抢答器的设计与制作Word文档下载推荐.docx
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引言2
一、抢答器的组成与原理2
1.1电路组成与原理3
1.2主体电路的功能3
1.3控制系统的工作原理4
二、总体设计4
2.1设计需求4
2.2抢答器的工作原理4
2.3硬件设计5
2.4显示模块6
2.5按键输入模块6
2.6蜂鸣提示模块6
2.7复位模块7
三、软件设计7
3.1违规抢答信号的记录7
3.2第一有效抢答信号的识别及处理8
3.3多个第一有效抢答信号的处理8
3.4中断9
四、基于Proteus的系统仿真10
4.1抢答成功模块10
4.2非法抢答模块10
4.3复位模块10
4.4硬件实现11
五、结论11
参考文献12
引言
单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等“智能型”工业产品。
在知识竞赛抢答中，简单电路设计的抢答器，只靠人的能力很难判断出哪一组先抢答，且故障率高、体积大应用不方便。
利用单片机编程设计抢答器，能轻松地分辨出抢答的次序，且具有体积小、故障率低的优点。
一、抢答器的组成与原理
抢答器又称第一信号鉴别器，应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。
普通抢答器存在以下缺陷：
1）在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效抢答信号不能进行处理。
因而
使该次抢答过程变为无效。
2）当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个，出现“漏洞”。
3）当同时出现多个有效抢答信号时，普通抢答器或采用优先编码电路选择其中一个；
或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。
对于后者，由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定,各路抢答信号的“竞争”能力也被固定,因而本质上也具有优先权。
普通抢答器因而存在不公平性。
抢答器是各种智力竞赛中必不可少的一种硬件设备。
实现抢答器的方式有多种多样，传统的抢答器普遍采用模拟电路、数字电路或者模数混合电路来设计。
这类抢答器所需元器件比较多，随着功能增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，操作不方便，不便于参数调节及功能的升级换代。
本文介绍一种以单片机为控制核心的智能型抢答器,它对采样获得的各路抢答信号进行分析,识别超前违规信号、有效抢答信号，并对它们进行处理。
使每一次抢答过程都有效。
利用存储器记忆多个违规信号,克服“漏洞”现象。
当同时出现多个抢答信号时,利用程序软件，随机选择其中一个,十分公平。
具有倒计时、验键、违规显示等功能。
本文采用AT89C51为核心，结合键盘、数码管、蜂鸣器等外围设备，设计了具有抢答、计时、时间调整、蜂鸣器报警等功能的4路抢答器。
1.1电路组成与原理
硬件电路原理图见图1。
采用AT89C51单片机作为控制核心。
AN0～AN7为8个抢答键，P0.0～P0.7为8路抢答信号输入端，当有抢答键按下时，对应的输入端为低电平“0”，反之为高电平“1”。
AN8为抢答启动键，在抢答开始时，按动一下AN8键，向单片机申请一次INT0中断，单片机在中断服务程序中对抢答信号进行采样和识别处理。
采用二位LED共阴数码管以动态扫描方式对抢答键号、违规抢答键号、倒计时时间等信息进行显示。
倒计时时间由选择开关K2进行选择，本设计共有4个时间档供选择（15秒、30秒、60秒、90秒）。
AN10为违规显示键，按动AN10键，可对一次抢答过程中出现的所有超前违规抢答的键号进行显示。
K1为验键功能选择开关，当需要验键时，将K1闭合，可检验各抢答键能否正常工作，验键完毕,将K1打开。
LED1为违规指示灯，当一次抢答过程存在违规抢答信号时，LED1发光指示。
1.2主体电路的功能
一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；
二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程：
开关S置于清除端时，RS触发器的端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的＝0，使之处于工作状态。
当开关S置于"
开始"
时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,=1,74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为5。
此外，
1Q＝1，使74LS148＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为1Q＝1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
可预置时间的定时电路;
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计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。
1.3控制系统的工作原理
当主持人按下RESET键时，智能抢答器系统立即完成复位操作，此时抢答器进入正常的工作状态（等待选手按键）；
当主持人宣布抢答开始时，参赛选手开始进行抢答按键操作，当其中的某一个选手成功按下抢答键时（例如S4按键被按下），AT89C51单片机P0口对应的口线P0.3就由高电平变为低电平。
当CPU检测到该口线为低电平时，将P1.0口线由原来的高电平状态切换为低电平状态，发光二极管DS1亮，同时P1.7口线也由原来的高电平状态切换为低电平状态，蜂鸣器B1发出响声，提示主持人和现场观众已经有选手成功地实现了抢答操作。
与此同时，CPU立即将成功进行抢答操作的选手编号通过P2口进行输出，将选手的编号显示在由七段数码管构成的选手编号指示器上。
这样一来无论是参赛选手、现场观众，还是主持人都会很清楚地观察到成功实现抢答操作的选手的编号，进而由该选手进行现场答题。
二、总体设计
2.1设计需求
按照设计需求，本系统具有以下几个主要功能：
（1）抢答器可同时供4名选手或四支参赛队伍使用；
（2）抢答或回答时间主持人可自行设置；
（3）能够显示抢答或答题时间的倒计时；
（4）在有人犯规时可以显示选手号、闪烁显示以及蜂鸣器报警；
（5）答题时间还剩5s时，蜂鸣器报警提示。
2.2抢答器的工作原理
利用单片机控制各个功能模块实现抢答功能，单片机收集选手的抢答信号，运用寄存器来识别并记录第一个选手号，传输信息给数码管显示，同时内部定时器工作，记录有关时间并产生超时信号，在抢答成功、倒计时结束都伴随有蜂鸣器警报提醒，从而实现单片机抢答的功能。
根据设计需求，结合单片机的作原理，设计抢答器的工作流程图如下图所示。
2.3硬件设计
在硬件设计方面利用单片机AT89C51控制抢答模块、显示模块、计时及调整模块、蜂鸣提示模块和复位模块，从而实现单片机的抢答。
系统硬件设计原理图如下图所示。
上图中U1为单片机AT89C51，K1～K4分别为4路抢答按钮，分别接到p1.0到p1.3中；
开始键和结束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位七段数码管段选接P0口，位选接P2口的低3位，蜂鸣器输出信号端接P3.7口。
2.4显示模块
显示模块采用常见的4位七段共阳数码管，利用其动态显示的方法来实现。
数码管的7个输入端A～G段分别接到AT89C51的P0.0～P0.6，位选码COM1、COM3、COM4分别接到单片机P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。
由于AT89C51单片机的P0口没有内置上拉电阻，本系统采用外接10kΩ上拉电阻（采用A103排阻），保证P0口没有数据输出的时候是处于高电平状态。
2.5按键输入模块
抢答器的输入信号采用11个按键控制，其中4个为抢答按键、4个为倒计时调整按键、1个开始按键、1个结束按键和1个复位按键。
各按键均有一根信号线与单片机电路相连，所有按键有一公共端，各按键相互独立互不影响。
当有键按下时，相应的单片机引脚做出反应，产生有效的输入信号。
2.6蜂鸣提示模块
本设计中利用AT89C51的16引脚经驱动器驱动蜂鸣器发声。
压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以采用三极管的电流放大作用驱动蜂鸣器实现发声提示。
2.7复位模块
复位模块由复位键、电阻R1以及电解电容C3构成。
由于单片机是高电平复位，所以当复位键按下时单片机9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态，当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从0000H开始执行。
本设计中使用了硬件复位和软件复位两个功能。
硬件复位后各个状态、寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值。
调整抢答和回答倒计时时间，需要记忆功能，故采用软复位，当程序执行完毕后，跳转指令将程序跳转到程序执行的起始地址。
三、软件设计
系统软件由主程序和INT0中断服务程序组成。
主程序由验键、违规显示、倒计时等功能子程序组成。
系统完成初始化后，循环检查各个功能，当用户使用某个功能时，按下相应的按钮（或开关），单片机进入相应的功能处理。
INT0中断服务程序完成抢答信号采样和识别处理。
主程序框图见下图。
3.1违规抢答信号的记录
抢答开始按动AN8键，单片机进入INT0中断服务程序。
先采样P0口,并将采样值送入工作寄存器R0，使LED显示“HH”字形,提示抢答开始。
显然,R0中寄存了抢答开始前最后一瞬间各路抢答输入信号。
若无违规抢答,R0值为FFH；
若有违规抢答,R0值不为FFH，R0中为0的位对应的抢答键属违规。
若R0=10111110B,表示AN0和AN6二路抢答键违规；
出现R0=00H时,表示八路抢答全部违规,LED显示“UU”,并
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