【正文】 1 六路搶答器設計 摘要： 此次設計提出了用 AT89C51 單片機為核心控制元件，設計一個簡易的搶答器，本方案以AT89C51 單片機作為主控核心，與晶振、數(shù)碼管、蜂鳴器等構成八路搶答器，利用了單片機的延時電路、按鍵復位電路、時鐘電路、定時中斷等電路，設計的八路搶答器具有實時顯示搶答選手的號碼和搶答時間的特點，還有復位電路，使其再開始新的一輪的答題和比賽，同時還利用匯編編程，使其實現(xiàn)一些基本的功能。 關鍵字： 搶答器、單片機、蜂鳴器、數(shù)碼管 1 引言 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 得分顯示等功能。 搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器有的電路較復雜不便于制作 ,可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成塊 ,而專用集成塊的購買又很困難。為適應高校等多代表隊單位活動的需要而設計一個多功能搶答器，這種 搶答器具有電路簡單，元件普通 ,易于購買等優(yōu)點 ,很好地解決了制作者制作困難和難于購買的問題。在國內(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應用。 2 總體設計方案 本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結(jié)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： (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) 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 2 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。 搶答器同時供 6 名選手或 6個代表隊比賽，分別用 6個按鈕表示。設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制 按鈕 ，該開關由主持人控制。搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，并在 、 數(shù)碼管上顯示，同時 蜂鳴器 發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選 手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。 搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定（如 30 秒）。當主持人啟動 開始 鍵后，定時器進行減計時，同時 蜂鳴器 器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間 。 參賽選手在設定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示 000 如果有選手在規(guī)定的時間以前完成問題，主持人通過按鍵復位，開始新的問題作答，因為程序不是很大不 需要擴展存儲空間，選手按鍵跳入相應的子程序，回答倒記時，通過單片機實現(xiàn)功能可以更人性化，只需單電源供電更方便，容易實現(xiàn)。電路結(jié)構簡單，外圍擴展的電路不是很多，鍛煉我們所學的知識應用到現(xiàn)實生活當中。為我們提供實踐的機會。單片機是電子專業(yè)發(fā)展的方向，更好的使用單片機可以是我們的產(chǎn)品小型化，使用更方便，性能更穩(wěn)定，功能更齊全，所以我們選用單片機加一定的外圍設備實現(xiàn)本次課程設計的要求。 時鐘頻率電路的設計 單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作 .在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路 ,只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定 的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元 ,。 圖 1外部震蕩電路 3 一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲 10ms后振蕩器起振 ,在 XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為 3V左右的正弦波時鐘信號 ,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1,C2的作用有兩個 :一是幫助振蕩器起振 。二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C1,C2的典型值為 30PF。 單片機在工作時 ,由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù) ,常用 fosc 表示。如時鐘頻率為 12MHz,即 fosc=12MHz,則時鐘周期為 1/12181。s。 鍵盤是人與微機系統(tǒng)打交道的主要設備。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺” 現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延 時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾 ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間 ,所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間 (這里我們?nèi)?10ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài) ,如果是則為有效按鍵，否則無效 圖 2 鍵盤掃描電路 單片機的第 9腳 RST為硬件復位端 ,只要將該端持續(xù) 4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位 ,復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 4所示。在設計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能 ,由上面的硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值 ,而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能 ,該功能的實現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位 ,所以設定了軟復位功能。軟復 4 主 控 制 器 LED顯示 揚聲器 鍵盤顯示 時鐘頻率 復位電路 位實際上就是當程序執(zhí)行完畢之后 ,將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。 圖 3：復位電路的設計 總體設計框圖 圖 4 總體設計框圖 5 3 設計原理分析 搶答器原理 該搶答器供 6個的搶答比賽使用。每個選手的座位前安裝一只搶答按鈕開關。主持人的座位前安裝一只復原按鈕開關、一只蜂鳴器和一只搶答器工作狀態(tài)指示燈。每當主持人口頭發(fā)出允許搶答的號令之后，哪個隊先按下座位上的按鈕開關， 數(shù)碼管即顯示該號數(shù) ， 同時封鎖其他按鈕開關的活動， 蜂鳴器報警提示。 以此 表示 搶答動作已經(jīng)完成。在主持人確認后，按下復原按鈕，狀態(tài)指示燈重新點亮，為下一次的搶答作好準備。電路中的蜂鳴器是一只帶有助音腔的壓電陶瓷蜂鳴器，用于模擬發(fā)出報警聲的功率放大器和喇叭。 在搶答競賽或呼叫時，有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器內(nèi)部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內(nèi)部的定時器開始工作，記錄有關時間并產(chǎn)生超時信號。在整個搶答器工作過程中，顯示電路、語音電路等還要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向外電路輸出相應信號。搶答器的工作流程分為、系統(tǒng)復位、正 常流程、違例流程等幾部分。 6 圖 5 總流程圖 搶答器的工作過程 主持人按 搶答開始 鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預設 15s 搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進入回答倒計時（預設 10s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。倒數(shù)時間到小于 5s會每秒響一下提示音。 如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按 停止 按鍵，系統(tǒng)會自動進入準備 狀態(tài) ， 等待主持人按 搶答開始 進入下次搶答計時。 如果主持人未按 搶答開始 鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答， LED上不斷閃爍 FF和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下 停止 鍵為止。 總而言之，本課題利用 AT89S51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng) 設計了搶答器，該搶答器增加了新功能、提高了系統(tǒng)的可靠性、簡化了電路結(jié)構、節(jié)約了成本，是一個實用的工程設計。 顯示 FFF 開始按下 開始 加一鍵按下 違規(guī)搶答 正常搶答 顯示違規(guī) 顯示搶答號并計時 減一鍵按 下 調(diào) 整 搶答時間 回答時間 7 器件選型方案及詳細清單 微控制器選用 AT89S51，該芯片貨源充足，并且價格也比較便宜。如下表所示。 表 1 器件清單 4 總結(jié)與體會 通過這次設計，我才明白學習是一個長期積累的過 程，在以后的工作、生 生活中都應該不斷的學習，努力提