搶答器的設計與制作

1、.搶答器的設計與制作【摘要】文章介紹了一種單片機控制的智能化搶答器,該搶答器可克服普通搶答器存在的缺陷。詳細介紹了其硬件結構和軟件設計方法。設計了一種以單片機AT89C51為核心的四路搶答器，從硬件和軟件兩方面詳細介紹了搶答器的設計方法，結合Proteus軟件的仿真結果，根據電路圖焊接實物，軟件仿真及硬件調試結果表明，該搶答器的設計實現了預期的目標。【關鍵詞】搶答器；有效搶答；違規(guī)搶答；單片機Abstract This paper introduces a microprocessor controlled intelligent Responder, the Responder Respon

2、der can overcome the common defects. Details of their hardware and software design methods. Designed a microcontroller AT89C51 as the core of four Responder, both from the hardware and software described in detail Responder design approach, combined with the simulation results Proteus software, acco

3、rding to the circuit diagram welding kind, software simulation and hardware debugging results show that the Responder is designed to achieve the desired objectives. Key words Responder; effective answer; violation Responder; SCM目錄搶答器的設計與制作1引言2一、搶答器的組成與原理21.1電路組成與原理31.2主體電路的功能31.3控制系統的工作原理4二、總體設計42.1

4、設計需求42.2搶答器的工作原理42.3硬件設計52.4顯示模塊62.5按鍵輸入模塊62.6蜂鳴提示模塊62.7復位模塊7三、軟件設計73.1違規(guī)搶答信號的記錄73.2第一有效搶答信號的識別及處理83.3多個第一有效搶答信號的處理83.4中斷9四、基于Proteus的系統仿真104.1搶答成功模塊104.2非法搶答模塊104.3復位模塊104.4硬件實現11五、結論11參考文獻12引言單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等“智能型”工業(yè)產品。在知識競賽搶答中，簡單電路設計的搶答器，只靠人的能力很難判斷出哪一組先搶答，且故障率高、體積大應用不方便。利用單

5、片機編程設計搶答器，能輕松地分辨出搶答的次序，且具有體積小、故障率低的優(yōu)點。一、搶答器的組成與原理搶答器又稱第一信號鑒別器，應用于各種知識競賽、文娛活動等場合。普通搶答器存在以下缺陷：1）在一次搶答過程中，當出現超前違規(guī)搶答時，只能處理違規(guī)搶答信號，而對沒有違規(guī)的有效搶答信號不能進行處理。因而,使該次搶答過程變?yōu)闊o效。2）當有多個違規(guī)搶答時，普通搶答器只能“抓住”其中一個，出現“漏洞”。3）當同時出現多個有效搶答信號時，普通搶答器或采用優(yōu)先編碼電路選擇其中一個；或利用搶答電路電子元件的“競爭”選擇其中一個。對于后者，由于搶答電路制作完畢后電子元件被固定,各路搶答信號的“競爭”能力也被固定,因而

6、本質上也具有優(yōu)先權。普通搶答器因而存在不公平性。搶答器是各種智力競賽中必不可少的一種硬件設備。實現搶答器的方式有多種多樣，傳統的搶答器普遍采用模擬電路、數字電路或者模數混合電路來設計。這類搶答器所需元器件比較多，隨著功能增多，電路也越復雜，并且成本偏高，故障率高，操作不方便，不便于參數調節(jié)及功能的升級換代。本文介紹一種以單片機為控制核心的智能型搶答器,它對采樣獲得的各路搶答信號進行分析,識別超前違規(guī)信號、有效搶答信號，并對它們進行處理。使每一次搶答過程都有效。利用存儲器記憶多個違規(guī)信號,克服“漏洞”現象。當同時出現多個搶答信號時,利用程序軟件，隨機選擇其中一個,十分公平。具有倒計時、驗鍵、違規(guī)

7、顯示等功能。本文采用AT89C51為核心，結合鍵盤、數碼管、蜂鳴器等外圍設備，設計了具有搶答、計時、時間調整、蜂鳴器報警等功能的4路搶答器。1.1電路組成與原理硬件電路原理圖見圖1。采用AT89C51單片機作為控制核心。AN0AN7為8個搶答鍵，P0.0P0.7為8路搶答信號輸入端，當有搶答鍵按下時，對應的輸入端為低電平“0”，反之為高電平“1”。AN8為搶答啟動鍵，在搶答開始時，按動一下AN8鍵，向單片機申請一次INT0中斷，單片機在中斷服務程序中對搶答信號進行采樣和識別處理。采用二位LED共陰數碼管以動態(tài)掃描方式對搶答鍵號、違規(guī)搶答鍵號、倒計時時間等信息進行顯示。倒計時時間由選擇開關K2進

8、行選擇，本設計共有4個時間檔供選擇(15秒、30秒、60秒、90秒)。AN10為違規(guī)顯示鍵，按動AN10鍵，可對一次搶答過程中出現的所有超前違規(guī)搶答的鍵號進行顯示。K1為驗鍵功能選擇開關，當需要驗鍵時，將K1閉合，可檢驗各搶答鍵能否正常工作，驗鍵完畢,將K1打開。LED1為違規(guī)指示燈，當一次搶答過程存在違規(guī)搶答信號時，LED1發(fā)光指示。1.2主體電路的功能一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程：開關S置于清除端時，RS觸發(fā)器的端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的0，使之處于工作狀態(tài)。當開關S置于"

9、開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出經RS鎖存后，1Q=1,=1,74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經譯碼顯示為5。此外，1Q1，使74LS1481，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74LS148的此時由于仍為1Q1，所以74LS148仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將開關重新置“清除”然后再進行下一輪搶答?？深A置時間的定時電路;由節(jié)目主持人根據搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間，通過預置時間電路對計數器進行預置，計數器的時鐘脈沖由秒脈沖

10、電路提供?？深A置時間的電路選用十進制同步加減計數器74LS192進行設計。1.3控制系統的工作原理當主持人按下RESET鍵時，智能搶答器系統立即完成復位操作，此時搶答器進入正常的工作狀態(tài)（等待選手按鍵）；當主持人宣布搶答開始時，參賽選手開始進行搶答按鍵操作，當其中的某一個選手成功按下搶答鍵時（例如S4按鍵被按下），AT89C51單片機P0口對應的口線P0.3就由高電平變?yōu)榈碗娖?。當CPU檢測到該口線為低電平時，將P1.0口線由原來的高電平狀態(tài)切換為低電平狀態(tài)，發(fā)光二極管DS1亮，同時P1.7口線也由原來的高電平狀態(tài)切換為低電平狀態(tài)，蜂鳴器B1發(fā)出響聲，提示主持人和現場觀眾已經有選手成功地實現了

11、搶答操作。與此同時，CPU立即將成功進行搶答操作的選手編號通過P2口進行輸出，將選手的編號顯示在由七段數碼管構成的選手編號指示器上。這樣一來無論是參賽選手、現場觀眾，還是主持人都會很清楚地觀察到成功實現搶答操作的選手的編號，進而由該選手進行現場答題。二、總體設計2.1設計需求按照設計需求，本系統具有以下幾個主要功能：（1）搶答器可同時供4名選手或四支參賽隊伍使用；（2）搶答或回答時間主持人可自行設置；（3）能夠顯示搶答或答題時間的倒計時；（4）在有人犯規(guī)時可以顯示選手號、閃爍顯示以及蜂鳴器報警；（5）答題時間還剩5s時，蜂鳴器報警提示。2.2搶答器的工作原理利用單片機控制各個功能模塊實現搶答功

12、能，單片機收集選手的搶答信號，運用寄存器來識別并記錄第一個選手號，傳輸信息給數碼管顯示，同時部定時器工作，記錄有關時間并產生超時信號，在搶答成功、倒計時結束都伴隨有蜂鳴器警報提醒，從而實現單片機搶答的功能。根據設計需求，結合單片機的作原理，設計搶答器的工作流程圖如下圖所示。2.3硬件設計在硬件設計方面利用單片機AT89C51控制搶答模塊、顯示模塊、計時及調整模塊、蜂鳴提示模塊和復位模塊，從而實現單片機的搶答。系統硬件設計原理圖如下圖所示。上圖中U1為單片機AT89C51，K1K4分別為4路搶答按鈕，分別接到p1.0到p1.3中；開始鍵和結束鍵分別接到單片機的10、11腳，由于單片機的10、11

13、腳既有串行接口RXD、TXD功能又有P3.0、P3.1的IO端口功能，此處按鍵用到單片機10、11腳的IO端口功能。搶答時間調整按鍵和回答時間調整按鍵分別接到單片機的13，14管腳，“加一”按鍵和“減一”按鍵分別接到單片機的15、16管腳。4位七段數碼管段選接P0口，位選接P2口的低3位，蜂鳴器輸出信號端接P3.7口。2.4顯示模塊顯示模塊采用常見的4位七段共陽數碼管，利用其動態(tài)顯示的方法來實現。數碼管的7個輸入端AG段分別接到AT89C51的P0.0P0.6，位選碼COM1、COM3、COM4分別接到單片機P2.0、P2.1、P2.2，由單片機來決定當前該顯示的是哪一位。由于AT89C51單

14、片機的P0口沒有置上拉電阻，本系統采用外接10k上拉電阻（采用A103排阻），保證P0口沒有數據輸出的時候是處于高電平狀態(tài)。2.5按鍵輸入模塊搶答器的輸入信號采用11個按鍵控制，其中4個為搶答按鍵、4個為倒計時調整按鍵、1個開始按鍵、1個結束按鍵和1個復位按鍵。各按鍵均有一根信號線與單片機電路相連，所有按鍵有一公共端，各按鍵相互獨立互不影響。當有鍵按下時，相應的單片機引腳做出反應，產生有效的輸入信號。2.6蜂鳴提示模塊本設計中利用AT89C51的16引腳經驅動器驅動蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅動電流，可以采用三極管的電流放大作用驅動蜂鳴器實現發(fā)聲提示。2.7復位模塊復位模塊由復位鍵

15、、電阻R1以及電解電容C3構成。由于單片機是高電平復位，所以當復位鍵按下時單片機9腳RESET管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態(tài)，當上電后，由于電容的緩慢充電，單片機的9腳電壓逐步由高向低轉化，經過一段時間后，單片機的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機上電復位完畢，系統程序從0000H開始執(zhí)行。本設計中使用了硬件復位和軟件復位兩個功能。硬件復位后各個狀態(tài)、寄存器以及存儲器的值都恢復到了初始值。調整搶答和回答倒計時時間，需要記憶功能，故采用軟復位，當程序執(zhí)行完畢后，跳轉指令將程序跳轉到程序執(zhí)行的起始地址。三、軟件設計系統軟件由主程序和INT0中斷服務程序組成。主程序由驗鍵、違規(guī)顯示、倒計時

16、等功能子程序組成。系統完成初始化后，循環(huán)檢查各個功能，當用戶使用某個功能時，按下相應的按鈕（或開關），單片機進入相應的功能處理。INT0中斷服務程序完成搶答信號采樣和識別處理。主程序框圖見下圖。3.1違規(guī)搶答信號的記錄搶答開始按動AN8鍵，單片機進入INT0中斷服務程序。先采樣P0口,并將采樣值送入工作寄存器R0，使LED顯示“HH”字形,提示搶答開始。顯然,R0中寄存了搶答開始前最后一瞬間各路搶答輸入信號。若無違規(guī)搶答,R0值為FFH；若有違規(guī)搶答,R0值不為FFH，R0中為0的位對應的搶答鍵屬違規(guī)。若R0=10111110B,表示AN0和AN6二路搶答鍵違規(guī)；出現R0=00H時,表示八路搶

17、答全部違規(guī),LED顯示“UU”,并發(fā)出音響,延時5秒后返回主程序,需重新搶答。所謂“有效搶答信號”是指從LED顯示“HH”字形提示搶答開始之后的搶答信號。在搶答提示之前的搶答信號屬于“違規(guī)信號”，最先到達的有效搶答信號稱為“第一有效搶答信號”。3.2第一有效搶答信號的識別及處理搶答提示之后，單片機再采樣P0口，用于檢測搶答信號。將采樣值送入工作寄存器R1，若R1值為FFH表示還無人搶答，繼續(xù)采樣P0口；若R1值不為FFH，表示有人按下搶答鍵。但還應判斷是否由違規(guī)搶答所導致，這只需將R1值與R0值進行比較，若R1與R0值相同,表示是由違規(guī)搶答所導致,則繼續(xù)采樣P0口；若R1與R0值不相同，則表示

18、存在有效搶答,不再采樣P0口。此時,R1中含有第一有效搶答信號。為了提取R1中第一有效搶答信號，拋棄其中的違規(guī)搶答信號,可進行如下處理：將R0與R1相“異或”再與R0相“與”。并將運算結果送工作寄存器R2,即(R0R1)·R0R2經上述邏輯運算可知：若搶答鍵ANi(i=0,1,2,7)產生第一有效搶答信號，則R2中第i位為1(R2.i=1)。若R2值為0表示無有效搶答信號。表1為搶答過程中可能出現的4種搶答信號處理過程。(R2=(R0R1)·R0，i=0,1,2,7)3.3多個第一有效搶答信號的處理在搶答過程中，往往會出現多個搶答鍵同時按下，或者時間差非常短，單片機無法識別

19、它們之間的時間差。此時,R2中會出現多個為1的位。即出現多個第一有效搶答信號。但每次搶答過程只能輸出顯示一個第一有效搶答信號。公正處理這個問題的方法是隨機地挑選其中一個。本設計采用一種隨機定位查找方法：將R2中各位的查找順序排成一個環(huán)，如圖4所示。然后找出一個隨機數x,從第x位開始按上述查找順序環(huán)規(guī)定的查找順序查找R2中為1的位，第一個被找到值為1的位，其對應的搶答信號作為被選擇的第一有效搶答信號。本設計搶答鍵的數目為8個,隨機數x可選擇為07。例如，假設x=3，R2=01010001B,即出現三個第一有效搶答信號(對應AN6、AN4、AN0三個鍵),根據上述方法，則從D3位開始查找,第一個被

20、找到為1的位是D4，因而搶答鍵AN4被選中。搶答器要求有計時記憶功能，一次時間設置完，復位后不需重新進行時間設定，選手通過鍵盤按鍵進行搶答，再通過單片機將其轉換成能在七段數碼管上顯示的字型碼。搶答完畢，數碼管上顯示搶答選手表示搶答成功并開始倒計時。根據此設計思路，系統軟件設計流程圖如圖3所示。系統采用Keil軟件參照軟件流程圖編寫匯編語言。以顯示模塊為例，相應程序段如下：DISPLAY:MOVDPTR,*DAT1；查表顯示程序，P0.0P0.6段選，P2.0P2.2位選；MOVA,R5MOVCA,A+DPTRMOVP2,*01HMOVP0,AACALLDELAYMOVDPTR,*DAT2MOV

21、A,R4MOVCA,A+DPTRMOVP2,*02HMOVP0,AACALLDELAYMOVA,R3MOVCA,A+DPTRMOVP2,*04HMOVP0,AACALLDELAYRETDAT1:DB00H,06H,5bH,4fH,66H,6dH,7dH,07H,7fH,6fH,00H,71H;DAT2:DB3fH,06H,5bH,4fH,66H,6dH,7dH,07H,7fH,6fH,00H,71H71H;3.4中斷中斷是指由于某種隨機事件的發(fā)生，計算機暫?，F行程序的運行，轉去執(zhí)行另一個程序，以處理發(fā)生的事件，處理完畢后又自動返回原來的程序繼續(xù)運行。有5種中斷源：外部中斷0、外部中斷1、定時器

22、中斷0、定時器中斷1、串行中斷。對它們的描述見表。(2)中斷允許控制寄存器IE：對中斷源的開放或屏蔽是由中斷寄存器IE控制的，地址為0A8H，既可以按字節(jié)尋址，也可以按位尋址。當單片機復位時，IE被清零。(3)串行控制寄存器SCON：定時/計數器的控制方法，在啟動定時/計數器工作之前，CPU必須將一些命令(稱為控制字)寫入定時/計數器中，這個過程稱為定時/計數的初始化。定時/計數器的初始化通過定時/計數器的方式，由寄存器TMOD和控制寄存器TCON來完成。定時/計數器方式寄存器TMOD中斷程序的編寫步驟：根據要求設置IE(中斷允許寄存器)的對應位EA(EA總中斷允許位：EA=1，開放所有的中斷

23、；EA=0，禁止所有的中斷)，某個中斷源還有相應的中斷允許位。(4)INT0，INT1設定觸發(fā)方式IT0(外部中斷觸發(fā)方式控制位)當其為0時：低電平觸發(fā)；當其為1時：下降沿觸發(fā)。(5)返回值是Void中斷函數名(interrupt)。四、基于Proteus的系統仿真Proteus軟件不僅能仿真單片機的工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。本設計經仿真后，實現了預期的搶答器的功能。4.1搶答成功模塊圖（左上）顯示4號選手搶答成功，并且答題時間還剩余52秒，當答題時間還剩5秒時，會有蜂鳴警報。4.2非法搶答模塊圖（右上）顯示的是1號選手在主持人未按下開始鍵下的非法搶答，此時數碼管上不停的閃爍并伴有蜂鳴警報。