【正文】 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。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。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 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。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。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 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。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，用以提示操作中的警示或者提示。 總體設計框圖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 總體設計框圖具體說明如下：*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)送主單片機預設的答題時間，并確定選手號。，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AT89C51單片機。(4) RAM空間，AT89C51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初期考慮到這一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留足夠的RAM空間，哪怕多設計一個RAM的插座，暫不插芯片也好。(5) I/O端口：在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些I/O端口，雖然當時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。 AT89C52主要性能參數(shù)AT89C52型單片機的性能與AT89C5STC89C52的性能基本相似，AT89C52是美國AT公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的單片機。該器件采用AT高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，AT的89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 此外，它集Flash程序存儲器可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，AT公司的功能強大，低價位AT89C52單片機可提供許多高價位比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 AT89C52功能引腳說明40個引腳按引腳功能大致可以分為4個種類：電源、時鐘、控制和I/O口引腳。下面就設計中所用到的引腳功能做以介紹。電源：（1）VCC:芯片電源，接+5V. (2) VSS:接地端。時鐘：XTALXTAL2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在外接晶體時，XTAL1與XTAL2各接晶體的一端借外接晶體與片內(nèi)反相放大器構成震蕩器?？刂凭€：控制線共有4根⑴ALE/PROG：地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖，連接時接高電平。⑵PSEN：外ROM讀選通信號。⑶RST/VPD：復位/備用電源。⑷ EA/Vpp: 內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。I/O線：AT89C52共有4個8位并行I/O端口：P0、PPP3口，共32個引腳。PO口是一組8位漏極開路行雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復用口。P1口是一個內(nèi)部具有上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流（I）。Flash編程和程序校驗期間，P1口接收8位地址。P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸入緩沖極可以驅(qū)動（輸入或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口，作輸入口時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸出端口時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除可作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能。 P3口第二功能表引腳第二功能RxD 串行口輸入端TxD 串行口輸出端 INT0 外部中斷0請求輸入端，低電平有效 INT1 外部中斷1請求輸入端，低電平有效 T0 定時/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端 T1 定時/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效，K1~K8分別為8路搶答按鍵，~。開始按鍵與結束按鍵分別接到單片機的225腳，由于單片機的11腳既有串行接口RXD、TXD功能，、此處按鍵用到單片機11腳的D第二功能。10個LED燈分別對應八位選手及準備開始和開始搶答。4位七段數(shù)碼管段選P0口。4位七段數(shù)碼管的位選接P2口低3位。 系統(tǒng)總體硬件設計圖 搶答器的系統(tǒng)概述 系統(tǒng)的主要功能本設計系統(tǒng)是，采用模塊化設計的八路搶答器，主要包括顯示電路部分、時間預設和開始結束鍵盤輸入電路部分、復位電路部分、報警提示電路部分等。在參賽者系統(tǒng)中，選手除享有基本搶答按鈕的功能外，還有人性化的聲音提示功能和時間提示功能，也可設定由主控控制在參賽者終端表現(xiàn)的趣味性功能等；在主控系統(tǒng)中，主辦方除享有基本開始與結束按鈕的功能外，還可根據(jù)活動要求，預設搶答時間和答題時間，并且對選手回答問題的正誤可以進行亮燈警示。此外，本設計系統(tǒng)可以顯示搶答成功和違規(guī)的選手臺號，對搶答限時及回答問題限時設為倒計時，并有顯示提示及聲音提示。系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如上圖2所示。在本設計中，各組選手分別有一個搶答按鈕和一個答題完畢按鈕，其中用8個按鍵輸入、8個按鍵停止來表示，另用8個LED燈，分別對應8組選手。主持人有開始搶答和開始答題鍵。在活動開始前，主持人可以預設搶答時間和選手答題的時間，通過鍵盤依次輸入搶答時間和選手答題的時間，設置好后在搶答和答題過程中時間不能更改。主持人按下開始搶答按鈕后，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時，并在最后五秒蜂鳴器發(fā)出聲音提示，在搶答時間范圍內(nèi)，選手的搶答才為有效，當搶答成功后，數(shù)碼顯示屏顯示出成功搶答的選手臺號。如果主持人沒有按下開始搶答按鈕，而選手就已搶答則視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示出犯規(guī)者的臺號，蜂鳴器發(fā)聲報警。當搶答完成后，主持人按下開始答題按鈕，數(shù)碼顯示屏顯示出答題倒計時，與此同時成功搶答的選手則開始答題，答題完后該選手可按下答題完畢按鈕，并有蜂鳴器發(fā)出提示聲音。當答題完成后，主持人可按下?lián)尨饛臀话粹o，新一輪搶答開始（注：此時的搶答時間和選手答題時間仍為上一輪所預設的，若需在此輪比賽中重新更改預設時間，則需按下總復位按鈕）。本設計系統(tǒng)中，有一個共陰的數(shù)碼管組，四個數(shù)碼管。其中一個空位，一個顯示搶答選手臺號，另外兩個顯示倒計時。主持人開始搶答按鈕后，各位選手才能開始搶答。當然，也可以搶按，但是會視為無效搶答。當搶答超過規(guī)定時間或答題超過規(guī)定時間后數(shù)碼管顯示“000”。若有選手在規(guī)定時間內(nèi)搶按成功，則可以答題，數(shù)碼管顯示搶答時間的同時也顯示成功搶答的選手臺號。在按開始搶答按鈕前搶答則表示犯規(guī)，數(shù)碼管顯示“00”并顯示犯規(guī)選手臺號。 搶答器的主要指標主持人在搶答之前能夠預設搶答時間和答題時間，時間由集成鍵盤輸入，可在1~99s之間任意設置，預設好時間后，在搶答和答題過程中不能再更改時間。如需更改時間需要按下總復位開關來重新設置。主持人按下?lián)尨痖_始按鈕，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其臺號，待主持人按下“開始答題”按鍵后，方可進入回答倒計時（搶答時間），不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。時間每隔5s蜂鳴器會響一下提示音。在倒計時期間，如果主持人想停止倒計時，可以按“停止”按鈕，系統(tǒng)會自動進入準備狀態(tài)，等待主持人按“開始搶答”進入下次搶答計時。如果主持人未按下“開始搶答”按鈕，而有人按了搶答按鈕，則為犯規(guī)搶答，數(shù)碼管顯示犯規(guī)臺號并伴有提示音，直到按下“停止”按鈕為止。綜上，本課題利用STC89C51單片機及外圍接口設計實現(xiàn)了搶答器，該搶答器增加了新功能、提高