基于51單片機的數字搶答器研究設計

段學濤 郭子洋 劉鑫 胡亮達 趙鍶婷

摘要：搶答器是一種在知識競賽中十分常用的器件，本設計主要采用了AT89C52單片機來作為數字搶答器的MCU，運用按鍵I/O狀態采集，定時器的配置與使用以及數碼管的顯示。采用Proteus仿真軟件進行仿真，并通過Altium Designer完成了PCB板的制作，通過焊接完成了實物的制作，經過軟件調試，完成了十路搶答器的設計

關鍵詞：AT89C52;搶答器;狀態采集;Proteus;PCB

0 引言

知識競賽不僅是中小學常見的“游戲”方式，在大學中很多的科技競賽也是作為常用的一種搶答工具，從中我們不僅可以感受到很多的樂趣也可以學到很多書本上很多學不到的知識。但是，在進行科技競賽過過程中，參賽者搶答的先后順序的確定，如果僅通過主持人的主觀意識來判斷決定，很容易產生誤判的現象。因此，本文就通過使用AT89C52主控芯片來實現十路搶答，具有鎖存、清零和設定時間的功能。并且還加入了語音播報模塊，對選手的搶答順序進行播報。利用該十路數字搶答器可以使知識競賽更加順利的進行，使搶答比賽更加公平。

1 系統整體方案設計

本系統主要分為硬件和軟件兩大部分，主控采用AT89C52芯片，采用7.2V鋰電池供電，因為主控MCU和系統器件都是5V的工作電壓，通過5V穩壓電路為系統提供穩定的5V電壓，通過按鍵實現搶答與時間的設定，完成人機交互，通過定時器來實現準確定時。通過兩位數碼管顯示設定的時間，一位數碼管顯示0-9為10位搶答選手的編號。一共有十位選手進行搶答，單片機反應時間低于0.1ms，反應時間短，一旦有選手按下搶答鍵，系統將會對其進行鎖存，直至裁判按下清零鍵，清零鍵可對系統進行清零，裁判可重新設定時間，選手重新進行搶答。本系統在原有的要求上加了SYN6288語音識別模塊，其模塊采用串口通信可直接輸出語音，默認波特率為9600bit/s，如果波特率設置不對發出的聲音會出錯，為此務必要確保單片機的串口波特率保持正確，使得播報正常。

2 系統硬件電路設計

2.1最小系統

AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業中有著廣泛的應用。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其最小系統由復位及時鐘電路組成。

2.2按鍵電路

AT89C52的I/O默認準雙向輸出，由于其具有32個通用引腳，故采用獨立按鍵的模式更加方便，SW1—SW10為選手進行搶答的按鍵，UP1、DOWN1按鍵分別用于定時時間的加減，START1為裁判的啟動按鍵。

2.3數碼管電路

本系統一共需要兩個顯示部分，第一個NUM1是顯示搶答選手的編號，第二個是系統定時的時間顯示。本數碼管都采用共陰極驅動，其中通過選擇SEG1、SEG2、SEG3來選擇不同的數碼管，利用人眼的余暉效應，可實現不同信息的顯示。

2.4蜂鳴器電路

本系統采用有源蜂鳴器，在其正負極直接加上額定電壓，就會發出響聲。由于單片機I/O輸出電流有限，不足直接以驅動蜂鳴器，故使用一個NPN的三極管對其進行驅動，此時電流足以驅動蜂鳴器使其發生聲音，R6為基極限流電阻，當beep為高電平時三極管導通，蜂鳴器發出響聲。

2.5穩壓電路

本系統采用兩節3.7V的鋰電池進行供電，電壓在7.2V左右，但單片機額度電壓在5V，故需要對電源電壓進行穩壓后輸出，穩壓芯片采用AMS117-5.0，此芯片直接將7.2V轉化為5V，并通過兩個10uf的鉭電容對其電源進行濾波，提供相對穩定的電壓。LED1用于指示系統是否通電，具有指示作用。

3 系統軟件設計

3.1軟件流程

軟件設計流程主要先對定時器進行初始化、對系統的I/O進行初始化，定時器采用10ms定時一次，之后在while（1）里面進行按鍵的判斷，在設定好時間后按下啟動按鍵，蜂鳴器響0.5s，開啟定時器，即TR0置1，在設定時間內如果有搶答按鍵按下，通過不同的I/O檢測到低電平來判斷哪一個選手進行了搶答，此時立即停止計時，顯示搶答人的編號，如果在設定時間內一直沒有搶答，那么蜂鳴器會進行報警，定時器停止計時，雙位數碼管顯示00，直至按下清零鍵。

3.2定時器設計

AT89C52采用12MHZ的晶振，由于其機器周期是（1/12M）*12為1us，采用10ms定時器中斷一次，即10ms溢出一次，當其溢出次數達到一百次時計時1s。選用定時器0，定時模式，方式0，十六位自動重裝，此時TMOD=0x00。

3.3按鍵掃描

按鍵判斷是直接讀取I/O的狀態，按鍵程序關鍵是消抖，當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。軟件處理方法即第一次判斷按鍵按下后延時20ms左右再進行一次按鍵的判斷，此時按鍵判斷為還是屬于按下時才對其操作，通過軟件消抖解決了需要再硬件上面加電容的操作，在最開始按一次按鈕，數據會加或者減少很多次，最后在按鍵判斷的后面加上一個while（KEY==0）就是為了按鍵松開才執行下面的程序，這樣子在按鍵松開后才會進行下一次的加減。

3.4數碼管顯示

本系統使用包括時間和選手的編號，通過P0口加上拉電阻，接數碼管的八個I/O，通過給不同的I/O賦值，來實現取不同的數值用P20、P21、P22選用不同的數碼管，數碼管需要顯示對其進行消隱，即顯示后在下次顯示之前對所有的I/0變成低電平，數碼管在極短的時間內滅掉，但是肉眼無法觀察到，然而有利于觀察下一次要顯示的值，數據同時還需要對時間兩位數進行取值，即分別取個位和十位來進行顯示。

4 結束語

本次的搶答器設計與平常所用的普通搶答器設計相比，通過AT89C52內置的定時計數計算搶答的時間更具可靠性，且可以檢測搶答時間內有無選手搶答，更具有適用性，將為未來知識競賽搶答提供更多有利的幫助。

5 參考文獻

[1]丁向榮.單片機原理與接口技術-基于STC15系列單片機[M].北京：電子工業出版社，2018：150-380.

[2]米閣，何建軍，謝日華，侯穎，何汶俊.數字搶答器的設計與實現[J].中國新通信，2016，18（16）：157.

[3]宋昕一，萬宏飛.基于Proteus的數碼管動態顯示與計數設計[J].電子制作，2021（08）：73-75.

[4]吳中華.Altium Designer 10使用快速入門[J].電子制作，2012（06）：75-78.

[5]宋昕一，萬宏飛.基于Proteus的數碼管動態顯示與計數設計[J].電子制作，2021（08）：73-75.

[6]宋春華，劉江濤，王貴恩，裴小英.基于單片機控制的數字搶答器[J].河南機電高等專科學校學報，2005（05）：32-33.