再来一个数就“溢出”产生中断，一次溢出也就是65536us，约等于65.5ms，假若定时50ms需要一个预装值（初值），总值-需要值=预装值。预装后，定时器从预装值开始加值，定时器溢出中断后，会重新从预装值开始加值加到50ms就再产生中断，从而达到了定时的目的。如果要定时1s就可以让定时器中断1000ms/50ms=20次。

硬件设计

根据系统结构图，系统由：AT89C51最小系统、显示模块、按键模块和蜂鸣器模块组成。

AT89C51最小系统

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS4位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器，期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用4位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

本系统中央控制器采用的单片机AT89C51，复位电路采用上电复位电路。外接的晶振为12MHz晶振。

图2 AT89C51最小系统

*3**.2* *显示模块*

本次设计采用八段数码管显示，是四位一体共阴极数码管，由四个八段数码管集成，高电平点亮。在显示上我们通常采用两种方法：一种是静态显示，一种是动态显示。

静态显示是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态显示的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态显示是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态显示。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，但能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。故本次设计采用动态显示方法。其原理图如图3所示。

图3 显示模块

本设计使用74HC573来驱动四位一体数码管。74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（LE）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变。当使能（LE)为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器.573工作电压在5V（VCC）左右最大7V最小2V，最大输出电流为20MA,可用来驱动发光二极管。

图4 显示电路驱动电路

键盘模块

键盘是人机交互的接口，本设计中，我们采用独立键盘。按钮需要12个,分别为4位抢答按键、开始抢答键、新一轮按键、抢答时间加键和抢答时间减键。当按键按下，与主控芯片连接的端口被降为低电平，按键松开则也升为高电平。按键采用的是Tack Switch按钮开关,它具有自动恢复的功能。当我们按下按钮时，其中的接点接通，放开按钮后，接点恢复为切断。虽然Tack Switch有4个引脚，但实际上，其内部只有一对a接点，即其中两个引脚是内部相连通的，而另外两个引脚内部也是相连通的。

本设计中12个按键实现了抢答，时间调节等功能，独立按键的引入使得体现了本设计的人性化，智能化，功能的强大。其电路分为主持人部分和选手部分。分别实现了控制、调节功能和抢答功能。其电路图如图4所示。

图4 按键电路

蜂鸣器模块

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

本设计采用电磁式蜂鸣器进行。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。因此需要一定的电流才能驱动它，单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。如蜂鸣器电路图5所示，蜂鸣器的正极接到VCC（+5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基极B经过限流电阻R3后由单片机的beep引脚控制，当beep输出低电平时，三级管QS截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当beep输出高电平时，三级管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制beep脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。其电路图如图5所示。

图5 蜂鸣器电路

软件设计

当接通电源开始工作后，单片机中的程序开始运行，将对程序进行初始化，以便和单片机芯片达成通信协议。完成初始化后，将进行键盘扫描，同时判断开始按键、调节按键是否按下。最后完成倒计时和选手号码的显示。系统流程图如图6所示。

图6 系统流程框图

根据系统软件设计要求将软件划分为：主程序、显示子程序、按键子程序、蜂鸣器子程序

主程序完成外部中断初始化、定时器初始化、蜂鸣器模块初始化。主程序扫描主持人不断扫描按键，进行对应的操作。

主程序

进入主程序后，显示显示预设的倒计时数字20，程序扫描主持人按键倒计时加减键和开始按键。按下开始按键后，倒计时开始工作，实时刷新倒计时数字，每倒计时1秒蜂鸣器beep引脚拉低0.5秒，蜂鸣器短鸣0.5秒。在扫描到选手按下按键后，倒计时定时器停止工作，显示选手编号和按下抢答键的时间。

主要（关键）代码：

void main (void)
{   

	EA=1;
	TMOD=0x11;
	TH0=(65536-50000)/256;//这是50ms的
	TL0=(65536-50000)%256;
	ET0=1;
	TR0=0; 
	TH1=(65536-50000)/256;//这是50ms的
	TL1=(65536-50000)%256;
	ET1=1;
	TR1=1; 
	beep = 0;
	time=20; 
	num=0; 
	flag=0;   
	while (1)         //主循环
  	{
		TempData[2]=dofly_DuanMa[time/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[3]=dofly_DuanMa[time%10];
		if(num!=0)
			m=1;
		if(start==0)
		{
			DelayMs(10); 
			if(start==0)
			{	
				flag=1;
			while(!start);
			}
		}
		if(add==0)
		{
			DelayMs(10); 
			if(add==0)
			{	
				time++;
			while(!add);
			}
		}
		if(jian==0)
		{
			DelayMs(10); 
			if(jian==0)
			{	
				time--;
			while(!jian);
			}
		}
		if(time>=99)
			time=99;
		if(flag==0)
		{
			if(num!=0)
				m=1;
			keyscan(); 
			check2();
		}
		if(flag==1)
		{	
			TR0=1;
			if(num!=0)
				m=1;	

			keyscan(); 
			check1();
		}
		//主循环中添加其他需要一直工作的程序	
 	}
}

此段程序是完成外部中断初始化、定时器初始化、蜂鸣器模块初始化。完成后进入大循环。

if(num==1)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[4]=table[0];
		beep=0;
		Display(0,8); //数码管显示函数
		TR0=0;	
		while(m);
	}  		
	if(num==2)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[4]=table[1];
		beep=0;
		Display(0,8); //数码管显示函数
		TR0=0;	
		while(m);
	} 
	if(num==3)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[4]=table[2];
		beep=0;
		Display(0,8); //数码管显示函数	
		TR0=0;	
		while(m);
	}  		
	if(num==4)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[4]=table[3];
		beep=0;
		Display(0,8); //数码管显示函数	
		TR0=0;	
		while(m);
	}

这段函数完成了倒计时的显示和扫描是否开始倒计时。在没有开始抢答时，选手按下按键会显示选手编号和清零时间，一起防止选手抢答。开始抢答后，标志位flag变为1。开始执行按键扫描函数check2();

void check2()
{
	if(num==1)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[2]=0x40;//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[3]=0x40;
		TempData[4]=table[0];
		Display(0,8); //数码管显示函数
		TR0=0;	
		while(m);
	}  		
	if(num==2)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[2]=0x40;//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[3]=0x40;
		TempData[4]=table[1];
		Display(0,8); //数码管显示函数
		TR0=0;	
		while(m);
	} 
	if(num==3)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[2]=0x40;//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[3]=0x40;
		TempData[4]=table[2];
		Display(0,8); //数码管显示函数	
		TR0=0;	
		while(m);
	}  		
	if(num==4)
	{
		TempData[0]=dofly_DuanMa[num/10];//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[1]=dofly_DuanMa[num%10];
		TempData[2]=0x40;//分解显示信息，如要显示68，则68/10=6  68%10=8  
		TempData[3]=0x40;
		TempData[4]=table[3];
		Display(0,8); //数码管显示函数	
		TR0=0;	
		while(m);
	}
}

假如按键1按下，会显示选手编号。同时程序会卡在while(m);循环。此时除了新一轮按键之外的任何按键都系统没有任何变化。

新一轮按键是系统复位，即使程序一直在执行while(m)循环，按下按键后，程序会执行一次硬件复位，将变量清零，函数重新执行按键扫描。