【導(dǎo)讀】智能搶答器作為一種電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識(shí)競(jìng)賽場(chǎng)合。一些專用的集成芯片，而專用集成芯片的購(gòu)買又很困難。為適應(yīng)多選手搶答活動(dòng)的需要。地解決了制作者制作困難和難于購(gòu)買的問(wèn)題。本系統(tǒng)就是采用AT89C51單片機(jī)為核心。間;具有清零和非法搶答控制功能，設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)，并由主持人操控；有鎖存與顯示功能。即選手按下按鍵，鎖存相應(yīng)選手的參賽編號(hào)，并在LED數(shù)碼管上。顯示，選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，其他按鍵者將不能響應(yīng)，以便公平地選擇第一個(gè)搶答者；會(huì)自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。模塊、電源模塊、時(shí)鐘與復(fù)位模塊、按鍵輸入模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊。搶答按鍵共有八個(gè)，分。和“減1”按鍵；S13和S14分別為“搶答開始按鍵”和“停止按鍵”。主持人可按“停止按鍵”結(jié)束，新一輪搶答開始。定搶答時(shí)間仍無(wú)人搶答和答題超過(guò)規(guī)定時(shí)間后顯示“FFF”。在搶答器設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先完成總體方案的論證制定，然后分析系統(tǒng)的工作原理，

　　

【正文】 的復(fù)位方式。 上電復(fù)位常用的方法是使用電容器。利用電容器的充電特性達(dá)到滿足接通電源后， 第 17 頁(yè) 共 60 頁(yè) 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位的要求。 單片機(jī)的第 9 腳 RST 為硬件復(fù)位端 ， 只要將該端持續(xù) 4 個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位 ， 復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 33 所示 。 圖 33 復(fù)位電路 在電路圖中，電容的的大小是 10uF，電阻 的大小是 10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的 倍 （ ），需要的時(shí)間是 10K*10uF=。也就是說(shuō)在電腦啟動(dòng)的 內(nèi)，電容兩端的電壓時(shí)在 0~。這個(gè)時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓為從 5～ （串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在 內(nèi)， RST 引腳所接收到的電壓是 5V～ 。在 5V正常工作的 51 單片機(jī)中小于 的電壓信號(hào)為低電平信號(hào)，而大于 。所以在開機(jī) 內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位（ RST 引腳接收到的高電平信號(hào)時(shí)間為 左右）。 在單片機(jī)啟動(dòng) 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓接近于 0V， RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在 內(nèi)，從 5V釋放到變?yōu)榱耍踔粮?。根?jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓為 ，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 復(fù)位電路的原理是單片機(jī) RST 引腳接 收到 2uS 以上的電平信號(hào)，只要保證電容的充放電時(shí)間大于 2uS，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，所以電路中的電容值是可以改變的。 值得注意的八路智能搶答器的設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 60 頁(yè) 是 ， 在設(shè)計(jì)當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能 ， 軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后 ， 將程序指針通過(guò)一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址 。 顯示 模塊 的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中， 顯示器是最常見(jiàn)的輸出設(shè)備，也是人機(jī)對(duì)話必不可少的部分。顯示器按其顯示形式分為分段式顯示器、點(diǎn)陣式顯示器和條圖（光柱）式顯示器。顯示器可用于數(shù)字、符號(hào)、文字、圖形和光柱顯示。 LED 顯示器是單片機(jī)開發(fā)中 常用的輸出器件。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的 LED 顯示器有 7 段式和‘米’字段之分。 7 段式單個(gè)數(shù)碼管內(nèi)部共有 8 只發(fā)光二極管， 7 只為字段，可組成字形，第八個(gè)為小數(shù)點(diǎn)。故單個(gè)數(shù)碼管有人稱為七段數(shù)碼顯示，也有人稱之為八段顯示。 這種顯示器又分共陽(yáng)極和共陰極兩種。共陰極型內(nèi)部發(fā)光二極管陰極連在一起，接低電平。共陽(yáng)極型內(nèi)部發(fā)光二極管陽(yáng)極連在一起，接高電平。 共陰極型 LED 數(shù)碼管和 共陽(yáng)極型 LED 數(shù)碼管 如圖 34 所示 。 圖 34 共陰極型 和 共陽(yáng)極型 數(shù)碼管 由圖 34 可見(jiàn)， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 分別為七個(gè)發(fā)光段引腳， dp 引腳為小數(shù)點(diǎn)。9 腳接電源或接地端， 共 10 個(gè)引腳 。數(shù)碼管工作時(shí)每段需串聯(lián)一個(gè)限流電阻，而不能用一個(gè)電阻放在共陽(yáng)極或共陰極端。否則，由于各發(fā)光段的參數(shù)不同，容易引起某段過(guò)流而燒壞數(shù)碼管。另外，電阻值的選取只要保證管子正常發(fā)光即可。一般單個(gè)數(shù)碼管電流控制在 10～ 20mA 較合適。電流太大會(huì)加大耗電量，而電流太小又無(wú)法得到足夠的發(fā) 第 19 頁(yè) 共 60 頁(yè) 光 度。 數(shù)碼管發(fā)光原理分兩種情況：共陰極型 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 各引腳輸入高 電平有效。只要哪個(gè)引腳輸入為高電 平，對(duì)應(yīng)的二極管就會(huì)發(fā)亮； 共陽(yáng)極型結(jié)構(gòu)數(shù)碼管的 a、 b、c、 d、 e、 f、 g 各引腳輸入低電平有效。只要哪個(gè)引腳輸入低電平，對(duì)應(yīng)的二極管就會(huì)發(fā)亮。通過(guò)點(diǎn)亮不同的發(fā)光段可組成不同的字形。輸入到數(shù)碼管 dp 、 g、 f、 e、 d、 c、b、 a 的二進(jìn)制碼稱為字段碼（或稱字形碼），數(shù)碼管顯示的結(jié)果為字形。表 32 是顯示字形與共陽(yáng)極和共陰極兩種接法的字段碼對(duì)應(yīng)關(guān)系。 表 32 顯示字形字段碼對(duì)應(yīng)關(guān)系 (字體 ) 顯示字型 共陽(yáng)極段選碼 共陰極段選碼 0 C0H 3FH 1 F9H 06H 2 A4H 5BH 3 B0H 4FH 4 99H 66H 5 92H 6DH 6 82H 7DH 7 F8H 07H 8 80H 7FH 9 90H 6FH A 88H 77H B 83H 7CH C C6H 39H D A1H 5EH E 86H 79H F 8EH 71H “滅” FFH 00H 表 32中，各發(fā)光段 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 及 dp 與數(shù)據(jù)線的對(duì)應(yīng)關(guān)系是 D0～ D7，即 a 對(duì)應(yīng) D0、 b 對(duì)應(yīng) D?、依次類推，而 dp 對(duì)應(yīng) D7。只要把共陽(yáng)極數(shù) 碼管按照引腳 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp 的順序 分別 對(duì)應(yīng) 接 單片機(jī) P0 口的 ～ ，由于 P0 口在輸出時(shí)具有鎖存功能，只要用指令向 P0 口送出字段碼，數(shù)碼管就可顯示出所需字形。例如 MOV P0,3FH，若采用共陰的數(shù)碼管，則數(shù)碼管顯示“ 0”； 若采用共陽(yáng)型數(shù)八路智能搶答器的設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 60 頁(yè) 碼管， MOV P0， 88H 則顯示“ A ” 顯示功能與硬件關(guān)系極大，當(dāng)硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來(lái)解決。 七段數(shù)碼管通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示 就是顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方法，每一顯示位都需要一個(gè) 8 位的輸出口控制，一般僅用于顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合，其 特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡(jiǎn)單，但占用端口資源多； 動(dòng)態(tài)顯示 就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，利用人的視覺(jué)留感達(dá)到顯示的目的，顯示器的亮度跟導(dǎo)通的電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮的時(shí)間與間隔的比例有關(guān)，其 的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定性沒(méi)靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對(duì)靜態(tài)顯示而言占用端口資源少 ，硬件成本較低 。在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況采用的是 共陽(yáng)極 動(dòng)態(tài)顯示方法。 4位七段數(shù)碼管顯示電路如圖 35所示。 圖 35 智能搶答器顯示 模塊 圖 35 中數(shù)碼管采用的是 4 位七段 共陽(yáng)極 數(shù)碼管，其中 AH 段分別 通過(guò) 8 路 3 態(tài)緩沖驅(qū)動(dòng) 器 74LS244 接到單片機(jī)的 P0 口，由單片機(jī)輸出的 P0 口數(shù)據(jù)來(lái)決定段碼值，位選碼 COM COM COM COM4 分別接到單片機(jī)的 、 、 、 ，由單片機(jī)來(lái)決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個(gè) 10K 的電阻，連接在 P0 口上，用作P0 口的上拉電阻，保證 P0 口沒(méi)有數(shù)據(jù)輸出時(shí)候處于高電平狀態(tài)。 74LS244 輸出電 流可以達(dá)到 24mA，而一般 TTL 芯片輸出電流僅僅 8mA. 74LS244 是 8 路 3 態(tài)緩沖驅(qū)動(dòng) ,也叫做線驅(qū)動(dòng)或者總線驅(qū)動(dòng)門電路。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它有 第 21 頁(yè) 共 60 頁(yè) 8 個(gè)輸入端， 8 個(gè)輸出端 ， 它主要用于三態(tài)輸出，作為地址驅(qū)動(dòng)器，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線驅(qū)動(dòng)器，定向發(fā)送器 ，也可 用于總線的電平匹配問(wèn)題，比如 5v 器件要與 器件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，如果存在 TTL 電平和 CMOS 電平不兼容的情況中間用一片 74LS244 可以解決問(wèn)題， 74LS244 為單向傳送 。 G＝ 0 的時(shí)候，輸入 =輸出 G＝ 1 的時(shí)候，輸出 =高阻態(tài) 按鍵輸入模塊 的設(shè)計(jì) 鍵盤的分類 鍵盤是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是微型計(jì)算機(jī)最常用的輸入設(shè)備，用戶可以通過(guò)鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)。 用于單片機(jī)系統(tǒng)的鍵盤按其結(jié)構(gòu)形式分為兩類非編碼鍵盤和 非編碼鍵盤 。 編碼鍵盤即鍵盤上閉合鍵的識(shí)別有專用的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)， 由硬件邏輯電路完成必要的鍵識(shí)別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生一選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時(shí)按鍵保護(hù)功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對(duì)于主機(jī)任務(wù)繁重之情況，采用 8279可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實(shí)用的方 案。 非編碼鍵盤即鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由軟件來(lái)識(shí)別。 只簡(jiǎn)單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡(jiǎn)單，但占用CPU較多時(shí)間。 單片機(jī)系統(tǒng)中普遍采用非編碼鍵盤 ，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活等特點(diǎn)。 鍵盤接口（或處理）應(yīng)具備以下功能： 鍵掃描功能，即檢測(cè)是否有鍵按下。 產(chǎn)生相應(yīng)的鍵代碼（又稱鍵值）。 消除按鍵抖動(dòng)及多鍵按下的問(wèn)題。 在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤的應(yīng)用形式還分為獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤。 它們各有自己的特點(diǎn)。 其中獨(dú)立鍵盤 就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線，每根 I/O 口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口線上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。 八路智能搶答器的設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 60 頁(yè) 因此，此鍵盤 硬件電路簡(jiǎn)單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜， 是用于按鍵較少或操作速度較高 對(duì)硬件電路要求不高的 場(chǎng)合。 矩陣鍵盤與獨(dú)立鍵盤有很大區(qū)別，它 由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上。節(jié)省 I/O 口。矩陣鍵盤工作原理：行線通過(guò)上拉電阻接到 +5V上。無(wú)按鍵，行線處于高電 平狀態(tài)，有鍵按下，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平為高。 在硬件電路上它要比獨(dú)立鍵盤復(fù)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(shì)得多，因此它更適合于多按鍵電路。 鍵盤的工作方式有： 編程掃描方式：當(dāng)單片機(jī)空閑時(shí)，才調(diào)用鍵盤掃描子程序，反復(fù)的掃描鍵盤，等待用戶從鍵盤上輸入命令或數(shù)據(jù)，來(lái)響應(yīng)鍵盤的輸入請(qǐng)求。定時(shí)掃描工作方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)鍵盤的掃描也可用定時(shí)掃描方式，即每隔一定的時(shí)間對(duì)鍵盤掃描一次。中斷工作方式：只有在鍵盤有鍵按下時(shí)，才 執(zhí)行鍵盤掃描程序并執(zhí)行該按鍵功能程序，如果無(wú)鍵按下，單片機(jī)將不理睬鍵盤 。 鍵盤的 去抖動(dòng) 組成鍵盤的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的。 按鍵如 圖 36所示 ，當(dāng)開關(guān) S1斷開時(shí)， 單片機(jī)接入口 輸入為高電平， S1閉合時(shí)， 單片機(jī)接入口 輸入為低電平。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)，P1輸入端的波形如圖 37所示。這種抖動(dòng)對(duì)于人來(lái)說(shuō)是感覺(jué)不到的，但對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，則是完全可以感應(yīng)到的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對(duì)單片機(jī)而言，這 已是一段“漫長(zhǎng)”的時(shí)間了。如果鍵處理程序采用中斷方式的話，在響應(yīng)按鍵時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，也就是說(shuō)按鍵有時(shí)靈，有時(shí)不靈，其實(shí)就是這個(gè)原因，你只按了一次按鍵，可是單片機(jī)卻已執(zhí)行了多次中斷的過(guò)程，若執(zhí)行的次數(shù)正好是奇數(shù)次，那么結(jié)果正如你所料，若執(zhí)行的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不對(duì)了。而如果鍵處理程序采用查詢方式的話也會(huì)存在響應(yīng)按鍵遲鈍的現(xiàn)象，甚至可能會(huì)漏掉信號(hào)。 圖 36 按鍵 圖 第 23 頁(yè) 共 60 頁(yè) 圖 37 抖動(dòng)波形 圖 為了 使 CPU 能正確地讀出 按鍵接入口 的狀態(tài)，對(duì)每一次按鍵只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去除抖動(dòng)， 也 就是消除在按鍵過(guò) 程中產(chǎn)生的“毛刺” 現(xiàn)象。 常用的去抖動(dòng)的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。單片機(jī)設(shè)計(jì)中常用軟件法，因此，對(duì)于硬件方法我們?cè)诖瞬蛔鼋榻B。軟件去除抖動(dòng)其實(shí)很簡(jiǎn)單， 這里采用最常用的方法，即延時(shí)重復(fù)掃描法，延時(shí)法的原理為：因?yàn)椤懊獭泵}沖一般持續(xù)時(shí)間短，約為幾 ms，而我們按鍵的時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間 ,所以當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有按鍵動(dòng)靜 （按鍵按下或釋放） 后再延時(shí)一段時(shí)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(wú)效。 不過(guò)一般情況下，我們通常不對(duì)按鍵釋放的后沿進(jìn)行處理，實(shí)踐證明，也能滿足一定 的要求。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)按鍵的要求也是千差萬(wàn)別，要根據(jù)不同的需要來(lái)編制處理程序 。 以上是消除鍵抖動(dòng)的原則 . 雙功能及多功能鍵 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為簡(jiǎn)化硬件線路，縮小整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模，總希望設(shè)置最少的按鍵，獲得最多的控制功能。 矩陣鍵盤與獨(dú)立式按鍵鍵盤相比，硬件電路大大節(jié)省?？赏ㄟ^(guò)軟件的方法讓一鍵具有多功能。方法：選擇一個(gè) RAM 工作單元，對(duì)某一個(gè)按鍵進(jìn)行按鍵計(jì)數(shù)，根據(jù)不同計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)到子程序。這種計(jì)數(shù)多功能鍵最好與顯示器結(jié)合用，以便知道當(dāng)前計(jì)數(shù)值，同時(shí)配合一個(gè)啟動(dòng)鍵。 復(fù)合鍵是使用軟件實(shí)現(xiàn)一鍵多功能 的另一個(gè)途徑。所謂復(fù)合鍵，就是兩個(gè)或兩個(gè)以上的鍵的聯(lián)合，當(dāng)這些鍵同時(shí)按下時(shí)，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。實(shí)際情況做不到 “同時(shí)按下 ”，他們的時(shí)間差別可以長(zhǎng)到 50ms，解決策略是：定義一個(gè)或兩個(gè)引導(dǎo)鍵，這些引導(dǎo)鍵按下時(shí)沒(méi)什么意義，執(zhí)行空操作。引導(dǎo)鍵的例子：微機(jī)鍵盤上的 CTRL、 SHIFT、ALT。 缺點(diǎn)：一是操作變得復(fù)雜，二是操作時(shí)間變長(zhǎng)。 多功