智能抢答器的分析与设计.docx

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智能抢答器的分析与设计

摘要

在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。

在我们各种竞赛中我们也经常能看到有抢答的环节，某些举办方采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性，而抢答器的应用就能避免这种弊端。

。

本设计是以多路抢答为基本理念。

考虑到依需设定限时回答的功能，利用80C51单片机及外围接口实现的抢答系统，同时使数码管能够正确地显示时间。

用开关做键盘输出，扬声器发声提示。

同时系统能够实现：

在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

关键词：

80C51，LED数码管，抢答器，计时

ABSTRACT

Inallkindsofintelligencecompetitionsituations,responderisessentialtothemostfairappliances.Inourvariouscompetitionsweoftencanseetheanswerinthelink,somepartyheldbytheplayersthroughananswerplatemethodtodeterminetheanswer'sright,thistoacertainextentbecausethehostofunfaircompetitioncausedbysubjectivejudgments,andtherespondershouldbeabletoavoidthedisadvantagesofusing.

Thedesignisbasedonthebasicideaofmultianswer.Consideringaccordingtoneedtosetthefunctionofthelimitanswer,answersystembasedontheMCU80C51andperipheralinterface,whilethedigitaldisplaytothecorrecttime.Useswitchtodokeyboardoutput,speakersoundprompt.Atthesametime,thesystemcanberealized:

intheanswer,onlyaftertheanswerisvalid,ifatthebeginningofpreansweranswerinvalid;answerintimeandanswerquestionsthetimelimitinthe1-99sset;canshowwho'seffectiveandansweranswerinvalid,rightafterthemusickeystips;answerintimeandanswerquestionsdowntimetimedisplay,fullautomaticresetafterthesystemtimingandcontrolforcedreset;keylockintheeffectivestate,thekeyisinvalidillegal.

Keywords:

80C51,LEDdigitaltube,buzzer,timing

第1章绪论......................................................11.1课题研究的相关背景..........................................11.2选题的目的和意义............................................11.3课题研究的内容..............................................11.4国内外研究现状..............................................11.5抢答器目前存在的主要问题.....................................2第二章抢答器的系统概述...........................................22.1系统的主要功能.............................................22.2系统需求分析...............................................32.3抢答器的工作流程...........................................42.4抢答器的工作过程...........................................52.580C51特殊功能寄存器.......................................52.680C51的功能及简介.........................................62.7抢答器的优点及组成.........................................7第三章系统总体方案的设计.........................................73.1硬件电路的设计.............................................73.2总体原理图.................................................83.3时钟频率电路的设计.........................................93.4复位电路的设计............................................103.5显示电路的设计............................................103.6键盘扫描电路的设计........................................123.7发声电路..................................................13第四章软件设计..................................................144.1主程序系统结构图..........................................144.2软件任务分析..............................................144.3程序流程图................................................154.4主要程序分析..............................................16第五章PROTEUS7PROFESSIONAL仿真系列组图..........................24

5.1复位图....................................................245.2设置计时时间..............................................245.3非法抢答并显示座号........................................255.4抢答成功并显示倒计时......................................25第六章总结与展望................................................266.1总结......................................................266.2展望......................................................26致谢.............................................................27

参考文献........................................................28

第1章绪论

1.1课题研究的相关背景

抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。

早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。

现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。

本课题利用80C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。

用开关做键盘输出，扬声器发声提示。

系统达到要求：

在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可设在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法

1.2选题的目的和意义

通过这次设计，掌握51单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。

同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。

初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。

提高动手能力和排除故障的能力。

1.3课题研究的内容

本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。

主持人有开始和结束、复位键。

在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为20s，回答问题时间为30s。

通过加键和减键修改。

改完后结束键确定。

新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发声提示。

如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发声。

主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。

所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。

1.4国内外研究现状

抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。

为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。

在国内外已经开始了普遍的应用。

1.5抢答器目前存在的主要问题

随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。

作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

而且目前多数抢答器存在不足之处：

第一，现场线路连接复杂。

因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。

选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。

第二，电路复杂。

因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。

采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。

第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。

第二章抢答器的系统概述

2.1系统的主要功能

本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、计时显示、提示功能等、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等。

参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抢答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。

系统的主要功能模块方框图如图1所示。

图1系统主要功能模块

本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。

一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。

主持人有开始和结束键。

在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为20s，回答问题时间为30s。

通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。

新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发声提示。

如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发声。

主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。

它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。

本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。

其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。

主持人依次按下复位键（RESET），开始键后开始抢答。

可以抢按：

超时数码管显示“FFF”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“FFF”。

若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。

若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。

2.2系统需求分析

1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。

2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在1～99s设定。

3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。

4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。

5、抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到60s。

6、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

2.3抢答器的工作流程

抢答器的基本工作原理：

在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。

在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。

抢答器的工作流程分为：

系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2所示，下面分别予以介绍。

图2抢答器工作流程

2.4抢答器的工作过程

1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”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“减1s”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0~99s，0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

2、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20s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30s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。

3、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。

4、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。

总而言之，本课题利用80C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。

2.580C51特殊功能寄存器

特殊功能寄存器也称专用寄存器[3]，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称SFR（SpecialFunctionRegister）。

特殊功能寄存器共含有21个不同寄存器。

它们的地址分配在80H～FFH中，即在RAM地址中。

这些寄存器的名称和地址见表2。

注：

带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器

虽然特殊功能寄存器地址在80H～FFH之中，但在80H～FFH的地址单元中，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。

所以，用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的。

2.680C51的功能及简介

80C51单片机是Philips公司MC51系列单片机的一种8位单片机。

它最大特点是片内含有存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用[4]。

80C51单片机内部主要有以下部件：

80C51CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内ROM、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口

80C51单片机内部由CPU、4KB的ROM，256B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3，一个全双工串行I/O接口，5个中断源等组成。

单片微机内部最核心的部分是CPU。

CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。

控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。

它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。

运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。

为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。

其内部结构如上图3所示。

图380C51单片机的内部结构图

2.7抢答器的优点及组成

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。

本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。

系统工作原理本系统采用80C51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、声音模块、抢答开关模块。

该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；利用一个4位七段共阴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4位七段共阴数码管和喇叭工作。

在数码管上显示哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。

第三章系统总体方案的设计

3.1硬件电路的设计

本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。

只要技术准备充分，硬件设计的大返工是比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。

为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：

（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。

（2）留有设计余地。

在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。

因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。

（3）程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用80C51单片机。

（4）RAM空间，80C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。

如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。

如选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。

随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。

（5）I/O端口：

在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。

如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。

如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。

3.2总体原理图

图4系统原理图

图中U1为单片机80C51，U2为芯片74HC30，U3为芯片74LS04。

K1~K8分别为8路抢答按键，分别接到单片机的P1.0~P1.7中。

开始按键与结束按键分别接到单片机的10、11脚，由于单片机的10、11脚既有串行接口RXD、TXD功能，又有P3.0、P3.1的IO端口功能，此处按键用到单片机10、11脚的IO端口功能。

抢答时间调整按键和回答时间调整按键分别接到单片机的13、14管脚，加一按键和减一按键分别接到单片机的15、16管脚。

4位七段数码管段选P0口。

4位七段数码管的位选接P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.7口。

3.3时钟频率电路的设计

单片机必须在时钟的驱动下才能工作。

在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。

时钟电路如图5所示。

图5外部振荡源电路

一般选用石英晶体振荡器。

此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。

电路中两个电容