【正文】 ................ 39 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 1 頁 共 68 頁 1 引言 課題背景 搶答器是一種應用非常廣泛的設備，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)光管的指示辯認出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機 (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時、選手 犯規(guī) 顯示等功能。 數(shù)字搶答器由主題電路與擴展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在數(shù)碼管上顯示， 搶答器電路和主持人復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現(xiàn)計時功能，共同構成擴展電路。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，線路復雜，可靠性不高，功能也比較難以實現(xiàn)，特別是當數(shù)字搶答路數(shù)很多時，實現(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)是早期設計的，以模擬電路、數(shù)字電路或者模擬電路和數(shù)字電路結合的產(chǎn)品，這部分搶答器已相當成熟，但功能越多的電路越復雜，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。 在當今計算機的普及和電子信息技術的迅猛發(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)字化等特點的搶答器具有重要意義。 基于 單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng) ， 利用單片機的定時器 /計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時， 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) 設計， 對 課本上所學的 理論 知識加深和鞏固 ：進一步熟悉和掌握基本理論在實踐中綜合運用，進一步熟悉和掌握單片機的基本知識、系統(tǒng)設計的基本 方法及設計步驟，進一步熟悉和掌握常用單片機模塊的設計和應用。能夠熟練使用 ， 學會 運用這些軟件進行 分析 、 設計 和仿真 電路 。 能夠熟練 運 用 Keil uVision4軟件 編寫 相應的程序 模塊。 學習單片機系統(tǒng)實物制作、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法及技巧。培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。 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 通過本課題設計與裝配、調(diào)試，提高 自己的 動手能力，鞏固已學的理論知識， 能夠 獨立地做完畢業(yè)設計，通 過畢業(yè)設計受到一次綜合運用所學知識、理論和技能的訓練。它使我們可以進一步學會分析問題、解決問題；學會閱讀、翻譯參考文獻；學會收集、運用各種資料。它是對我們在校學習的一次全面檢驗、總結和提高；是對我們利用所學的理論知識解決實際工程問題的綜合訓練；是 對提高我們的實踐動手能力、創(chuàng)新思維能力具有不可替代的作用；也 是對畢業(yè)及學位資格認證的重要依據(jù)。因此，做好畢業(yè)設計（論文）將為我們由學習走入工作、由學校進入社會打下良好的基礎。 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會和答題時間，已廣泛應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)濟上還可以承受，然而由于活動的多樣性，去購買陜西理工學院畢業(yè)設計 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)場線路連接復雜。因為每個選手位于搶答現(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，電路復雜。因為單片機只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用單片機掃描技術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。 進度安排 本次設計主要分以下幾個階段完成： 前期準備階段，收集資料，整理資料，設計課題的總體方案，完成開題報告； 根據(jù)總體方案設計，細化各模塊，完成各個模塊的設計； 學習單片機的編程，完成硬件仿真電路的調(diào)試； 制作實物電路，完成調(diào)試硬件實物電路； 整理資料，完成畢業(yè)論文的書寫，準備答辯。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 3 頁 共 68 頁 2 方案論證 多路搶答器方案設計系統(tǒng) 基于數(shù)字電路多路搶答器的設計 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 ，主持人將開關撥到 “清除 ”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置于 “開始 ”狀態(tài)，宣布 “開始 ”搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。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、揚聲器提示。當一輪搶答之后，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。 圖 基于 數(shù)字電路 的系統(tǒng) 框架 基于單片機的多路智能搶答器 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，預設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)碼管顯示答題倒計時，各位選手答完題以后，按下“停止”按鈕，倒計時停止。如果要再次搶答，主持人可以按下“搶答復位”按鈕，就可以繼續(xù)開始搶答。如果需要重新設置搶答時間和答題時間，主持人可以按下“總復位”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 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 擴展電路 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 4 頁 共 68 頁 圖 基于 單片機 的 系統(tǒng)框架 方案論證及選擇 對兩個方案進行比較，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點： 第一，電路連線方面。方案一在實際應用時連接線較多，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完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，由于所有程序都已燒錄在單片機 內(nèi)部，所有處理是按照程序進行，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，用直觀的實際數(shù)據(jù)證明比賽的公平性。 第四，實用性方面。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，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用，因此，我們決定采用方案二做為這次畢業(yè)設計的最終方案。 STC89C51單片機 四位七段數(shù)碼管顯示 聲音電路 = 8 路搶答 按鍵輸入 復位電路 時間預設、 開始、結束 鍵盤輸入 時鐘電路 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 5 頁 共 68 頁 3．硬件電路的設計 硬件電路設計思路 基于單片機的多路搶答器系統(tǒng)主要分為幾個模塊： 單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊 、聲音電路模塊。 單片機最小系統(tǒng)主要由復位電路和時鐘電路組成。復位電路為單片機系統(tǒng)提供可靠復位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機個功能 部件都是以時鐘頻率為基準，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、主持人復位按鍵是由一個 4*4矩陣鍵盤來實現(xiàn)的，接在主單片機的 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中，均對應接在單片機的 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 管接在主單片機上，用以選手號和倒計時的顯示，其中位碼分別接在 P2口的第四位，斷碼分別接在 P0口；四個獨立數(shù)碼管分別接在兩個從單片機上，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，負極接在主單片機的 ，用以提示操作中的警示或者提示。 總體設計框圖 圖 總體設計框圖 具體 說明如下 ： 4*4矩陣鍵盤信息，預設搶答時間和答題時間，主持人控制開始與結束，確 定是否為有效答題。 ，發(fā)送主單片機預設 STC89C51單片機 四位七段數(shù)碼管顯示 聲音電路 8 路搶答 按鍵輸入 復位電路 時間預設、 開始、結束 鍵盤輸入 時鐘電路 STC89C51單片機 STC89C51單片機 復位電路 復 位電路 時鐘電路 時鐘電路 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 6 頁 共 68 頁 的答題時間，并確定選手號。 。 片機根據(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。 單片機系統(tǒng) 單片機的選擇 本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結合，不可分離；從時間上看，硬件設計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。只要技術準備充分，硬件設計的大返工是比較少的，軟件設計的任務貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設計任務，隨著集成電路技術的飛速發(fā) 展，各種功能很強的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設計的工作量在整個項目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設計盡可能合理，應注意以下幾方面 [7]： (1) 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強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) 留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。 (3) 程序空間 ，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機，本設計采用 AT 89C51 單片機。 (4) RAM 空間， AT 89C51 內(nèi)部 RAM 不多，當要增強軟件數(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 256字節(jié) RAM。 如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應配置足夠的 RAM，如 6264， 62256 等。隨著軟件設計水平的提高，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。只要在硬件電路設計