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数字抢答器设计120229

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: 数字抢答器设计

摘 要
单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的,选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。
本文设计的八路抢答器采用了数字显示器直接指示、自动锁存显示结果、并自动复位的设计思想，因而具有显示直观、不需要人为干预的特点。本设计采用AT89S52单片机作为控制核心,控制系统可分为五个模块：存储模块、显示模块、定时模块、报警模块、抢答开关模块.通过八个按键开关输入抢答信号,利用蜂鸣器发声实现报警功能，利用存储程序实现存储功能，利用一个四位一体数码管来完成显示功能。单片机控制的数字抢答器具有电路简单、成本低、运行可靠等特色,因而具有较好的应用前景。

关键词：单片机，抢答器，定时，报警

目 录
第1章 引 言 ………………………………………………………………………3
1。1 数字抢答器概述 ……………………………………………………………3
1.2 抢答器的设计要求 …………………………………………………………3
1.3 系统主要功能 ……………………………………………………………4
第2章 抢答器硬件设计 …………………………………………………………5
2。1 元器件的选择 ……………………………………………………………5
2。2 系统的硬件构成及功能 …………………………………………………5
2.2.1 工作原理 ………………………………………………………………7
2.2。2 单元电路设计 ………………………………………………………8
2。2。3 八路抢答器实物图 ………………………………………………12
第3章 抢答器软件设计 ……………………………………………………………13
3.1 系统主程序设计 …………………………………………………………13
3。2 中断服务程序设计 ………………………………………………………14
3.3 抢答器的源程序 …………………………………………………………16
结 论 ……………………………………………………………………………27
致 谢 ………………………………………………………………………………28
参考文献 ……………………………………………………………………………29
附 录 ………………………………………………………………………………30
附录一：元器件清单 ………………………………………………………………30
附录二：设计原理图 ………………………………………………………………31

第1章 引 言
对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答,抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。本设计是基于单片机设计抢答系统,通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的功能。单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯"，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命",使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。因而具有较好的应用前景。
1。1 八路数字抢答器的概述
本文介绍的八路数字抢答器具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点,经使用效果良好， 具有较高的推广价值.无线遥控抢答器，它由8个发射器和1个接收器组成,可用于8组或8组以下的智力竞赛中。比赛前,将参赛组从0至7编号，每组发给对应的一个发射器。将接收器放于各组中央或前方。主持人按一下启动键后，抢答开始.此后，哪一组最先按下发射器上的抢答键,接收器就立即显示该组的组号并锁定，同时发出3次清脆的“叮咚”声。以后，按下任何一路抢答键均不起反映.只有主持人再次按动启动键后，才能进行下一次抢答。该电路由直流稳压电源、抢答器、超时报警与电子计分四部分组成。
1.2 抢答器的设计要求
（1）要求：
①抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮可K1～ K8表示。
②设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制.
③抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号,并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
④抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人设定(如30秒）。当主持人启动”开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
⑤参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效,定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止.
⑥如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
(2)必须具备的条件:
①具备单片机的知识
②单片机应用的基本条件
1.3系统主要功能
其主要功能有：
（1）具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。
（2)具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。
(3)30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。
（4)如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节”键或”答题时间调节”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"加1s"键,如果想减一秒按一下”—1s”键,时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s～99s, 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s.
（5）主持人按"抢答开始”键，会有提示音,并立刻进入抢答倒计时（预设15s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设10s抢答时间），不进行抢答查询,所以只有第一个按抢答的选手有效.倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。
(6)如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按"停止"按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按”抢答开始"进入下次抢答计时.
(7)如果主持人未按”抢答开始”键,而有人按了抢答按键，犯规抢答,LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下”停止"键为止.

第2章 抢答器硬件设计
2.1 元器件的选择
本设计使用到的元器件包括：AT89S52芯片、共阳四位一体数码管、石英晶体、蜂鸣器、三极管、电容、电阻、发光二极管等.
其中AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，如图1所示，片内含8k Bytes ISP(In—system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS—51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

图1 AT89S52外观图

AT89S52具有如下特点:40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器(RAM）,32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其封装图如图2所示.

图2 AT89S52封装图

本设计中用的数码管是四位一体数码管，它是四位动态显示数码管，其内部有4个共阳极数码管,数码管的管脚图如图3所示：

图3 四位一体数码管管脚图
管脚顺序：从数码管的正面观看，以第一脚为起点，管脚的顺序是逆时针方向排列。12—BIT4，9-BIT3,8—BIT2，6—BIT1，BIT4~ BIT1分别为四个数码管的位选通端，当这些引脚为高电平时,选通对应的数码管.七段显示数码管的其他引脚分别为:A—11， B—7，C-4，D-2，E—1，F-10，G-5,DP—3，当这些引脚为低电平时，对应的数码显示段就发亮。
2。2 系统的硬件构成及功能
2.2。1 工作原理
基于数字抢答器的功能要求，需设计有抢答电路、译码显示电路、主持人控制电路、定时电路、报警电路,各个电路都有其自己的功能。通过复位按键FW，电路进入就绪状态，等待抢答。首先由主持人根据题目的难易程度，可以用“加1”和“减1”两个按键，设定时间在（0S—99S）之间，然后再由主持人发布抢答命令(按下K11按键）同时发光二极管随即变亮，当看到二极管亮,进入倒计时状态和抢答状态。在电路中“K1-K8"为8路抢答器的8个按键，如果有人按下按键，程序就会判断是谁先按下的,然后从P1口输出抢答者号码的七段码值,送到数码管显示，并封锁键盘，保持刚才按键按下时刻的时间，禁止其他人按键的输入,从而实现了抢答的功能.如果在设定的时间中没有一个人按下按键，一到时间,则产生报警信号已经超时,不可以抢答.当要进行下一次的抢答时,由主持人先按一下复位按键FW,电路复位，进入下一次抢答的就绪状态。
2.2.2 单元电路设计
（1）抢答按键电路设计
参考电路如图4所示,K1~K8为八路抢答按键开关，分别与单片机AT89S52的P2。0~P2。7端口相连接。当按键开关按下时，相应的P2端口为低电平，被单片机检测到并执行相应的程序，比如让数码管显示或者报警电路发声等。图中,电容C6~C13均为去抖动电容，R17～R24均为上拉电阻.
该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键时的先后，单片机锁存优先抢答者的编号，同时四位一体数码管显示选手编号；二是禁止其他选手按键无效.

图4抢答按钮电路图

图5 四位一体数码管显示电路

四位一体共阳数码管显示电路如图5所示。对照图3的数码管引脚图可以看出，a~dp 8 段（送低电平点亮对应段），即引脚1~5、7、10、11八个引脚，分别对应接到单片机的P1。0～P1.7引脚，个位～千位选通端（送高电平选通对应位)，即引脚的6、8、9、12四个引脚，分别由P0。0～P0。3接通有效.显示的时候,只需要把待显示的数据段代码送P0口,再由相应的位选通选择显示位即可点亮。例如:如果要在个位上显示“7”，首先需将“7”的段代码F8H查出并送P1口，然后立即选通P0。0，即令P0.0为低电平，从而选通个位数码管.
这里采用的是数码管动态扫描显示原理。根据发光二极管掉电后的余辉效应,即发光管断电后的20ms内发光管体还有剩余发光度,而利用人体眼睛对这些剩余光线的惰性,即可编程实现动态扫描，但是值得注意,动态扫描的时间间隔不得超过20ms，否则显示会出现闪动现象。
(2)复位电路的设计
参考电路如图6所示,当AT89S52单片机的复位引脚RST(全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位运作.如果RST持续为高电平(主持人按下开关）,单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求,复位运作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。AT89S52的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位.在正常运行程序时该引脚为低电平.此外，RESET/Vpd还是一复用脚,VCC掉电期间，此脚可接上备用电源，向片内的RAM供电，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

图6 复位电路 图7 发声报警电路

（3） 发声报警电路设计
参考电路如图7所示，发声报警电路由扬声器（SPEAKER）和相应的电流驱动电路组成。扬声器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合.扬声器的工作电流比较大,电路上的TTL 电平基本上驱动不了扬声器，需要增加一个电流放大电路才可以。
图8中的PNP三极管、R16、R15和电源VCC构成了扬声器的电流驱动电路。当单片机的P3.4置为低电平时，PNP三极管导通，此时就有大电流由电源VCC经电阻R16流过扬声器,从而可以驱动扬声器发声。
该电路要完成以下三项功能：
①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进行工作。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作.
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声, 同时抢答和定时电路停止工作。
实现:优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次*作"清除"和”开始”状态开关。
(4) 定时电路设计
参考电路如图8所示，由节目主持人根据抢答题的难易程度,设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对单片机计数器进行预置。K11为抢答和答题时间设置键， K9键为加“1s”键， K10为减“1s"键， K12为抢答开始/停止键，K9～ K12分别接单片机的P3。0～P3.3端口。当按下K11键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下”加1s”键，如果想减一秒按一下"-1s”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s～99s， 0s时再减1s会跳到99s，99s时再加1s会变到0s.

图8 定时电路设计

(5) 发光二极管红绿灯显示
参考电路如图9所示，D1、D2为红色发光二极管，用于抢答指示和犯规指示，分别由单片机的P0.4和P0.5控制，D3、D4为绿色发光二极管，用于设置时间指示分别由单片机的P0.6和P0.7控制。

图9 发光二极管显示电路

2。2。3 八路数字抢答器实物图
本设计运用EDA技术画出原理图，并生成PCB图，把电容、电阻等一些插件的元气件换成贴片的元气件，从而提高了整个电路板的美观性,使电路板的面积减小大大减小，低了整个设计的成本。
设计好的八路数字抢答器的实物图如图10所示.

图10 八路数字抢答器的硬件电路板

第3章 抢答器软件设计
在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候， 在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题.利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒,也可分辨出哪组优先答题.本系统采用AT89S52单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为:存储模块、显示模块、报警模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过开关电路八个按键输入抢答信号；利用蜂鸣器发声实现报警功能; 利用存储程序实现存储功能；利用一个四位一体数码管来完成显示功能。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制数码管和报警电路工作。

3。1系统主程序设计
抢答器工作过程如下：
(1)首先主持人选定倒计时时间，单片机获取此信息。如果没有人为设置，默认为10s。
（2)在按下抢答按键之前，四位一体数码管全部显示“0"。
（3)按下抢答按键之后，蜂鸣器响一声，单片机开始倒计时，四位一体数码管显示倒计时时间。
(4）如果有竞赛者率先在规定时间内按键，则蜂鸣器响一声，数码管显示该竞赛者的编号。
(5)如果在主持人未按下抢答按键的时候有选手抢答，则此时蜂鸣器响一声指示有人犯规。
（6）如果在规定时间内无人按键，时间到时蜂鸣器响一声后停止工作。
无论是在规定时间内有人按键、在规定时间内无人按键或者是有人犯规,都需要主持人再按一下抢答按键，之后单片机根据设置状态决定倒计时时间,数码管全部显示“0",恢复到初始状态，准备下一轮抢答。
主程序流程图如图11所示。

图11 主程序流程图

3。2 中断服务程序设计
中断服务程序流程图（如图12所示)完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用AT892051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms×8,即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1小时，则时计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便重新计数。

中断服务程序
是INT中断则转服务程序

将端口RC清0

置RC端引脚为高

调一秒延时子程序

是RB中断则转服务程序
调防时延时子程序

将RB的变化显示啊RC
清除RB中断标出

检查抢答是否以放

恢复现场

中恢复现场

调查中断源

是
否
图12中断服务流程图

结 论

致 谢

参考文献
［1］ 徐江海 主编《单片机实用教程》。机械工业出版社
[2］ 胡宴如 耿苏燕 主编《模拟电子技术基础》。高等教育出版社
[3］ 彭介华 主编《电子技术课程设计指导》.高等教育出版社
[4］ 王新贤 主编《通用集成电路速查手册》。山东科学技术出版社
［5］ 赵明富 主编《EDA技术基础》.中国图书网
［6] 任致程 主编《经典集成电路400例》。机械工业出版社
[7] 谢筑森 张辉 主编《单片机开发与典型应用设计》。中国科学技术大学出版社

附 录

附录一：元器件清单

序号
名称
型号
数量
备注
1
PCB板

1

2
轻触开关

13

3
数码管
共阳4位一体
1

4
AT89S52单片机

1

5
石英晶体
12MHz
1

6
蜂鸣器

1

7
三极管
9013
1
贴片
8
电容
22pF
2
贴片
9
发光二极管
红
2

10
发光二极管
绿
2

11
电容
0.1μF
13
贴片
12
电容
470u/16V
1
插件
13
电阻
1kΩ
12
贴片
14
电阻
100Ω
2
贴片
15
电阻
39Ω
12
贴片
16
电阻
100K
1
贴片
17
集成电路插座
DIP40
1

附录二：原理图

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