基于單片機(jī)的多功能搶答器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)AT89C51為核心的四路搶答器，從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了搶答器的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合Proteus軟件的仿真結(jié)果，根據(jù)電路圖焊接實(shí)物，軟件仿真及硬件調(diào)試結(jié)果表明，該搶答器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/203228. htm

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；搶答器；Proteus

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.013

引言

搶答器是各種智力競賽中必不可少的一種硬件設(shè)備。實(shí)現(xiàn)搶答器的方式有多種多樣，傳統(tǒng)的搶答器普遍采用模擬電路、數(shù)字電路或者模數(shù)混合電路來設(shè)計(jì)。這類搶答器所需元器件比較多，隨著功能增多，電路也越復(fù)雜，并且成本偏高，故障率高，操作不方便，不便于參數(shù)調(diào)節(jié)及功能的升級(jí)換代。本文采用AT89C51為核心，結(jié)合鍵盤、數(shù)碼管、蜂鳴器等外圍設(shè)備，設(shè)計(jì)了具有搶答、計(jì)時(shí)、時(shí)間調(diào)整、蜂鳴器報(bào)警等功能的4路搶答器。

總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)需求

按照設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)具有以下幾個(gè)主要功能：（1）搶答器可同時(shí)供4名選手或四支參賽隊(duì)伍使用；（2）搶答或回答時(shí)間主持人可自行設(shè)置；（3）能夠顯示搶答或答題時(shí)間的倒計(jì)時(shí)；（4）在有人犯規(guī)時(shí)可以顯示選手號(hào)、閃爍顯示以及蜂鳴器報(bào)警；（5）答題時(shí)間還剩5s時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示。

搶答器的工作原理

利用單片機(jī)控制各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)搶答功能，單片機(jī)收集選手的搶答信號(hào)，運(yùn)用寄存器來識(shí)別并記錄第一個(gè)選手號(hào)，傳輸信息給數(shù)碼管顯示，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器工作，記錄有關(guān)時(shí)間并產(chǎn)生超時(shí)信號(hào)，在搶答成功、倒計(jì)時(shí)結(jié)束都伴隨有蜂鳴器警報(bào)提醒，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)搶答的功能。

硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面利用單片機(jī)AT89C51控制搶答模塊、顯示模塊、計(jì)時(shí)及調(diào)整模塊、蜂鳴提示模塊和復(fù)位模塊，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的搶答。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2中U1為單片機(jī)AT89C51，K1～K4分別為4路搶答按鈕，分別接到p1.0到p1.3中；開始鍵和結(jié)束鍵分別接到單片機(jī)的10、11腳，由于單片機(jī)的10、11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(jī)10、11腳的IO端口功能。搶答時(shí)間調(diào)整按鍵和回答時(shí)間調(diào)整按鍵分別接到單片機(jī)的13，14管腳，“加一”按鍵和“減一”按鍵分別接到單片機(jī)的15、16管腳。4位七段數(shù)碼管段選接P0口，位選接P2口的低3位，蜂鳴器輸出信號(hào)端接P3.7口。

顯示模塊

顯示模塊采用常見的4位七段共陽數(shù)碼管，利用其動(dòng)態(tài)顯示的方法來實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管的7個(gè)輸入端A～G段分別接到AT89C51的P0.0～P0.6，位選碼COM1、COM3、COM4分別接到單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2，由單片機(jī)來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。由于AT89C51單片機(jī)的P0口沒有內(nèi)置上拉電阻，本系統(tǒng)采用外接10kΩ上拉電阻（采用A103排阻），保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出的時(shí)候是處于高電平狀態(tài)。

按鍵輸入模塊搶答器的輸入信號(hào)采用11個(gè)按鍵控制，其中4個(gè)為搶答按鍵、4個(gè)為倒計(jì)時(shí)調(diào)整按鍵、1個(gè)開始按鍵、1個(gè)結(jié)束按鍵和1個(gè)復(fù)位按鍵。各按鍵均有一根信號(hào)線與單片機(jī)電路相連，所有按鍵有一公共端，各按鍵相互獨(dú)立互不影響。當(dāng)有鍵按下時(shí)，相應(yīng)的單片機(jī)引腳作出反應(yīng)，產(chǎn)生有效的輸入信號(hào)。

蜂鳴提示模塊

本設(shè)計(jì)中利用AT89C51的16引腳經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以采用三極管的電流放大作用驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)發(fā)聲提示。

復(fù)位模塊

復(fù)位模塊由復(fù)位鍵、電阻R1以及電解電容C3構(gòu)成。由于單片機(jī)是高電平復(fù)位，所以當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)單片機(jī)9腳RESET管腳處于高電平，此時(shí)單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)上電后，由于電容的緩慢充電，單片機(jī)的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時(shí)間后，單片機(jī)的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行。

軟件設(shè)計(jì)

搶答器要求有計(jì)時(shí)記憶功能，一次時(shí)間設(shè)置完，復(fù)位后不需重新進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，選手通過鍵盤按鍵進(jìn)行搶答，再通過單片機(jī)將其轉(zhuǎn)換成能在七段數(shù)碼管上顯示的字型碼。搶答完畢，數(shù)碼管上顯示搶答選手號(hào)碼表示搶答成功并開始倒計(jì)時(shí)。

根據(jù)此設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。系統(tǒng)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(yīng)程序段如下：

DISPLAY：MOV DPTR，#DAT1；

查表顯示程序，P0.0～P0.6段選，P2.0～P2.2位選；

MOV A，R5

MOVC A，@A+DPTR

MOV P2，#01H

MOV P0，A

ACALL DELAY

MOV DPTR，#DAT2

MOV A，R4

MOVC A，@A+DPTR

MOV P2，#02H

MOV P0，A

ACALL DELAY

基于Proteus的系統(tǒng)仿真

Proteus軟件不僅能仿真單片機(jī)的工作情況，還能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其他電路的工作情況。本設(shè)計(jì)經(jīng)仿真后，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的搶答器的功能。

搶答成功模塊

圖4顯示4號(hào)選手搶答成功，并且答題時(shí)間還剩余52秒，當(dāng)答題時(shí)間還剩5秒內(nèi)時(shí)，會(huì)有蜂鳴警報(bào)。

非法搶答模塊

圖5顯示的是1號(hào)選手在主持人未按下開始鍵下的非法搶答，此時(shí)數(shù)碼管上不停的閃爍并伴有蜂鳴警報(bào)。

時(shí)間調(diào)整模塊

圖6顯示通過“加一”或“減一”鍵來調(diào)整搶答時(shí)間和答題時(shí)間的時(shí)間，此時(shí)在數(shù)碼管上顯示的為時(shí)間設(shè)置成58秒。

復(fù)位模塊

圖7顯示剛開始工作以及復(fù)位后，數(shù)碼管上顯示初始狀態(tài)“FFF”。本設(shè)計(jì)采用了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種方式：在只采用系統(tǒng)默認(rèn)的搶答時(shí)間和答題時(shí)間時(shí)，2種復(fù)位都能達(dá)到所需求的目的；當(dāng)已經(jīng)重新設(shè)置過倒計(jì)時(shí)時(shí)間時(shí)，需要應(yīng)用軟件復(fù)位，其只是執(zhí)行命令后跳轉(zhuǎn)，對(duì)片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。而硬件復(fù)位會(huì)使專用寄存器的狀態(tài)初始化。

硬件實(shí)現(xiàn)

在Proteus仿真實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的基礎(chǔ)上，將單片機(jī)AT89C51、復(fù)位電路、蜂鳴器電路、顯示電路、按鍵電路和電源電路進(jìn)行焊接，制作完成的4路搶答器如圖8所示。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)以實(shí)際電路作為最終成果形式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的搶答、倒計(jì)時(shí)、報(bào)警等各項(xiàng)功能，可適用于一般的競賽場合，具有一定的實(shí)用價(jià)值。此外，本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，如自動(dòng)控制記分器進(jìn)行記分，并通過串行口與PC機(jī)通信，用PC機(jī)統(tǒng)計(jì)選手得分情況，實(shí)現(xiàn)智能化、公平、公正的搶答，減小人為因素的影響。也可將搶答按鍵采用無線設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如紅外線，使搶答選手可以遠(yuǎn)距離地進(jìn)行搶答，簡化按鍵模塊的線路布置。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，（05）

[2] 周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004

[3] 孫凌燕，黃允千.Proteu與Keil軟件的整合在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，（4）

[4] 鄒顯圣.基于單片機(jī)控制的智能搶答器研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，（7）

[5] 潘霖.基于單片機(jī)控制的搶答器設(shè)計(jì)[J].大眾科技，2012，（07）

[6] 張建平.單片機(jī)多路搶答器[J].無線電，2008（3）

[7] 王冬梅，張建秋.基于單片機(jī)的八路搶答器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（05）

[8] 吳迅，盧洪武.應(yīng)用單片機(jī)的八路搶答器的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2008（11）

[9] 張靖武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[10] 謝道平.基于Proteus仿真的單片機(jī)多功能智能搶答器的設(shè)計(jì)[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（10）

[11] 周功明，周陳琛.基于單片機(jī)AT89C2051的九路多功能智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)[J].儀器與儀表，2006（20）