基于单片机技术的八路抢答器设计及PCB设计.docx
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基于单片机技术的八路抢答器设计及PCB设计
基于单片机技术的八路抢答器设计及PCB设计
摘要
当今社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，比赛中为了准确、公正、直观的判断出第一抢答者，这就需要一种抢答设备作为裁判员，于是抢答器应运而生。
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，无论是军队还是电视节目中，都可能会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。
如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。
为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
本设计是以八路抢答为基本理念。
考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51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，用开关做键盘输出，扬声器发生提示。
同时系统能够实现：
在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答钱抢答为无效；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的时间倒计时显示，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。
关键字：
抢答器；单片机；AT89C51；模块；按键
Basedonsinglechipmicrocomputerofeight-channelviestoanswerfirstdevicedesignandPCBdesign
ABSTRACT
Today'sincreasinglyfiercesocialcompetition,talentselection,selectionofwinning,knowledgecontestsactivitiesmorefrequent,suchasgameinordertoaccurate,fairandstraightforwardtodeterminefirstviestoanswerfirst,itwillhaveaviestoanswerfirstdeviceasareferee,andviestoanswerfirstdeviceapplication.
Responderisakindofapplicationisverywiderangeofequipment,inthevariouscompetitions,viestoanswerfirst,itcanpromptlyandobjectivelyidentifythefirstwonthevoice,whetherthearmyorTVshows,mayholdavarietyofquiz,canusethebuzzer.Ifletviestoanswerfirsttheusemethodsofhand,thehostiseasytomisjudge,unfairwillcausetheviestoanswerfirst,matchinordertoaccurate,fairandstraightforwardtodeterminefirstviestoanswerfirst,viestoanswerfirstdevicedesignbyusuallybydigitaldisplay,lighting,soundandsoonmanykindsofmeanstoindicatethefirstviestoanswerfirst.Inordertomakethiskindofunfairisnotborn,onlyrelyonelectronicproductsofhighaccuracytoguaranteefairnessofviestoanswerfirst.
thisdesignisbasedonnoviestoanswerfirstthebasicconcept.Giveninaccordancewiththeneedtosetthefunctionofthepromptanswer,usingAT89C51single-chipmicrocomputerandperipheralinterfaceimplementationofviestoanswerfirstsystem,theuseofsingle-chiptimer/countertimingandcountingprinciple,thesoftwareandhardwareorganically,enablesthesystemtotimecorrectly,makedigitaltubecancorrectlydisplaythetimeatthesametime,madethekeyboardswitchoutput,promptloudspeaker.Systemcanbeachievedatthesametime:
intheviestoanswerfirst,onlyafterthestartofviestoanswerfirsteffectively,ifatthebeginningofviestoanswerfirstviestoanswerfirstmoneyasinvalid;Viestoanswerfirsttimelimitandanswerproblemoftimecanbesetat1-99s;Whichiscontestantviestoanswerfirsteffectively,andcandisplaytheinvalidviestoanswerfirst,rightbehindmusickeyshint;Viestoanswerfirst,accordingtotimecountdowntimeandanswerthequestionsafterfulltimingautomaticresetandforcedresetbuttonlockcontrolsystem,theeffectivestate,thekeyisinvalidillegal.
Keyword：
viestoanswerfirst;microcomputer;AT89C51;module;bu
1绪论
1.1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（如MCS-51型）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AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，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，扬声器发生提示。
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是在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目的与意义
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。
怎样来设计抢答器，能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？
通过研究并在设计验证后发现，釆用单片机技术设计的抢答器与传统的抢答器相比，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，抗干扰能力优于传统抢答器，并能够解决以上提出的问题。
所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。
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。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
无论是学校还是电视节目中,都可能会举办各种各样的智力竞赛,都会用到抢答器。
如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。
为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
1.3抢答器的应用
随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等，因此出现了抢答器。
抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。
因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构。
抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。
传统普通抢答器主要存在以下缺陷：
（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，因而本质上也有优先权。
普通抢答器存在不公平性。
（3）当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个而出现“漏洞”。
1.4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30s，回答问题时间为60s。
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生提示。
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，扬声器持续发生。
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。
1.5课题的优点及组成
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。
课题中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。
本系统采用AT89S51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4个七段共阳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个七段共阳数码管和喇叭工作。
在数码管上显示哪一组先答题，从而实现整个抢答过程。
2系统设计
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（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。
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，对提前抡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2-1所示。
图2-1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30s，回答问题时间为60s。
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生提示。
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，扬声器持续发生。
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2-2所示，下面分别予以介绍。
图2-2抢答器工作流程
（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30s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60s回答时间），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AT89C51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。
2.4系统的稳定性
2.4.1干扰源
干扰就是加在有用信号上的不需要的信号，降低甚至破坏系统的可靠性．主要干扰源有：
（1）电磁干扰．开关的启动、电网电压波动、静电等都可能引起程度不同的尖脉冲电压，造成IC和半导体器件的损坏或误动作．另一方面，单片机的控制对象往往是电机等较大功率负载，很多情况下又必须和这些干扰源放在一起．这是任何电子系统都会遇到的问题；
（2）人为干扰．由人为原因直接或间接造成的干扰．如负载变化、机械振动、电路虚焊等；
（3）其他干扰．诸如雷电、温度变化、湿度变化等自然界造成的干扰．
2.4.2软件抗干扰
一个系统由于存在着各种干扰及不稳定因素而出现运行故障．可从程序设计方面采取措施解决这一问题．如软件滤波技术、软件冗余设计等．另外还有软件“看门狗”、程序“跑飞”拦截等等．
（1）软件滤波技术
所谓软件滤波，就是通过判断干扰信号在有用信号中的比重，提取有用信号，减少干扰信号．通常使用的方法有算术平均值法、中值滤波法、防脉冲干扰平均值滤波法、一阶低通滤波法等．算术平均值和中值滤波这两种滤波方法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样值的偏差，此干扰会计算到结果中．对于变化缓慢的数据采集系统，可用一阶低通滤波法．
（2）软件“看门狗”
通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”，目前所使用的5l系列单片机中（如AT89S51／S52），有一个定时器T3，称为WDT看门狗监视定时器，这是一个通过软件、硬件结合的重要常用抗干扰技术．采用环形中断监视系统．用定时器T0监视定时器T1，用定时器Tl监视主程序，主程序监视定时器TO．这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能，提高了系统可靠性．
（3）设置程序运行标志
单片机程序的结构一般都是由一个上电复位初始化程序、一个主程序、几个中断服务程序和若干子程序组成的，51系列单片机的RAM区中有一个位寻址区，可以在位寻址区中设立一些标志位，这些标志位分别代表不同的程序模块，一个字节可以对应8个程序模块．当某个程序模块正在执行时，对应的标志位置1，不执行时对应的标志位置0，就可以知道当前正在执行的程序是哪一个模块，当标志位的值与正在执行的程序模块不一致时，可以肯定程序出现了“跑飞”，需要尽快进行错误处理，通过进一步的检查还可以知道程序是从哪个模块“飞”过来的．
2.4.3硬件抗干扰
（1）时钟信号的抗干扰
时钟信号是受噪声干扰最敏感的部位，也是CPU对外发射辐射干扰和引起内部干扰的噪声源．为了避免时钟信号被干扰，可以采取以下措施：
①时钟脉冲电路配置时应注意靠近CPU，引线要短而粗；
②外部时钟源用的芯片VCC与GND之间可接luF左右的去耦电容；
③在可能的情况下，用地线包围振荡电路，晶体外壳接地；
④若时钟还做其它芯片的脉冲源，要注意采取隔离和驱动措施．
（2）复位电路抗干扰
单片机复位端口的干扰主要来自电源和按钮传输线串人的噪声，这有可能导致系统复位，或破坏CPU内的程序状态字的某些位的状态，对控制产生不良影响．目前单片机多数采用上电自动复位和按键手动复位结合的复位方法，对一般的干扰具有较好的抑制作用，如果在复位端并联有0．0l一0．19F的高频电容，可提高对串入噪声的抑制能力．
（3）电源抗干扰
电源是整个系统的命脉，电源性能的优劣对系统的可靠运行有着很大的影响．电源采用隔离变压器接入电网，可以防止电网的干扰侵入系统；通常可采用直流集成稳压电源．
（4）I／O端口抗干扰
在I／O上适当安装上拉电阻可以提高总线信号传输的可靠性，减少外围设备对主机单元的干扰．上拉电阻一方面可以提高端口带负载能力，另一方面也可提高端口的抗电磁干扰能力，当端口总线处于高阻状态时是处于悬空状态，比较容易受外界的电磁干扰，干扰信息很容易通过数据总线进入CPU，引入虚假的程序指令．同时，加了上拉电阻后，还可以抑制静电干扰．
2.5器件的选择
微控制器选用ATMAL公司生产的AT89C51，该芯片货源充足，并且价格也比较便宜。
如表1所示。
表1器件选型方案的详细清单
器件名称
规格型号
数量
微处理器
AT89C51
1
芯片
74LS04
1
74HC30
1
电阻
3WTT10K
8
电容
20PF
3
晶振
12MHZ
1
按钮
11
7段数码管
7SEG-MPX4-CA
4
扬声器
1
2.5.1AT89C51的功能及简介
AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。
它最大特点是片内含有Flash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[6]。
AT89C51单片机内部主要有以下部件：
8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口
AT89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。
在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。
全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。
AT89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM，128B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。
AT89C51的主要性能包括：
AT89C51与MCS—51控制器系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（FlashMemory），存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电
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