【正文】 一3 點是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所不能替代的。 自單片機(jī)出現(xiàn)至今，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)走過了近 20 年的發(fā) 展路程?？v觀 20 年來單片機(jī)的發(fā)展歷程可以看出，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展以微處理器（ MPU）技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展， 8 位、 16 位、 32 位單片機(jī)共同發(fā)展，這是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一動向。長期以來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以 8位機(jī)為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭， 32 位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足發(fā)展。以Motorola 68K 為 CPU 的 32 位單片機(jī)在 97 年的銷售量就高達(dá) 8 千萬枚。過去由于 8位單片機(jī)功能越來越強(qiáng) 大， 32 位單片機(jī)越來越便宜，使 16位單片機(jī)的生存空間有限，而16 位單片機(jī)的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有了較大幅度的增長 [2]。 單片機(jī)的應(yīng)用在后 PC 時代得到了前所未有的發(fā)展，但對處理器的綜合性能要求也越來越高。綜觀單片機(jī)的發(fā)展以應(yīng)用需求為目標(biāo)，市場越來越細(xì)化，單片機(jī)系統(tǒng)作為嵌入式的一部分，主要集中在中、低端應(yīng)用領(lǐng)域（嵌入式高端應(yīng)用主要由 DSP、 ARM、MISP 等高性能處理器構(gòu)成），在這些應(yīng)用中，目前也出現(xiàn)了一些新的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (1)以電池供電的應(yīng)用越來越多，而且由于產(chǎn)品體積的限制 ，很多是用鈕扣電池供電，要求系統(tǒng)功耗盡可能低，如手持儀表、水表、玩具等。 (2)隨著應(yīng)用的復(fù)雜，對處理器的功能和性能要求不斷提高。既要外設(shè)豐富、功能靈活；又要有一定的運算能力，能做一些實時算法。而不再是僅僅做一些簡單的控制。 (3)產(chǎn)品更新速度快、開發(fā)時間短，希望開發(fā)工具簡單、廉價、功能完善。特別是仿真工具要有延時性，能適應(yīng)多種 MCU，以免重復(fù)投資，增加開發(fā)費用。 (4)產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，既能加密保護(hù)，又能方便升級。 單片機(jī)是器件級計算機(jī)系統(tǒng)，它可以嵌入到任何對象體系中去，實現(xiàn)智能化控制。小到微型 機(jī)械，如手表、助聽器。集成器件級的低價位，低到幾元、十幾元，足以使單片機(jī)普及到許多民用家電、電子玩具中去。單片機(jī)構(gòu)成的現(xiàn)代電子系統(tǒng)已深入到各家各戶，正改變我們的生活，如家庭中的音響、電視機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐、電話、防盜系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)等。單片機(jī)革新了原有電子系統(tǒng)，如微波爐采用單片機(jī)控制后，可方便地進(jìn)行時鐘設(shè)置、程序記憶、功率控制；空調(diào)機(jī)采用單片機(jī)后不但遙4 控參數(shù)設(shè)置方便，運行狀態(tài)自動變換，還可實現(xiàn)變頻控制。目前許多家用電器如VCD、 DVD 只有單片機(jī)出現(xiàn)后才可能實現(xiàn)其功能 [2]。 選題背景及其意義 在生活和 生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中，凡是有自動控制要求的地方都會有單片機(jī)的身影；從簡單到復(fù)雜，從空中、地面到地下，凡是能想象到的地方幾乎都有使用單片機(jī)的需求。現(xiàn)在盡管單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)很普遍了，但仍然有許多可以用單片機(jī)控制而尚未實現(xiàn)的項目，因此單片機(jī)的應(yīng)用大有想象和拓展的空間。 在此次設(shè)計中選用的 8051 類單片機(jī)，最早由 Intel 公司推出， 8051/31 類單片機(jī)是世界上用量最大的幾種單片機(jī)之一。由于 Intel 公司將重點放在 18 38奔騰等與 PC 類兼容的高檔芯片的開發(fā)上， 8051 類單片機(jī)則主要由 Philips、 Atmel、 三星、華邦等公司生產(chǎn)，這些公司都在保持與 8051 單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了 8051 許多特性（如時序特性），提高了速度、降低了時鐘頻率、放寬了電源電壓的動態(tài)范圍，降低了產(chǎn)品價格。 設(shè)計中使用的 AT89C51 單片機(jī)是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的，具有功耗低、可靠性好等特點。 單片機(jī)應(yīng)用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益上，而更重要的意義還在于：單片機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路和數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能使用單片機(jī)通過軟件（編程序）的方法實現(xiàn)了，這種以 軟件取代硬件并提高系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng) “ 軟化 ” 技術(shù)，是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣普及，控制技術(shù)必將不斷發(fā)展自己、日益完善和更加充實 [3]。 2 需求分析 隨著我國經(jīng)濟(jì)、化事業(yè)的發(fā)展，各種各樣的競賽如雨后春筍般的呈現(xiàn)了出來，校園、公司、政府機(jī)關(guān)、電視節(jié)目等都常常舉辦一些搶答競賽，有了這些競賽，就需要有快速、公正、有效的競賽裁決。有些搶答競賽的舉辦方通過參賽選手舉起答題板，主持人憑感覺來決定參賽者的答題權(quán)。由于主持人主觀判斷失誤會造成競賽的不公平性；而好一些的競賽舉辦方會使用搶答器，這就使得 競賽答題權(quán)的分配公平準(zhǔn)確了許多。 搶答器的發(fā)展也是比較快的，從一開始的光具有搶答鎖定功能的一個電路，到現(xiàn)5 在的具有倒計時、定時、自動（或手動）復(fù)位、報警（即聲響提示，有的以音樂的方式來體現(xiàn)）、屏幕顯示、按鍵發(fā)光等多種功能的技術(shù)合并，這就可以說明其多種功用及發(fā)展的快速?，F(xiàn)在的搶答器有 JLQ2 普通型搶答器、 JLQ3型 帶到計時型搶答器、 JLJ2型 3 位 LED 電子記分器、 SPC7A 單屏小型、 SPC7B 單屏中型、智力競賽搶答器、有鎖定功能搶答器、多功能智力搶答器 ?? 可以說是多不勝數(shù) [4]。 對搶答器使用 的需求使得我們這里設(shè)計的基于 AT89C51 單片機(jī)的競賽搶答器有了很好的發(fā)揮空間，這種搶答器不僅結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、可靠性高、操作簡單方便、成本也很低。能夠被大眾所接受，具有很高的推廣價值。 競賽搶答器應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)先裁決能力，對最先搶答的選手給予答題權(quán)；應(yīng)具有違例處罰功能，對搶答違例的選手扣分，以確保搶答競賽的公正進(jìn)行；還應(yīng)具有計時功能，以避免選手搶答后無限制的拖延時間；比賽結(jié)束或賽中可以查詢每組參賽選手的分?jǐn)?shù)，以最高分?jǐn)?shù)選出優(yōu)勝者。 因此設(shè)計應(yīng)包含以下內(nèi)容： 搶答開始時，無人按下?lián)尨疰I，主持人可以按下控制鍵， 結(jié)束本題的搶答，進(jìn)入下一題的搶答。 主持人在沒有按下開始鍵之前，如果有選手按下?lián)尨疰I，就會違例，被扣分，并有紅色發(fā)光二極管發(fā)光，提示主持人和參賽選手。 控制臺上應(yīng)設(shè)有搶答開始、加分、調(diào)整時間以及分?jǐn)?shù)查詢等按鍵。 在選手搶答后會有倒計時，選手應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)回答完問題。 搶答器要有自動定時功能，并且一次搶答時間由主持人任意設(shè)定。當(dāng)主持人啟動“ 開始 ” 鍵后，定時器自動減計時，并在顯示器上顯示。同時揚聲器上發(fā)出短暫聲響； 競賽搶答器還應(yīng)具有將選手編號和選手分?jǐn)?shù)送到數(shù)碼管顯示的功能，使大家對分?jǐn)?shù)一目了然。 3 系統(tǒng) 方案設(shè)計 搶答器工作流程 此次設(shè)計的競賽搶答系統(tǒng)采用八路搶答，最多可以有八組選手參與比賽，各位選手的分?jǐn)?shù)最多可以顯示到十位，但這不影響本設(shè)計的功能。如有需要，我們可以將其擴(kuò)展到百位分?jǐn)?shù)、千位分?jǐn)?shù)。 競賽搶答器在最初會分別顯示每名選手的編號和與其相對應(yīng)的初始分?jǐn)?shù)值，每名6 選手的初始分為 10分，以避免有選手在競賽中違例，將分值扣至負(fù)分。在顯示了選手編號和分?jǐn)?shù)后，會顯示每道題的分值，默認(rèn)為每題 2 分；如果在搶答器開機(jī)時按下分值調(diào)整的開關(guān)，每道題的分值就可以改變，分別可以調(diào)整為每題 3 分或每題 5 分。接下來將顯示 選手搶答后的計時時間，選手回答的問題必須在時限內(nèi)完成并回答正確，主持人才會為選手加分。計時的時間也是可以調(diào)整的，默認(rèn)為 30秒；主持人可以通過按鍵將時間設(shè)置為 60 秒或 90秒。 在主持人按下開始鍵，允許搶答前，如果有選手提前按下了搶答鍵，則會因為其違例而扣掉 1 分，紅色發(fā)光二極管會提示主持人和選手有人違例， 并伴有蜂鳴聲， 同時數(shù)碼管上會顯示出違例選手的號碼以及其扣掉 1分后的得分。 主持人按下開始鍵后，所有數(shù)碼管熄滅，選手們可以開始搶答，當(dāng)有選手搶答后，數(shù)碼管上會顯示搶到答題權(quán)的選手的編號，并開始倒計時，其他選手再按 下?lián)尨疰I是無效的，因為只有一名選手可以答題。當(dāng)計時結(jié)束后，數(shù)碼管會顯示選手當(dāng)前分?jǐn)?shù)，等待主持人判斷選手是否回答正確。回答正確主持人會為選手加分，選手的分?jǐn)?shù)會顯示出來；若不正確，則跳到下一輪競賽，不為選手加分。 如果主持人按下開始鍵后，無人搶答，則主持人可以控制搶答器，進(jìn)入下一輪的搶答競賽。當(dāng)中場休息或比賽結(jié)束時，主持人可以通過查分按鍵來查詢每組選手的得分情況，數(shù)碼管會依次顯示出選手的編號和與其相對應(yīng)的分?jǐn)?shù)。主持人和參賽選手可以憑此來了解自己的得分情況并評出優(yōu)勝者。 功能模塊設(shè)計 由以上需求分析，我 們對競賽搶答器作出了相應(yīng)的功能模塊設(shè)計。 （ 1）鍵盤輸入： 8 個按鍵，供給 8 組參賽選手進(jìn)行搶答，單片機(jī)識別到有按鍵按下時，可以識別具體是哪位選手按下了搶答按鍵；主持人有搶答開始按鍵，題目的分值調(diào)整按鍵，計時調(diào)整按鍵，為選手加分的按鍵以及跳轉(zhuǎn)到下一輪競賽的按鍵。 （ 2）譯碼顯示：利用單片機(jī)的部分 P1口和全部的 P2 口構(gòu)成的輸出口，信號經(jīng)由驅(qū)動 CD4511 鎖存 — 譯碼進(jìn)行顯示。系統(tǒng)主要有兩個顯示部分，既選手編號的顯示和選手分?jǐn)?shù)的顯示。 方案一 由變壓器 T、橋式整流器、三端穩(wěn)壓器 781 7805 組成直流穩(wěn)壓 電源電路，分別輸出 +12V 和 +5V 的直流電壓。搶答器電路主要由各路的搶答按鍵、開關(guān)二極管、晶閘7 管、發(fā)光二極管及共用的 VT VT2 兩個三極管和揚聲器 B1 組成。超時報警電路使用C5 充電回路、非門 406音樂集成電路 KD— 152G 和揚聲器 B2 等器件構(gòu)成。電子記分電路由六個按鍵（個、十、百、千位計分鍵、減分鍵、復(fù)零鍵）、可預(yù)置加減計數(shù)器 CC402BCD— 7 段鎖存譯碼驅(qū)動器 CC4543 及七段數(shù)碼管組成。方案一的設(shè)計有以上四個模塊構(gòu)成，功能框圖如圖 1 所示。 變 壓 器整 流 電 路穩(wěn) 壓 器7 8 0 5穩(wěn) 壓 器7 8 1 2按 鍵開 關(guān) 二 極管晶 閘 管發(fā) 光 二 極管三 極 管 揚 聲 器R C 充 電 回路音 樂 集成 電 路揚 聲 器按 鍵 計 數(shù) 器 譯 碼 器 數(shù) 碼 管 5 V1 2 V電 源 電 路搶 答 電 路報 警 電 路計 分 電 路穩(wěn) 壓 器穩(wěn) 壓 器 圖 1 方案一功能框圖 Plan one function diagram 方案二 在第二種設(shè)計方案中，整個搶答器由主控機(jī)和多個分機(jī)構(gòu)成，如圖 2 所示，主控機(jī)與所有分機(jī)由一根串行通信線連接在一起，各分機(jī)間又由一根搶答互鎖線相連。 其中分機(jī)主要有完成對分機(jī)初始分?jǐn)?shù)的掃描顯示、主機(jī)發(fā)來的新分?jǐn)?shù)的接收和顯示，對本分機(jī)搶答信號的檢測、鄰臺封鎖信號的檢測以及是否發(fā)出聲光報告信號。 由于各分機(jī)均由單片機(jī)完成，功能強(qiáng)大，主控機(jī)剩下的任務(wù)就較為簡單了，主要是對各分機(jī)的分?jǐn)?shù)查詢，分?jǐn)?shù)加減及發(fā)送分?jǐn)?shù)，完 成倒計時等功能。為了簡化電路，我們將顯示和鍵盤部分由單片機(jī)的 I/O 口直接連接，省去了接口芯片。 8 顯示鍵盤主控機(jī)分機(jī)1顯 示聲 光 提 示 聲 光 提 示搶 答 互 鎖 線串 行 通 信 線搶 答分機(jī)2顯 示搶 答 圖 2 方案二功能框圖 Scheme ii function diagram 方案三 方案三功能框圖如 3 所示 。 搶 答 按 鍵加 分 按 鍵主 持 人 控 制 按 鍵控 制 電 路A T 8 9 C 5 1譯 碼 電 路顯 示 電 路報 警 電 路調(diào) 時 電 路 圖 3 方案三功能框圖 Plan 3 function diagram 方案三使用 AT89C5數(shù)碼管、發(fā)光二極管、 CD4511 等器件就可以實現(xiàn)所需功 能。 由以上三個方案可以看出，方案一過于簡單，不利于以后的功能擴(kuò)展。方案二和方案三功能比較齊全。但方案二比較復(fù)雜，使用元件較多，特別是單片機(jī)的使用比較多，每片單片機(jī)的資源使用較少，浪費了資源。而方案三的子模塊、功能結(jié)構(gòu)分明，控制起來容易，方便。 綜合經(jīng)濟(jì)、資源等方面考慮，方案二相對成本較高，大大浪費了資源，相比之下，方案三所使用的元件較少，價格也適中，實現(xiàn)起來也比較容易。依此我們選用方案三來進(jìn)行設(shè)計。 4 硬件電路設(shè)計 電路的設(shè)計 由于 AT89C51 單片機(jī)和 CD4511 鎖存 — 譯碼器件的工作電壓范 圍都是 +5V，因此本9 系統(tǒng)所使用的電源是由 220V 的交流電通過變壓器換為 9V，再通過橋式整流器，三端穩(wěn)壓器 7805 組成的直流穩(wěn)壓電源電路，可以穩(wěn)定的輸出 +5V 電壓。 電源電路需要一個橋式整流器、三端穩(wěn)壓器 780 104 電容 2枚、 50V/470μF 電容和 25V/100μF 電容各一個 [10]。 電源電路如圖 4 所示。 復(fù)位電路 計算機(jī)在啟動運行時都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS— 51 單片機(jī)有一個復(fù)位引腳 RST，它是史密特觸發(fā)器（對于 CHMOS 單片機(jī)， RST引腳內(nèi)部有一個拉低電阻），當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期（既 24 個時鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS— 51 就保持復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位電路有兩種 :上電自動復(fù)位電路和人工復(fù)位電路，在這里我們采用人工復(fù)位。 當(dāng)復(fù)位鍵按下時，單片機(jī)會初始化為 0000H，使單片機(jī)從起始地址 00