0317林煜坤声光显示智力竞赛抢答器设计不答辩查重Word下载.docx
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（3）主持人可以预先设置任意时间的倒计时，然后按下开始按键，扬声器先发出短暂声响，同时显示器上显示定时器自动减计时。
（4）只有在规定时间内抢答的选手才算是有效的抢答，有效抢答后停止倒计时并在屏幕是显示作答开始时间，直到系统被主持人清零；
（5）如果在预先设置的抢答时间内无人抢答，扬声器就会发出报警提示抢答终止，并禁止所有选手超时抢答。
关键词:
锁存电路；
译码电路；
音响电路；
扩展电路
Abstract
Acousto-opticdisplayofintellectualcompetitionresponderfromthemaincircuitexpansioncircuitandmaincircuitcomposition,whichisausedforgroupsparticipatingdeviceforthequiz.Themaincircuitisdividedintotwoparts:
onepartisthehostcontrolswitchtostarttheaudiocircuit,theotherpartistheinputsignaloftheparticipatinggroupinthedisplayoutputprioritycodingcircuit,latchcircuit,decodingcircuit.Responderonthedisplayismainlythroughpulsemodeoperationofthecircuitanddecodingcircuit,andthenthepulsesignalformationindisplayconstitutetheexpansionofthecircuit.Thedesignoftheacousto-opticintelligenceresponderDisplayContestintheoveralldesignschemeandfunctioncharacteristicshavemadevariousimprovements.Themainfunctionoftheresponderis:
（1）thehostcanbythestartbuttontostartviestoanswerfirst,andcontroloftheresetbuttontoreset;
（2）Responderprovidesavoicepromptdisplayfunctionandadatalatchfunction.Soitcanbeonthescreendisplayfirstcontestantviestoanswerfirstthenumberandtheissueofsoundprompt.Afterotherpeopleviestoanswerfirstagaininvaliduntilthehostcleared;
（3）theresponderhasfunctionofautomatictiming,thehostcansetarbitrarytime.Hostpressthe"
start"
button,aloudspeakertosendouttheshortsound,alsodisplaydisplaytimerautomaticallyreducesthetime.（4）Onlywithinthespecifiedtimeplayersanswertoeffectivelyanswer,theanswereffectiveafterstopcountdownandonthescreenisadisplaystarttimeforanswer,untilthesystemishostcleared;
（5）Ifwithinthepresetviestoanswerfirsttimenocontest,thespeakerwillissuedalarmclewviestoanswerfirsttermination,andbannedallathletesovertimeviestoanswerfirst.
Keywords：
Latchcircuit；
Decodingcircuit;
Audiocircuit;
Extendedcircuit
1绪论
早期时候并没有抢答器，所以当我们在组织竞赛抢答活动时，只能是在旁边安排一位监视员，以敲锣的方式判断比赛过程哪一位选手最先举手决定答题权归谁所有，这种方式存在着极大的不公平、不公正隐患。
随着电子科学技术地不断进步，抢答器应运而生。
人们研究出了亦二极管编码方式为主要电路的电子抢答器和以继电器作为转换的电子抢答器。
这两种虽然在一定程度上提高了竞赛场合的公平性，但是在当时的制造成本极高，不仅电路复杂，而且可靠性较低，体积较大，难以做到广泛推广。
声光显示智力竞赛抢答器在学校及电视台等单位举报的智力赛中有着不可或缺的地位。
以往，举办方大多采用答题板的办法判断选手的答题权，经常会造成因主持人主观判断错误导致比赛的不公平。
如今单片机智能控制已逐步取代传统的数字逻辑电路控制系统。
抢答器由起初的只具有抢答锁定一个功能，发展到具有定时、倒计时、自动复位、声音报警、按键发光、屏幕显示等多种功能技术合并，其发展速度是极快的。
现在，智能抢答器逐渐成为被各种智力和知识竞赛场合所广泛应用的一种不可或缺的工具。
现在所使用的抢答器在制作过程上过于复杂，难以实现大范围推广；
有的又使用购买难度较大的专业集成块。
多数的抢答器由单片机和外围电路组成，单片机的采用使得电路极为简单，但功能并不比一般的抢答器少。
由此可得得出，重新研究一款新型的面向中端的声光显示智力竞赛抢答器有着非凡的重要意义，对于当今社会形势，这个设计研究有一定的可行性。
对于这种抢答器的输入如果能够实现实时智能化，就可以大幅度地减少因操作失误消耗浪费的时间，从而提高各种竞赛的稳定性和公平性，使其更加简单实用。
所以我们极需要研究设计出一种以功能多用、便捷经济的单片机为基础的声光显示智力竞赛抢答器。
2方案论证
2.1方案设计
为了实现上述抢答器的功能，我们提出了两种设计方案。
一，基于逻辑数字电路控制的抢答器，二，以单片机为核心控制的抢答器。
方案一：
定时抢答器由主体电路和扩展电路构成。
主体电路实现抢答功能，当一轮抢答开始后，主持人按下开始按键，数码管上显示出第一位抢答的选手的编号，同时封锁输入电路使其他抢答选手的按键无效。
而扩展电路的主要功能是为抢答和回答时间定时计时。
逻辑电路框图见图2-1。
图2-1逻辑电路图
本方案抢答器的功能如下：
在接通电源后，主持人将开关拨至“初始化”位置使抢答器系统处于禁止状态，此时显示器仅显示预设时间。
当主持人按下开始控件后宣布抢答正式开始，此时，屏幕显示倒计时，扬声器发出声响提示开始抢答。
如果规定时间内没有选手抢答，扬声器会发出间隔1秒的报警提示停止抢答。
能够在设定时间内抢答的选手就会在显示器上显示其编号并发出短暂声响。
之后控制电路要封锁输入编码电路并停止定时器计时，此时显示器开始显示剩余答题时间直到主持人将系统复位清零为止。
在选手作答结束后，主持人按下结束键使系统恢复到禁止工作状态，等待下一轮抢答。
上述抢答器采用的是小规模集成数字电路的系统开关控制按钮为机械开关，主要是用以出发抢答输入信号。
此方案的优点包括小规模集成电路技术成熟，性能可靠稳定，便于选手抢答。
而缺点的对于系统功能的要求较高，所需的集成电路比较多，这种过于复杂的系统在制作过程中工序太过繁琐。
方案二：
本方案基于对基于单片机的多功能控制、扬声器发声报警、LED彩灯显示器系统的组合来实现设计的功能要求。
硬件构成框图如图2-2所示，核心控制为单片机，分别由单片机的最小系统（复位电路、时钟电路和电源）、按键控制的电路、扬声器、发光二极管及5V的直流电源电路组成。
图2-2
抢答器系统硬件框图
此方案电路完成的功能如下：
在主持人宣布开始抢答并同时按下开始按钮后，电路就会进入抢答状态，此时采用扫描式输入，将抢答选手相应的信息输入至单片机，经由单片机输出至显示电路。
单片机通过控制选择，将对应编码显示到八段显示器上并锁存，并禁止其他输入。
系统将智能抢答器分模块设计，分为主控系统和参赛者系统。
其中，主控系统的功能包括：
定时预设按键、定时调整功能、开始和结束按键、各种显示调控功能等。
而参赛者系统功能包括：
抢答按键、倒计时显示屏、扬声器提示等（可根据需要增设相关功能）。
上述方案设计的抢答器将各个器件模块集合到一块芯片中，既缩小了体积又能提高系统的稳定性，，输出输入方式提高了系统处理速度，并且便于调试仿真，可扩展功能强。
2.2方案选择与论证
综合以上两种方案论证：
方案一电路过于复杂，系统稳定性差，制作过程繁琐，并且制作费用较高，达不到设计要求。
而方案二系统模块化设计，程序编写简洁，系统有着较好的稳定性和较好的信息处理速度。
同时易于调试仿真、可移植可扩展功能，成本也较低，能够满足本次设计要求。
综上，方案二在各方面皆优越于方案一，所以本次设计采用方案二。
3系统硬件设计
我们所设置的声光显示智力竞赛抢答器的完整电路的关键部分是硬件电路部分，所以硬件性能的好坏会直接影响到这整个系统的性能。
这一章节主要介绍了声光显示智力竞赛抢答器的硬件选择及电路整体的设计。
3.1芯片的选择
在选择芯片时，最重要的就是选取一个既经济实惠，又寿命长设计简单的芯片。
芯片是这抢答器的核心部位，是设计的成败的关键，对此我们作了较为详细的论证。
3.1.1控制器的选择
在控制器这一硬件中，主要的功能是用于对数码管的显示、抢答判定、扬声器开关、计时记分等模块进行控制。
所以我们将选用AT89C51作为系统控制器的CPU方案。
这种单片机的便于灵活编写程序，能够通过编程实现此次设计的相应功能。
另外，选取的这种控制器功耗较低、轻便精简、技术成熟。
3.1.2显示模块的选择
显示模块主要是显示时间和编号。
液晶显示屏（LCD）相对与传统的显示屏更加轻薄便携，电量消耗更低，而且无辐射的危险，其平面直角显和影像稳定不闪烁的各个优势能够使得比赛过程更为舒适流畅。
另外，液晶显示屏的可视面积比较大，画面效果更佳，分辨率比较高，抗干扰能力比较强的特点。
但是考虑到抢答器只需要显示时间转向和相数这样简单的数字，需求的信息量比较少的因素，而液晶屏又是以点阵的模式来显示出各种相应的符号，这种编程工作量较大，需要控制芯片创建出相应的字符库，导致控制器的将占用更多的资源，进一步提的成本。
另外，液晶屏在使用时环境要求便较高，不易维护，要求使用环境不能有任何静电干扰，否则会导致液晶显示芯片被烧毁。
所以我们选择使用传统的数码管显示。
相比于液晶显示屏，数码管在能耗和功耗有着不错的优势，不仅使用寿命更长、更加抗老化，而且它对外界环境要求也更低，仅仅只需要防晒、防潮、防火、防高（低）温就可以，有着便于维护的优点。
在精准度，存储方便，数码管显示屏精度高，称量快，操作起来更为简单。
因为数码显示采用的是BCD编码显示数字，所以在程序编译时比较容易，资源占用较少。
3.1.3键盘的选择
声光显示智力竞赛抢答器的另一重要硬件设备就是键盘，作为单片机的输入设备，其功能是实现人机交互。
键盘可以分为两种，一种是以软件的方式产生键码的非编码键盘，另一种是用硬件方法产生编码的编码键盘，这两者在结构形式上有着本质区别。
我们所使用大部分单片机都是非编码键盘，这是因为这种键盘的结构比较简单，而且成本较低。
我们在这里所选择的是独立式键盘，它的每个按键都有对应的一跟I/O线，是属于一一对应的，所以在使用过程中按键与按键的工作不会互相干扰。
由于独立式键盘的功能按键比较少，所以我们可以根据自己的实际需求编译按键编码。
独立式键盘有接口中使用几根I/O线，就有几个按键，相应的缺点就是会占用太多的I/O口线，所以我们一般在单片机应用需求的按键较少的时候选用这种类型的键盘。
3.1.4芯片最终选择方案
根据以上论证后，最终确定出以下的芯片选择方案详情单见表3-1。
表3-1芯片元器件清单
器件名称
规格型号
数量
微处理器
AT89C51
1
电阻
220欧姆
8
8K
1K
瓷片电容
30pF
2
电解电容
10uF
晶振
12MHZ
按钮
CD4013
15
七段数码管
7SEG-MPX-CC
4
蜂鸣器
3.2AT89C51单片机
本次设计所用的核心元件是既具有低电压又性能比较高的CMOS8位微处理器AT89C51，AT89C51单片机是属于51系列单片机，此节主要介绍的是AT89C51的管脚功能。
3.2.151系列单片机的功能特性
51系列单片中的MSC-51单片机，是美国英特尔公司在1980年才推出来的产品，这种系列的单片机与8084相比，其硬件结构得到了巨大的改进，指令系统大有提高。
8051单片机能够支持很大的存储空间，它被扩充了更多I/O的功能，在速度上也被提高了2到5倍。
主要特性是：
适用于控制应用的8位CPU。
扩展的逻辑处理能力。
4KB的片内程序存储空间。
51单片机片外的可寻址范围是64KB，一般是用以存放已经编程好的程序编码，还可以存放程序中原有的原始数据和表格。
128B的片内数据RAM。
他才用的是寻址范围为64KB的片外数据存储器，可以用来存储可供读取写入的数据如运算后出来的中间结果和运算的最终结果。
32根具有双向的可以用以单独寻址地输入和输出线。
两个16位的计数/定时器以及片内时钟发生器。
这个一方面可以设置为对外部的事件进行计数，另一方面还可以设定为一种定时方式来进行定时。
具有全双工异步的发送/接收器。
AT89C51单片机的时序单位有四个，分别是节拍、状态，指令周期和机器周期。
具体是：
节拍和状态：
我们将振荡脉冲的周期定义为节拍（P），振荡脉冲在2个分频后成功获取单片机时钟信号。
我们将被获取的时钟信号周期定义成状态（S），此状态所生成的前半周期的节拍记作P1，后半周期记为P2。
机器周期：
单片机AT89C51有着固定的机器周期，机器周期分别表示成S1-S6这6个状态。
一个机器周期含有12个节拍，每2个节拍对应一个状态。
换句话说，每个节拍为一个振荡脉冲，一个机器周期就有12个振荡脉冲，而机器周期就是这振荡脉冲的12分频。
假设我们使用的时钟频率为12MHZ，相应的其一个机器周期为1us。
3.2.2AT89C51单片机结构说明
AT89C51单片机其管脚图如图3-1所示。
图3-1AT89C51的管脚图
VCC——电源端。
GND——接地端。
P0口：
P0口的I/O口是一组8位漏极开路双向的，可以作为8位低地址线与数据总线进行外部存储器地访问。
P1口：
P1口的I/O口是8位双向带有内部上拉电阻的，当我们将“1”写入P1口的时候，其内部电路上被拉成高电平来作为输入口。
当我们把P1口用作输出口的时，其就会因为外部拉低内部上拉电阻而输出电流。
P2口：
P2口的I/O口为8位双向内部上拉电阻，当我们在P2口上写入“1”的时候，通过上拉管脚内部电路成为高电平，此端口用来作为输入口。
当我们把P2口被用作输出口的时，就会因为外部拉低导致内部上拉电阻存在而输出电流。
P2口能够作为地址总线的高八位地址线进行外部程序的存储器与外部数据的存储器的访问。
P3口：
P3口的双向I/O口是以8个带内部上拉电阻的管脚，如果在P3口上写入“1”的时候，内部电路被上拉成为高电平而作为输入口。
假如P3口被用作输出口的时候，其就会因为内部上拉电阻而输出电流。
P3口作为AT89C51单片机还可以提供一些特殊功能，对应的管脚如下表所示：
P3.0RXD（用作串行输入口）
P3.1TXD（用作串行输出口）
P3.2/INT0（用于外部中断0）
P3.3/INT1（用以外部中断1）
P3.4T0（用来作为记时器0外部输入）
P3.5T1（用来作为记时器1外部输入）
P3.6/WR（用以作外为部数据存储器的写入选通）
P3.7/RD（用以作为外部数据存储器地读入选通）
RST：
这个作为复位信号的输入端。
在振荡器工作的过程中，只要引脚RET出现2个以上的机器周期高电平时，系统就会为判定将其进行复位。
ALE/PROG：
ALE为地址锁存允许信号。
ALE引脚的作用是把CPU从P0口分时输出的这些低8位的地址锁存到了锁存器当中。
ALE端将不变的频率周期输出频率为振荡器1/6的正脉冲信号，这种正脉冲信号能够作为外部定时或者时钟。
如果想禁止ALE的输出，我们就需要在SFR8EH地址上置0。
只有在执行MOVX时，ALE才会判定MOVC指令有效。
CPU若在外部执行状态时对ALE禁止就会使得置位无效。
/PSEN：
这个输出端是用以读取片外程序中的存储器选通信号。
外部程序存储器会在CPU运行外部程序的存储器数据时，出现负脉冲作用的读选通信号。
在外部数据存储器内部程序存储器被访问的时候，/PSEN就会无效。
/EA/VPP：
这个选择端是用以读片内和片外程序的存储器的。
低于4KB的地址在/EA为高电平时是片内程序的存储器单元，而高于4KB的地址则属于片外程序的存储器单元；
相反，-EA作为低电平运行时我们就只能读片外程序的存储器。
XTAL1：
这是采用外部时钟时其引脚接地来作为片内振荡电路的反向放大器输入端。
XTAL2：
这是采用外部时钟时其引脚是振荡信号的输入端来作为片内振荡电路反向放大器的输出端。
3.3硬件的构成和功能
本章节我们主要介绍了声光显示智力竞赛抢答器的硬件部分的设计，硬系统是以采用模块化设计的八路抢答器的AT89C51单片机，实现本次设计中的要求，其中包括：
抢答按钮、计时记分显示功能、扬声器报警提示功能、预先设定好的开始与结束控制按钮件，以及各种相关显示调控功能等部分。
3.3.1抢答器的硬件图
我们在此系统设计中设置有犯规或作废的报警装置。
每一轮抢答中，若主持人还未按下开始键就已经有选手先按下抢答键，扬声器会立即发出长鸣警告，提示出有人犯规抢答，而数码显示器上会显示犯规选手相应的编号。
我们可以根据所要实现的功能大致地将抢答器的硬件分为：
CPU模块、定时电路、声音电路模块、电路显示模块、抢答的
输入输出模块，如图3-2所示。
图3-2声光显示智力竞赛抢答器硬件图
3.3.2时钟频率控制电路
本设计中采用的AT89C51单片机必须在时钟驱动下才可以正常工作。
AT89C51的内部构成主要为高增益反相放大器的振荡器，XTAL1引脚作为放大器的输入端口，而XTAL2引脚则作为放大器的输出端口。
当振荡器外接进入一个振荡源时，单片机的工作速度主要由产生的时钟信号会被送到单片机内部的各个单元所决定的。
时钟频率控制电路如图3-3所示。
图3-3内部振荡电路图
振荡器的内部时钟结构主要为石英晶体振荡器。
上电后，振荡器的电路一般会加电大概延迟10毫秒，然后起振使得引脚XTAL2产生正弦波时钟信号，幅度为3V左右，产生的这个振荡频率完全由振荡器的频率所决定。
在这个电路中选用大小为30PF的电容C1、C2，其作用包括：
帮助振荡器起振；
对振荡器的频率进行微调。
AT89C51单片机正常工作时，内部振荡器会产生时钟信号，或者外部直接输入至内部控制逻辑单元的时钟信号，这种信号的周期我们称之为时钟周期。
它的大小是时钟信号频率的倒数。
时钟频率选为12MHz。
3.3.3复位电路的设计
声光显示智力竞赛抢答器设置有复位按键，所以在每一轮抢答之前先复位，而抢答结束后也要进行复位，主持人按了复位键之后LED显示屏上即刻显示FFF。
单片机的复位功能的实现基础是引脚RST上出现了2个机器周期以上的高电平，单片机的各状态在复位之后都将恢复成为初始化状态，如图3-4所示。
图3-4复位电路的电路图
单片机中的复位电路由复位按键、电解电容C3、电阻R2组成的上电复位电路。
当我们按下复位按键时，高电平复位的单片机的的复位状态是通过9脚RESET管脚被拉到高电平位实现的。
接通电源后电容开始逐渐充电，9脚的电压逐渐由高向低转化，直到把单片机的9脚转化为稳定的低电平状态时，上电复位完毕。
我们在这设计中采用了硬件和软件两种复位。
其中，硬件复位是将寄存器及存储器的所有值都恢复到初始值。
为了使抢答器具有倒计时的时间存储记忆功能，我们还设计了软件复位功能。
当程序执行完成后，系统会发出一条跳转指令，从而将程序指针跳转到该段程序的起始地址，这就是软件复位功能。
3.3.4报警电路的设计
设计过程中，我们利用程序控制单片机使得其一个管脚的高低电平上产生一定频率的矩形波，由于声音的频谱区域为几十至几千赫兹，所以只要在这个管脚上接上扬声器就可以发出一定频率的声响。
如果想要改变其音调，只需要用延时程序去控制他的高低电平的持续时间从而改变他的输出频率即可。
本设计中，当有一位选手按下抢答按钮时，扬声器就会启动报警功能发出一声音响以示抢答此题的答题权。
同时，该选手当在答题过程的1分钟内，或者在20秒的等待答题过程中，当剩余时间为最后5s时，扬声器发出短暂蜂鸣作为报警，提示选手抓紧时间作答。
此报警电路中的管脚16和管脚10是具有读入的功能，而具有输出功能的是11管脚。
单片机可以通过有外部数据写功能的16管脚及内部定时器地操作，扬声器的发声由波形交替变换输出所控制。
如图3-5所示。
图3-5报警电路的电路图
3.3.5显示电路的设计
本设计中硬件是声光显示智力竞赛抢答器的显示功能的重要部分，显示器的显示电路分为两种，一种是液晶屏显示，另一种是传统数码管显示。
其中，虽然液晶屏比较轻薄、无辐射危险，而且它的可视面积较大、分辨率也比较高，同时具有不错的抗干扰能力的优点。
但是液晶屏可显示的信息比较少，程序设计时需要的编程工作量大，成本也比较高一些。
相比之下，具有低耗能、低损耗、低
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