【正文】 ................ 39 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 68 頁 1 引言 課題背景 搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認(rèn)出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(jī) (如 MCS51型 )和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計(jì)時、選手 犯規(guī) 顯示等功能。 數(shù)字搶答器由主題電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊(duì)的輸入信號在數(shù)碼管上顯示， 搶答器電路和主持人復(fù)位按鍵組成主體電路。通過定時電路將脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器輸出實(shí)現(xiàn)計(jì)時功能，共同構(gòu)成擴(kuò)展電路。利用面包板經(jīng)過排版、布線、調(diào)試等工作后數(shù)字搶答器成形。 數(shù)字搶答器是由很多電路組成的，線路復(fù)雜，可靠性不高，功能也比較難以實(shí)現(xiàn)，特別是當(dāng)數(shù)字搶答路數(shù)很多時，實(shí)現(xiàn)起來更為困難。目前市場上已有各種各樣的搶答器，但絕大多數(shù)是早期設(shè)計(jì)的，以模擬電路、數(shù)字電路或者模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合的產(chǎn)品，這部分搶答器已相當(dāng)成熟，但功能越多的電路越復(fù)雜，且成本也比較高，發(fā)生故障的可能性也比較高，傳統(tǒng)普通搶答器主要存在以下 缺陷：傳統(tǒng)的搶答器都是導(dǎo)線布局，受現(xiàn)場環(huán)境影響很大；顯示方式簡單，無法判斷提前搶按按鍵的行為，且不便于電路升級換代。 在當(dāng)今計(jì)算機(jī)的普及和電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展下，對搶答器有了更高的要求，如何有效的保證許多公開競爭場合裁決的公平、公正，單片機(jī)搶答器為之提供了條件和發(fā)展空間，建立一個價格適宜、智能化、自動化、數(shù)字化等特點(diǎn)的搶答器具有重要意義。 基于 單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)的搶答系統(tǒng) ， 利用單片機(jī)的定時器 /計(jì)數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機(jī)地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計(jì)時， 同時使 數(shù)碼管能夠正確地顯示時間 和選 手號碼 。 除此之外，還可以用鍵盤做輸入，寫入自己設(shè)置的時間，選手有效搶答還有燈管顯示。 在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可是在 199s設(shè)定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復(fù)位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法 。 目的及意義 通過 本 次 畢業(yè) 設(shè)計(jì)， 對 課本上所學(xué)的 理論 知識加深和鞏固 ：進(jìn)一步熟悉和掌握基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用，進(jìn)一步熟悉和掌握單片機(jī)的基本知識、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本 方法及設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)一步熟悉和掌握常用單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。能夠熟練使用 ， 學(xué)會 運(yùn)用這些軟件進(jìn)行 分析 、 設(shè)計(jì) 和仿真 電路 。 能夠熟練 運(yùn) 用 Keil uVision4軟件 編寫 相應(yīng)的程序 模塊。 學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)物制作、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法及技巧。培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。 了解簡單多 路 搶答器組成原理，初步掌握多 路 搶答器的調(diào)整及測試方法，提高動手能力和排除故障的能力。同時 通過本課題設(shè)計(jì)與裝配、調(diào)試，提高 自己的 動手能力，鞏固已學(xué)的理論知識， 能夠 獨(dú)立地做完畢業(yè)設(shè)計(jì)，通 過畢業(yè)設(shè)計(jì)受到一次綜合運(yùn)用所學(xué)知識、理論和技能的訓(xùn)練。它使我們可以進(jìn)一步學(xué)會分析問題、解決問題；學(xué)會閱讀、翻譯參考文獻(xiàn)；學(xué)會收集、運(yùn)用各種資料。它是對我們在校學(xué)習(xí)的一次全面檢驗(yàn)、總結(jié)和提高；是對我們利用所學(xué)的理論知識解決實(shí)際工程問題的綜合訓(xùn)練；是 對提高我們的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新思維能力具有不可替代的作用；也 是對畢業(yè)及學(xué)位資格認(rèn)證的重要依據(jù)。因此，做好畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）將為我們由學(xué)習(xí)走入工作、由學(xué)校進(jìn)入社會打下良好的基礎(chǔ)。 搶答器的目前現(xiàn)狀 在現(xiàn)代社會中，各種教育活動、娛樂節(jié)目比比皆是，而搶答器作為一種工 具，它可以給予參賽者公平的答題機(jī)會和答題時間，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但大多數(shù)搶答器不但制作復(fù)雜、可靠性低，而且功能過于簡單，僅適用于在單一規(guī)則的活動中使用。作為一個單位，如果專門購一臺搶答器在經(jīng)濟(jì)上還可以承受，然而由于活動的多樣性，去購買陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 68 頁 各種不同規(guī)格的搶答器，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。 目前多數(shù)搶答器以下存在 五 方面不足之處： 第一，現(xiàn)場線路連接復(fù)雜。因?yàn)槊總€選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。 第二，電路復(fù)雜。因?yàn)閱纹瑱C(jī)只完成號碼處理、計(jì)時、數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計(jì)分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用單片機(jī)掃描技術(shù)識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大。 第三，系統(tǒng)性能不夠穩(wěn)定，有時會在選手搶按成功時，出現(xiàn)沒有搶答被記錄的問題。 第四， 目前市面上的搶答器只是大概判斷出搶答成功或犯規(guī)選手臺號，無法顯示出每個選手搶答所用的時間 。 第五，搶答器中的搶答模式單一、不靈活，在所有場合只能用相同搶答時間和 答題時間。 進(jìn)度安排 本次設(shè)計(jì)主要分以下幾個階段完成： 前期準(zhǔn)備階段，收集資料，整理資料，設(shè)計(jì)課題的總體方案，完成開題報告； 根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，細(xì)化各模塊，完成各個模塊的設(shè)計(jì)； 學(xué)習(xí)單片機(jī)的編程，完成硬件仿真電路的調(diào)試； 制作實(shí)物電路，完成調(diào)試硬件實(shí)物電路； 整理資料，完成畢業(yè)論文的書寫，準(zhǔn)備答辯。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 68 頁 2 方案論證 多路搶答器方案設(shè)計(jì)系統(tǒng) 基于數(shù)字電路多路搶答器的設(shè)計(jì) 如圖 所示 為該方案系統(tǒng) 總體方框圖 。 其工作原理為：接通電源后 ，主持人將開關(guān)撥到 “清除 ”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置于 “開始 ”狀態(tài)，宣布 “開始 ”搶答器工作。定時器倒計(jì)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，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。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 基于 數(shù)字電路 的系統(tǒng) 框架 基于單片機(jī)的多路智能搶答器 如圖 所示為 該方案系統(tǒng) 總體方框圖 。 其工作原理為： 主持人在活動前，通過鍵盤輸入電路，預(yù)設(shè)搶答時間和答題時間。在活動中，主持人先按下“開始搶答”按鈕，各位選手就可以通過搶答輸入電路進(jìn)行搶答，搶答成功后，顯示電路會顯示出成功搶答選手臺號。然后，主持人再按下“開始答題”按鈕，數(shù)碼管顯示答題倒計(jì)時，各位選手答完題以后，按下“停止”按鈕，倒計(jì)時停止。如果要再次搶答，主持人可以按下“搶答復(fù)位”按鈕，就可以繼續(xù)開始搶答。如果需要重新設(shè)置搶答時間和答題時間，主持人可以按下“總復(fù)位”按鈕，就可以重置時間。 搶答 按鈕 優(yōu)先編碼電路 鎖存器 譯碼 電路 譯碼 顯示 主持人 控制開關(guān) 控制 電路 報警 電路 秒脈沖 產(chǎn)生電路 定時 電路 譯碼 電路 顯示 電路 主 體電路 擴(kuò)展電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 68 頁 圖 基于 單片機(jī) 的 系統(tǒng)框架 方案論證及選擇 對兩個方案進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)： 第一，電路連線方面。方案一在實(shí)際應(yīng)用時連接線較多，看起來比較繁瑣不但影響電路美觀，而且影響增加了安裝的難度。方案二則連線簡單，出現(xiàn)問題也方便檢修和排查。 第二，系統(tǒng)性能。方案一是用數(shù)字電路完成對選手號碼的識別、譯碼、計(jì)分顯示系統(tǒng)性能不夠穩(wěn)定，搶答器可靠性較低，容易出現(xiàn)失誤。方案二則使用單片機(jī)完成號碼處理、計(jì)時、數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能，由于所有程序都已燒錄在單片機(jī) 內(nèi)部，所有處理是按照程序進(jìn)行，不易出現(xiàn)失誤，系統(tǒng)性能相對穩(wěn)定，搶答器可靠性較高。 第三，公平性方面。 方案一中 的搶答器只是大概判斷出搶答成功或犯規(guī)選手臺號，無法顯示出每個選手搶答所用的時間 ，會導(dǎo)致選手猜測比賽的公平性，容易引起活動騷亂。方案二中的搶答器不但能 判斷出搶答成功或犯規(guī)選手臺號， 而且 顯示出每個選手搶答所用的時間 ，讓所有選手清晰看到自己的搶答所用時間，用直觀的實(shí)際數(shù)據(jù)證明比賽的公平性。 第四，實(shí)用性方面。方案一中的搶答器搶答模式單一、不靈活，在所有場合只能用相同搶答時間和答題時間。方案二中的搶答器則可以 自由設(shè)置搶答時間和答題時間，適用于多種規(guī)則的活動中，不但節(jié)省經(jīng)費(fèi)，而且免去重新購置搶答器的麻煩。 綜上所述，可以看出方案二較方案一更簡便實(shí)用，因此，我們決定采用方案二做為這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最終方案。 STC89C51單片機(jī) 四位七段數(shù)碼管顯示 聲音電路 = 8 路搶答 按鍵輸入 復(fù)位電路 時間預(yù)設(shè)、 開始、結(jié)束 鍵盤輸入 時鐘電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 68 頁 3．硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)思路 基于單片機(jī)的多路搶答器系統(tǒng)主要分為幾個模塊： 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊 、聲音電路模塊。 單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機(jī)個功能 部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。 鍵盤控制模塊包括 搶答時間和答題時間輸入鍵、主持人控制開始搶答按鍵和答題按鍵、主持人復(fù)位按鍵、選手搶答按鍵和選手答題完畢停止按鍵 ， 其中搶答時間和答題時間輸入鍵、主持人控制開始搶答按鍵和答題按鍵、主持人復(fù)位按鍵是由一個 4*4矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)的，接在主單片機(jī)的 P1口；選手搶答按鍵和選手答題完畢停止按鍵分別接在兩個從單片機(jī)中，均對應(yīng)接在單片機(jī)的 P1口，用來搶答和答完題的停止。 數(shù)碼管顯示模塊選用了一個四位一體的共陰數(shù)碼管和四個獨(dú)立的共陰數(shù)碼管，其中四位一體共陰數(shù)碼 管接在主單片機(jī)上，用以選手號和倒計(jì)時的顯示，其中位碼分別接在 P2口的第四位，斷碼分別接在 P0口；四個獨(dú)立數(shù)碼管分別接在兩個從單片機(jī)上，用以顯示答題過程中的時間提醒。斷碼接在 P0口，位碼接在 P2 口的地位。 聲音電路模塊選用了常用的蜂鳴器，正極接在高電平，負(fù)極接在主單片機(jī)的 ，用以提示操作中的警示或者提示。 總體設(shè)計(jì)框圖 圖 總體設(shè)計(jì)框圖 具體 說明如下 ： 4*4矩陣鍵盤信息，預(yù)設(shè)搶答時間和答題時間，主持人控制開始與結(jié)束，確 定是否為有效答題。 ，發(fā)送主單片機(jī)預(yù)設(shè) STC89C51單片機(jī) 四位七段數(shù)碼管顯示 聲音電路 8 路搶答 按鍵輸入 復(fù)位電路 時間預(yù)設(shè)、 開始、結(jié)束 鍵盤輸入 時鐘電路 STC89C51單片機(jī) STC89C51單片機(jī) 復(fù)位電路 復(fù) 位電路 時鐘電路 時鐘電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 68 頁 的答題時間，并確定選手號。 。 片機(jī)根據(jù)選手是否犯規(guī)，或者其他提示控制聲音電路發(fā)出聲響。 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，這兩者相互結(jié)合，不可分離；從時間上看，硬件設(shè)計(jì)的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術(shù)準(zhǔn)備充分，硬件設(shè)計(jì)的大返工是比較少的，軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設(shè)計(jì)任務(wù)，隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā) 展，各種功能很強(qiáng)的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設(shè)計(jì)的工作量在整個項(xiàng)目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設(shè)計(jì)盡可能合理，應(yīng)注意以下幾方面 [7]： (1) 盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡化電路，功能強(qiáng)的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價格的總和高。 (2) 留有設(shè)計(jì)余地。在設(shè)計(jì)硬件電路時，要考慮到將來修改擴(kuò)展的方便。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工。 (3) 程序空間 ，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用 AT 89C51 單片機(jī)。 (4) RAM 空間， AT 89C51 內(nèi)部 RAM 不多，當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM，則建議多留一些空間。如選用 8155 作 I/O 接口，就可以增強(qiáng) 256字節(jié) RAM。 如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應(yīng)配置足夠的 RAM，如 6264， 62256 等。隨著軟件設(shè)計(jì)水平的提高，往往只要改變或增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設(shè)計(jì)