【正文】 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 15 聲光顯示智力競賽多路搶答器 摘 要 聲光顯示智力競賽多路搶答器 基于單片機系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)常規(guī)電子線路的控制系統(tǒng)，有了智能化的長足發(fā)展。 電子智能搶答器在 搶答過程中系統(tǒng) 正確 判斷 正常 搶答，分辨出優(yōu)先 搶 答 人。 系統(tǒng)采用AT89S51單片機作為核心模塊 ，配以鍵盤、顯示模塊 、 顯示驅(qū)動模塊、 搶答開關模塊 、音樂音頻輸出等模塊 。 關鍵詞 ： 搶答器； 單片機；鍵盤；顯示； 搶答 電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，促進微型計算機測量和控制技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，單片機（單片微型計算機）的應用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個部門和 領域，它起到了越來越重要的作用。單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時 /計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。 隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多公開競爭場合要求有公正的競爭裁決，諸如證券、股票交易及各種智力競賽等 ,因此出現(xiàn)了搶答器。搶答器一般是由很多電路組成的，線路復雜，可靠性不高，功能也比較簡單，特別是當搶答路數(shù)很多時，實現(xiàn)起來就更為困難。因此我們設計了以單片機為核心的 新型智能的搶答器，在保留了原始搶答器的基本功能的同時又增加一系列的實用功能。并簡化其電路結(jié)構(gòu)。 搶答器的設計方案種類很多，要實現(xiàn)以下功能： (1)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 S0 ~ S5 表示。 (2)設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關 S，該開關由主持人控制。 (3)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 LED 數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(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。 (4)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，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間 秒左右。 (5)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 00?？梢杂脝纹瑱C來完成，也可以用數(shù)字電路來實現(xiàn)，兩種方案都與我們所學內(nèi)容聯(lián)系緊密，能將我們所學知識用于實際，對鞏固所學知識有重要意義，對我們掌握集成芯片邏輯功能的應 用有很大幫助。 下面將分析搶答器的兩種方案并選擇其中合適的一種 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 16 方案一 ： 基于邏輯數(shù)字電路搶答器的設計 定時搶答器的總體框圖如下圖 2— 1 所示，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。 圖 2— 1 上圖所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，節(jié)目主持人將開關置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設定的時間，當節(jié)目主 持人宣布“搶答開始”，同時將控制開關撥到“開始”位置，揚聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時。當定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，顯示編號揚聲器發(fā)出短暫聲響，控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關，使系統(tǒng)回復到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答 。 系統(tǒng)各部分采用中小規(guī)模集成數(shù)字電路，用機械開關按鈕作 為控制開關，完成搶答輸入信號的觸發(fā)。該方案的特點是中小規(guī)模集成電路應用技術成熟，性能可靠，能方便的完成選手搶答的基本功能，但是由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路連接集成電路相對較多，而且過于復雜，并且制作過程工序比較煩瑣，使用不太方便。 選手搶答按鍵 主持人控制 秒脈沖產(chǎn)生 優(yōu)先編碼 時序控制 定時電路 譯碼顯示 鎖存功能 譯碼顯示 報警電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 17 方案二 ：采用單片機作為核心 搶答器的工作原理是采用單片機最小系統(tǒng)，用查詢式鍵盤進行搶答。通過搶答按鍵模塊，連接按鍵進行搶答。 此電路完成的功能如下圖所示，當主持人宣布搶答開始的時候，按下開始按鈕，此時電路進入搶答狀態(tài)，選手的輸入采用了掃描式的輸入，之后把相應的信息送往單 片機，再由單片機輸出到顯示輸出電路中。此時有人第一按下相應的搶答按鈕，經(jīng)過單片機的控制選擇，在八段顯示器上顯示相應的號碼，并鎖存，同時禁止其他按鈕的輸入。 系統(tǒng)是采用模塊化設計的智能搶答器，主控與參賽者設為終端分系統(tǒng)。主控分系統(tǒng)有：開始與結(jié)束控制按鈕、時限設定、各種相關顯示調(diào)控功能等（根據(jù)需要也可另設或多設相關功能）。參賽者分系統(tǒng)設有：搶答按紐、計時顯示、提示功能等（根據(jù)需要可另設或多設相關功能） 系統(tǒng)主要功能模塊 控制器主要用于各模塊控制對 顯示、搶答、音樂、計分等。 控制器的選擇有以下兩鐘方案。 FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。 FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以應用 EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進行功能擴展。 FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但由于本設計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。 2. 采用 ATMEL公司的 AT89C51作為系統(tǒng)控制器的 CPU方案。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。 ，以下 （圖 3— 2） 各種類型的單片機內(nèi)除 CPU外，還包括 ROM、RAM、 4*8 I/O口和 2個 16位定時 /計數(shù)器，它們都是功能很強的單片微型計算機。但由于 80C51片內(nèi)為掩膜 ROM，故內(nèi)部程序不能改寫，不用于實驗開發(fā)。 87C51具有片內(nèi) EPROM，是真正的單片微機，但由于價格較貴，且程序改寫時要用紫外線擦除 ，時間較長，所以用得較少。 80C31在市場上的價格很低，但片內(nèi) 主 控 制 器 LED顯示 聲生器 鍵盤顯示 時鐘頻率 復位電路 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 18 沒有 ROM，必須在片外擴展一片 EPROM，非常不便。 AT89C51片內(nèi)具有可電擦除的 FPEROM，可以快速、多次地編程，且價格不高，所以用得非常廣泛，目前開發(fā)用的 MCS— 51產(chǎn)品絕大多數(shù)用 89C51 型號 ROM 形式 片內(nèi)ROM 片內(nèi) RAM 尋址 范圍 定時 計數(shù) I/O口 串行I/O 口 外部 中斷 80C31 接ROM 4K 128 2*64 K 2*16 4 UART 2 80C51 ROM 4K 128 2*64 K 2*16 4 UART 2 87C51 EPROM 4K 128 2*64 K 2*16 4 UART 2 89C51 FPEROM 4K 128 2*64 K 2*16 4 UART 2 圖 3— 2 基于以上分析擬訂方案 2。 下圖為采用 51單片機設計搶答器的主體電路： 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 19 系統(tǒng)采用 AT89C51 系列單片機作為控制核心，可以完成運算控制、信號識別以及顯示功能的實現(xiàn)。本設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術性能，將硬件和軟件分開設計。硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然 后對硬件進行調(diào)試、測試，以達到設計要求。軟件設計部分，首先在總體設計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設計，擬定詳細的工作計劃；然后進行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼 設計等；最后是對軟件進行調(diào)試、測試，達到所需功能要求。 內(nèi)部電路設計用匯編語言編寫，它完成了時間參數(shù)的設定，搶按號碼的譯碼，保存、顯示、輸出，搶按及答題倒計時功能等。 而且單片機性能穩(wěn)定，可操作性強?？梢灾挥?P0 口連接上拉電阻，完成驅(qū)動 LED 的功能，串接按鍵可以由選手自己控制搶答機會，利用 P3 口的 RXD 接 74LS164 的 A， B 端， TXD 接移位脈沖做時鐘信號。利用單片機程序判斷選手按鍵是否有效，但選手違規(guī)搶答，利用簡單程序顯示選手序號，啟動蜂鳴器并不間斷，告訴主持人有人違規(guī)操作，搶答無效。給出相應的延時，選手按正常的操作搶答，軟件倒記時，利用 74LS164 移位寄存 8 段數(shù)碼管，實現(xiàn)倒記時顯示時間，到 5 秒相應時間提醒選手時間快到了，要及時作答，并啟動蜂鳴器。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(gòu)簡單， 數(shù)碼顯示是采用 BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 外圍擴展的電路不是很多 。 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。 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè)設計說明書（論文） 20 電源方案的選擇 系統(tǒng)需要多個電源， AT89C51使用