抢答器的设计及制作Word格式文档下载.docx

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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1、3、4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”,并发出音响,延时5秒后返回主程序,需重新抢答。

所谓“有效抢答信号”是指从LED显示“HH”字形提示抢答开始之后的抢答信号。

在抢答提示之前的抢答信号属于“违规信号”，最先到达的有效抢答信号称为“第一有效抢答信号”。

3.2第一有效抢答信号的识别及处理

抢答提示之后，单片机再采样P0口，用于检测抢答信号。

将采样值送入工作寄存器R1，若R1值为FFH表示还无人抢答，继续采样P0口；

若R1值不为FFH，表示有人按下抢答键。

但还应判断是否由违规抢答所导致，这只需将R1值与R0值进行比较，若R1与R0值相同,表示是由违规抢答所导致,则继续采样P0口；

若R1与R0值不相同，则表示存在有效抢答,不再采样P0口。

此时,R1中含有第一有效抢答信号。

为了提取R1中第一有效抢答信号，抛弃其中的违规抢答信号,可进行如下处理：

将R0与R1相“异或”再与R0相“与”。

并将运算结果送工作寄存器R2,即

（R0⊕R1）·

R0→R2

经上述逻辑运算可知：

若抢答键ANi（i=0,1,2,…,7）产生第一有效抢答信号，则R2中第i位为1（R2.i=1）。

若R2值为0表示无有效抢答信号。

表1为抢答过程中可能出现的4种抢答信号处理过程。

（R2=（R0⊕R1）·

R0，i=0,1,2,…,7）

3.3多个第一有效抢答信号的处理

在抢答过程中，往往会出现多个抢答键同时按下，或者时间差非常短，单片机无法识别它们之间的时间差。

此时,R2中会出现多个为1的位。

即出现多个第一有效抢答信号。

但每次抢答过程只能输出显示一个第一有效抢答信号。

公正处理这个问题的方法是随机地挑选其中一个。

本设计采用一种随机定位查找方法：

将R2中各位的查找顺序排成一个环，如图4所示。

然后找出一个随机数x,从第x位开始按上述查找顺序环规定的查找顺序查找R2中为1的位，第一个被找到值为1的位，其对应的抢答信号作为被选择的第一有效抢答信号。

本设计抢答键的数目为8个,随机数x可选择为0～7。

例如，假设x=3，R2=01010001B,即出现三个第一有效抢答信号（对应AN6、AN4、AN0三个键）,根据上述方法，则从D3位开始查找,第一个被找到为1的位是D4，因而抢答键AN4被选中。

抢答器要求有计时记忆功能，一次时间设置完，复位后不需重新进行时间设定，选手通过键盘按键进行抢答，再通过单片机将其转换成能在七段数码管上显示的字型码。

抢答完毕，数码管上显示抢答选手表示抢答成功并开始倒计时。

根据此设计思路，系统软件设计流程图如图3所示。

系统采用Keil软件参照软件流程图编写汇编语言。

以显示模块为例，相应程序段如下：

DISPLAY:

MOVDPTR,#DAT1；

查表显示程序，P0.0～P0.6段选，P2.0～P2.2位选；

MOVA,R5

MOVCA,A+DPTR

MOVP2,#01H

MOVP0,A

ACALLDELAY

MOVDPTR,#DAT2

MOVA,R4

MOVP2,#02H

ACALLDELAYMOVA,R3

MOVP2,#04H

RET

DAT1:

DB00H,06H,5bH,

4fH,66H,6dH,7dH,07H,7fH,6fH,00H,71H;

DAT2:

DB3fH,06H,5bH,4fH,66H,6dH,7dH,07H,7fH,6fH,00H,71H71H;

3.4中断

中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行程序的运行，转去执行另一个程序，以处理发生的事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。

有5种中断源：

外部中断0、外部中断1、定时器中断0、定时器中断1、串行中断。

对它们的描述见表。

（2）中断允许控制寄存器IE：

对中断源的开放或屏蔽是由中断寄存器IE控制的，地址为0A8H，既可以按字节寻址，也可以按位寻址。

当单片机复位时，IE被清零。

（3）串行控制寄存器SCON：

定时/计数器的控制方法，在启动定时/计数器工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器中，这个过程称为定时/计数的初始化。

定时/计数器的初始化通过定时/计数器的方式，由寄存器TMOD和控制寄存器TCON来完成。

①定时/计数器方式寄存器TMOD

②中断程序的编写步骤：

根据要求设置IE（中断允许寄存器）的对应位EA（EA—总中断允许位：

EA=1，开放所有的中断；

EA=0，禁止所有的中断），某个中断源还有相应的中断允许位。

（4）INT0，INT1设定触发方式IT0（外部中断触发方式控制位）当其为0时：

低电平触发；

当其为1时：

下降沿触发。

（5）返回值是Void中断函数名（interrupt）。

四、基于Proteus的系统仿真

Proteus软件不仅能仿真单片机的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。

本设计经仿真后，实现了预期的抢答器的功能。

4.1抢答成功模块

图（左上）显示4号选手抢答成功，并且答题时间还剩余52秒，当答题时间还剩5秒时，会有蜂鸣警报。

4.2非法抢答模块

图（右上）显示的是1号选手在主持人未按下开始键下的非法抢答，此时数码管上不停的闪烁并伴有蜂鸣警报。

时间调整模块

图（左下）显示通过“加一”或“减一”键来调整抢答时间和答题时间的时间，此时在数码管上显示的为时间设置成58秒。

4.3复位模块

图（右下）显示刚开始工作以及复位后，数码管上显示初始状态“FFF”。

本设计采用了硬件复位和软件复位两种方式：

在只采用系统默认的抢答时间和答题时间时，2种复位都能达到所需求的目的；

当已经重新设置过倒计时时间时，需要应用软件复位，其只是执行命令后跳转，对片通用寄存器的容没有影响。

而硬件复位会使专用寄存器的状态初始化。

4.4硬件实现

在Proteus仿真实现预定目标的基础上，将单片机AT89C51、复位电路、蜂鸣器电路、显示电路、按键电路和电源电路进行焊接，制作完成的4路抢答器如下图所示。

五、结论

本设计的特点是利用程序软件，对各种抢答信号进行识别和处理，克服普通抢答器存在的缺陷，具有智能特性。

并充分利用软件实现倒计时、验键等功能，电路结构简单，成本低廉。

本设计经实验证明性能良好,其最大时间误差为8us（晶振频率为12MHZ）。

本设计以实际电路作为最终成果形式，实现了预期的抢答、倒计时、报警等各项功能，可适用于一般的竞赛场合，具有一定的实用价值。

此外，本设计具有较强的扩展性，如自动控制记分器进行记分，并通过串行口与PC机通信，用PC机统计选手得分情况，实现智能化、公平、公正的抢答，减小人为因素的影响。

也可将抢答按键采用无线设备实现，如红外线，使抢答选手可以远距离地进行抢答，简化按键模块的线路布置。

参考文献

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