多路抢答器的设计与实现.docx

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多路抢答器的设计与实现

多路抢答器的设计与实现

[摘要]本设计是以八路抢答为基本理念，考虑到因活动规则的改变，需设定不同时长的限时抢答、回答问题的功能。

利用STC89C52单片机及外围接口实现的抢答系统，以及单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够设定不同的抢答时间和答题时间，能够正确地进行倒计时，同时使数码管能够正确地显示时间以及选手编号。

用矩阵键盘进行活动前的时间设定工作，用开关作为选手抢答按钮输出，用蜂鸣器来发出违规报警和倒计时提醒。

同时本设计系统能够实现：

在活动中，只有主持人按下开始抢答按钮后，选手的抢答才为有效，如果选手在开始抢答前抢答则为无效；抢答限定时间和回答问题的限定时间可在1-99s内设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答；正确按键后有声音提示；抢答时间和回答问题时间用数码管进行倒计时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；有按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

[关键词]STC89C52单片机LED数码管抢答器计时

DesignandImplementationofthemulti-channelResponder

TianPengfei

（Grade07,class084,ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong72300x，Shaanxi）

tutor:

Hubo

[Abstract]ThedesignisbasedoneightResponderasthebasicconcept,takingintoaccountthechangesintheactivityrulesneedtosetthetimelengthlimitResponder,answerquestionsfunction.TheRespondersystem,STC89C52microcontrollerandperipheralinterfaceimplementationandtimingmicrocontrollertimer/counterandcounttheprincipleofsoftware,hardwareorganicallycombined,makingthesystemabletosetadifferentanswerintimeandanswertime,abletocorrectlytothecountdown,digitaltubeabletocorrectlydisplaythetimeandtheplayernumber.Matrixkeyboardworkactivitiesbeforethetimesetswitchasplayersanswerinthebuttonoutput,usethebuzzertoissuetheviolationalarmandcountdowntoremind.Thesametime,thedesignsystemcanbeachieved:

Attheevent,onlymoderatorsbegantoanswerinthebuttonispressed,theplayersoftheanswerinordertoeffectively,iftheplayersbeforethestartResponderResponderinvalidity;alimitedtimetoanswerinalimitedtimeandanswerquestions1-99ssetting;canshowwhichplayersanswerinaneffectiveandinvalidanswerin;therightbuttonavoiceprompt;answerintimeandanswerquestionstimecountdowndisplaywithdigitaltube,thefullsystemtimeisautomaticallyresetandmastercompulsoryreset;keysarelockedinaneffectivestate,thebuttonisnotillegal.

[Keywords]Single-chipLEDdigitaltubeRespondertiming

1引言

1.1课题背景

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、选手犯规显示等功能。

数字抢答器由主题电路与扩展电路组成。

优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在数码管上显示，抢答器电路和主持人复位按键组成主体电路。

通过定时电路将脉冲产生的信号在显示器输出实现计时功能，共同构成扩展电路。

利用面包板经过排版、布线、调试等工作后数字抢答器成形。

数字抢答器是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较难以实现，特别是当数字抢答路数很多时，实现起来更为困难。

目前市场上已有各种各样的抢答器，但绝大多数是早期设计的，以模拟电路、数字电路或者模拟电路和数字电路结合的产品，这部分抢答器已相当成熟，但功能越多的电路越复杂，且成本也比较高，发生故障的可能性也比较高，传统普通抢答器主要存在以下缺陷：

传统的抢答器都是导线布局，受现场环境影响很大；显示方式简单，无法判断提前抢按按键的行为，且不便于电路升级换代。

在当今计算机的普及和电子信息技术的迅猛发展下，对抢答器有了更高的要求，如何有效的保证许多公开竞争场合裁决的公平、公正，单片机抢答器为之提供了条件和发展空间，建立一个价格适宜、智能化、自动化、数字化等特点的抢答器具有重要意义。

基于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。

除此之外，还可以用键盘做输入，写入自己设置的时间，选手有效抢答还有灯管显示。

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目的及意义

通过本次毕业设计，对课本上所学的理论知识加深和巩固：

进一步熟悉和掌握基本理论在实践中综合运用，进一步熟悉和掌握单片机的基本知识、系统设计的基本方法及设计步骤，进一步熟悉和掌握常用单片机模块的设计和应用。

能够熟练使用Protues7.5等电子软件，学会运用这些软件进行分析、设计和仿真电路。

能够熟练运用KeiluVision4软件编写相应的程序模块。

学习单片机系统实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法及技巧。

培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

了解简单多路抢答器组成原理，初步掌握多路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，能够独立地做完毕业设计，通过毕业设计受到一次综合运用所学知识、理论和技能的训练。

它使我们可以进一步学会分析问题、解决问题；学会阅读、翻译参考文献；学会收集、运用各种资料。

它是对我们在校学习的一次全面检验、总结和提高；是对我们利用所学的理论知识解决实际工程问题的综合训练；是对提高我们的实践动手能力、创新思维能力具有不可替代的作用；也是对毕业及学位资格认证的重要依据。

因此，做好毕业设计（论文）将为我们由学习走入工作、由学校进入社会打下良好的基础。

1.3抢答器的目前现状

在现代社会中，各种教育活动、娱乐节目比比皆是，而抢答器作为一种工具，它可以给予参赛者公平的答题机会和答题时间，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

但大多数抢答器不但制作复杂、可靠性低，而且功能过于简单，仅适用于在单一规则的活动中使用。

作为一个单位，如果专门购一台抢答器在经济上还可以承受，然而由于活动的多样性，去购买各种不同规格的抢答器，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

目前多数抢答器以下存在五方面不足之处：

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，系统性能不够稳定，有时会在选手抢按成功时，出现没有抢答被记录的问题。

第四，目前市面上的抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个选手抢答所用的时间。

第五，抢答器中的抢答模式单一、不灵活，在所有场合只能用相同抢答时间和答题时间。

1.4进度安排

本次设计主要分以下几个阶段完成：

1、前期准备阶段，收集资料，整理资料，设计课题的总体方案，完成开题报告；

2、根据总体方案设计，细化各模块，完成各个模块的设计；

3、学习单片机的编程，完成硬件仿真电路的调试；

4、制作实物电路，完成调试硬件实物电路；

5、整理资料，完成毕业论文的书写，准备答辩。

2方案论证

2.1多路抢答器方案设计系统

2.1.1基于数字电路多路抢答器的设计

如图2.1所示为该方案系统总体方框图。

其工作原理为：

接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置于“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。

定时器倒计时，扬声器给出声响提示。

选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：

优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。

图2.1基于数字电路的系统框架

2.1.2基于单片机的多路智能抢答器

如图2.2所示为该方案系统总体方框图。

其工作原理为：

主持人在活动前，通过键盘输入电路，预设抢答时间和答题时间。

在活动中，主持人先按下“开始抢答”按钮，各位选手就可以通过抢答输入电路进行抢答，抢答成功后，显示电路会显示出成功抢答选手台号。

然后，主持人再按下“开始答题”按钮，数码管显示答题倒计时，各位选手答完题以后，按下“停止”按钮，倒计时停止。

如果要再次抢答，主持人可以按下“抢答复位”按钮，就可以继续开始抢答。

如果需要重新设置抢答时间和答题时间，主持人可以按下“总复位”按钮，就可以重置时间。

图2.2基于单片机的系统框架

2.2方案论证及选择

对两个方案进行比较，可以发现以下几点：

第一，电路连线方面。

方案一在实际应用时连接线较多，看起来比较繁琐不但影响电路美观，而且影响增加了安装的难度。

方案二则连线简单，出现问题也方便检修和排查。

第二，系统性能。

方案一是用数字电路完成对选手号码的识别、译码、计分显示系统性能不够稳定，抢答器可靠性较低，容易出现失误。

方案二则使用单片机完成号码处理、计时、数据运算等功能，由于所有程序都已烧录在单片机内部，所有处理是按照程序进行，不易出现失误，系统性能相对稳定，抢答器可靠性较高。

第三，公平性方面。

方案一中的抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个选手抢答所用的时间，会导致选手猜测比赛的公平性，容易引起活动骚乱。

方案二中的抢答器不但能判断出抢答成功或犯规选手台号，而且显示出每个选手抢答所用的时间，让所有选手清晰看到自己的抢答所用时间，用直观的实际数据证明比赛的公平性。

第四，实用性方面。

方案一中的抢答器抢答模式单一、不灵活，在所有场合只能用相同抢答时间和答题时间。

方案二中的抢答器则可以自由设置抢答时间和答题时间，适用于多种规则的活动中，不但节省经费，而且免去重新购置抢答器的麻烦。

综上所述，可以看出方案二较方案一更简便实用，因此，我们决定采用方案二做为这次毕业设计的最终方案。

3．硬件电路的设计

3.1硬件电路设计思路

基于单片机的多路抢答器系统主要分为几个模块：

单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、声音电路模块。

单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。

复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。

时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

键盘控制模块包括抢答时间和答题时间输入键、主持人控制开始抢答按键和答题按键、主持人复位按键、选手抢答按键和选手答题完毕停止按键，其中抢答时间和答题时间输入键、主持人控制开始抢答按键和答题按键、主持人复位按键是由一个4*4矩阵键盘来实现的，接在主单片机的P1口；选手抢答按键和选手答题完毕停止按键分别接在两个从单片机中，均对应接在单片机的P1口，用来抢答和答完题的停止。

数码管显示模块选用了一个四位一体的共阴数码管和四个独立的共阴数码管，其中四位一体共阴数码管接在主单片机上，用以选手号和倒计时的显示，其中位码分别接在P2口的第四位，断码分别接在P0口；四个独立数码管分别接在两个从单片机上，用以显示答题过程中的时间提醒。

断码接在P0口，位码接在P2口的地位。

声音电路模块选用了常用的蜂鸣器，正极接在高电平，负极接在主单片机的P3.7，用以提示操作中的警示或者提示。

3.2总体设计框图

图3.1总体设计框图

具体说明如下：

1.单片机接收4*4矩阵键盘信息，预设抢答时间和答题时间，主持人控制开始与结束，确定是否为有效答题。

2.单片机与单片机之间互相通信，发送主单片机预设的答题时间，并确定选手号。

3.主单片机根据选手是否有效抢答来控制数码管显示。

4.主单片机根据选手是否犯规，或者其他提示控制声音电路发出声响。

3.3单片机系统

3.3.1单片机的选择

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[7]：

（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AT89C51单片机。

（4）RAM空间，AT89C51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。

如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264，62256等。

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。

只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。

（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。

3.3.2AT89C52主要性能参数

AT89C52型单片机的性能与AT89C51、STC89C52的性能基本相似，AT89C52是美国AT公司生产的低电压，高性能的单片机。

该器件采用AT高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，AT的89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

此外，它集Flash程序存储器可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，AT公司的功能强大，低价位AT89C52单片机可提供许多高价位比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.3.3AT89C52功能引脚说明

40个引脚按引脚功能大致可以分为4个种类：

电源、时钟、控制和I/O口引脚。

下面就设计中所用到的引脚功能做以介绍。

电源：

（1）VCC:

芯片电源，接+5V.

（2）VSS:

接地端。

时钟：

XTAL1、XTAL2：

晶体振荡电路反相输入端和输出端。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

在外接晶体时，XTAL1与XTAL2各接晶体的一端借外接晶体与片内反相放大器构成震荡器。

控制线：

控制线共有4根

⑴ALE/PROG：

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲，连接时接高电平。

⑵PSEN：

外ROM读选通信号。

⑶RST/VPD：

复位/备用电源。

⑷EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

I/O线：

AT89C52共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

PO口是一组8位漏极开路行双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。

P1口是一个内部具有上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。

作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流（I）。

Flash编程和程序校验期间，P1口接收8位地址。

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输入缓冲极可以驱动（输入或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。

作输出端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除可作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。

表3.1P3口第二功能表

引脚

第二功能

P3.0

RxD串行口输入端

P3.1

TxD串行口输出端

P3.2

INT0外部中断0请求输入端，低电平有效

P3.3

INT1外部中断1请求输入端，低电平有效

P3.4

T0定时/计数器0计数脉冲输入端

P3.5

T1定时/计数器1计数脉冲输入端

P3.6

WR外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效

P3.7

RD外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效

图2.4中单片机为AT89C51，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24、25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D第二功能。

10个LED灯分别对应八位选手及准备开始和开始抢答。

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。

图3.2系统总体硬件设计图

3.4抢答器的系统概述

3.4.1系统的主要功能

本设计系统是，采用模块化设计的八路抢答器，主要包括显示电路部分、时间预设和开始结束键盘输入电路部分、复位电路部分、报警提示电路部分等。

在参赛者系统中，选手除享有基本抢答按钮的功能外，还有人性化的声音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；在主控系统中，主办方除享有基本开始与结束按钮的功能外，还可根据活动要求，预设抢答时间和答题时间，并且对选手回答问题的正误可以进行亮灯警示。

此外，本设计系统可以显示抢答成功和违规的选手台号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示及声音提示。

系统的主要功能模块方框图如上图2所示。

在本设计中，各组选手分别有一个抢答按钮和一个答题完毕按钮，其中用8个按键输入、8个按键停止来表示，另用8个LED灯，分别对应8组选手。

主持人有开始抢答和开始答题键。

在活动开始前，主持人可以预设抢答时间和选手答题的时间，通过键盘依次输入抢答时间和选手答题的时间，设置好后在抢答和答题过程中时间不能更改。

主持人按下开始抢答按钮后，数码显示屏显示抢答时间倒计时，并在最后五秒蜂鸣器发出声音提示，在抢答时间范围内，选手的抢答才为有效，当抢答成功后，数码显示屏显示出成功抢答的选手台号。

如果主持人没有按下开始抢答按钮，而选手就已抢答则视为犯规，数码显示屏显示出犯规者的台号，蜂鸣器发声报警。

当抢答完成后，主持人按下开始答题按钮，数码显示屏显示出答题倒计时，与此同时成功抢答的选手则开始答题，答题完后该选手可按下答题完毕按钮，并有蜂鸣器发出提示声音。

当答题完成后，主持人可按下抢答复位按钮，新一轮抢答开始（注：

此时的抢答时间和选手答题时间仍为上一轮所预设的，若需在此轮比赛中重新更改预设时间，则需按下总复位按钮）。

本设计系统中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。

其中一个空位，一个显示抢答选手台号，另外两个显示倒计时。

主持人开始抢答按钮后，各位选手才能开始抢答。

当然，也可以抢按，但是会视为无效抢答。

当抢答超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“000”。

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成功抢答的选手台号。

在按开始抢答按钮前抢答则表示犯规，数码管显示“00”并显示犯规选手台号。

3.4.2抢答器的主要指标

1、主持人在抢答之前能够预设抢答时间和答题时间，时间由集成键盘输入，可在1~99s之间任意设置，预设好时间后，在抢答和答题过程中不能再更改时间。

如需更改时间需要按下总复位开关来重新设置。

2、主持人按下"抢答开始"按钮，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其台号，待主持人按下“开始答题”按键后，方可进入回答倒计时（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。

时间每隔5s蜂鸣器会响一下提示音。

3、