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1、声光显示智力竞赛多路抢答器摘 要声光显示智力竞赛多路抢答器基于单片机系统代替了传统常规电子线路的控制系统，有了智能化的长足发展。电子智能抢答器在抢答过程中系统正确判断正常抢答，分辨出优先抢答人。系统采用AT89S51单片机作为核心模块，配以键盘、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、音乐音频输出等模块。关键词：抢答器；单片机；键盘；显示；抢答1.引言电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一
2、块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。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。2.方案论证抢答器的设计方案种类很多，要实现以下功能：(1)抢答器同时供6名选手或6个代表队比赛，分别
3、用6个按钮S0 S5表示。(2)设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。(3)抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。(4)抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。(5)参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。如果定时时间已到，无人抢答，本
4、次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。可以用单片机来完成，也可以用数字电路来实现，两种方案都与我们所学内容联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，对我们掌握集成芯片逻辑功能的应用有很大帮助。下面将分析抢答器的两种方案并选择其中合适的一种2.1方案一：基于逻辑数字电路抢答器的设计定时抢答器的总体框图如下图21所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。选手抢答按键主持人控制秒脉冲产生优先编码时序控制定时电路译码显示锁存
5、功能译码显示报警电路图21上图所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，显示编号扬声器发出短暂声响，控制电路要对输入编码电路进行封锁，控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回
6、复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便的完成选手抢答的基本功能，但是由于系统功能要求较高，所以电路连接集成电路相对较多，而且过于复杂，并且制作过程工序比较烦琐，使用不太方便。2.2方案二：采用单片机作为核心抢答器的工作原理是采用单片机最小系统，用查询式键盘进行抢答。通过抢答按键模块，连接按键进行抢答。此电路完成的功能如下图所示，当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，
7、再由单片机输出到显示输出电路中。此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。系统是采用模块化设计的智能抢答器，主控与参赛者设为终端分系统。主控分系统有：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）。参赛者分系统设有：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） 主 控 制 器LED显示声生器键盘显示时钟频率复位电路系统主要功能模块控制器主要用于各模块控制对显示、抢答、音乐、计分等。控制器的选择有以下两钟方案。1.采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。F
8、PGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。2. 采用ATMEL公司的AT89C51作为系统控制器的CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其
9、功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。，以下（图32）各种类型的单片机内除CPU外，还包括ROM、RAM、4*8 I/O口和2个16位定时/计数器，它们都是功能很强的单片微型计算机。但由于80C51片内为掩膜ROM，故内部程序不能改写，不用于实验开发。87C51具有片内EPROM，是真正的单片微机，但由于价格较贵，且程序改写时要用紫外线擦除，时间较长，所以用得较少。80C31在市场上的价格很低，但片内没有ROM，必须在片外扩展一片EPROM，非常不便。AT89C51片内具有可电擦除的FPEROM，可以快速、多次地编程，且价格不高，所以用得非常广泛，目前开发用的MCS5
10、1产品绝大多数用89C51型号ROM形式片内ROM片内RAM寻址范围定时计数I/O口串行I/O口外部中断80C31接ROM4K1282*64 K2*164UART280C51ROM4K1282*64 K2*164UART287C51EPROM4K1282*64 K2*164UART289C51FPEROM4K1282*64 K2*164UART2图32基于以上分析拟订方案2。下图为采用51单片机设计抢答器的主体电路：系统采用AT89C51系列单片机作为控制核心，可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。本设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计
11、。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。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。而且单片机性能稳定，可操作性强。可以只用P0口连接上拉电阻，完成驱动LED的功能，串接按键可以由选手自己控制抢答机会，利用P3口的RXD接74LS164的A，B端，TXD接移位脉冲
12、做时钟信号。利用单片机程序判断选手按键是否有效，但选手违规抢答，利用简单程序显示选手序号，启动蜂鸣器并不间断，告诉主持人有人违规操作，抢答无效。给出相应的延时，选手按正常的操作抢答，软件倒记时，利用74LS164移位寄存8段数码管，实现倒记时显示时间，到5秒相应时间提醒选手时间快到了，要及时作答，并启动蜂鸣器。如果有选手在规定的时间以前完成问题，主持人通过按键P2.4复位，开始新的问题作答，因为程序不是很大不需要扩展存储空间，选手按键跳入相应的子程序，回答倒记时，通过单片机实现功能可以更人性化，只需单电源供电更方便，容易实现。电路结构简单，数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占
13、用较少。外围扩展的电路不是很多。单片机是电子专业发展的方向，更好的使用单片机可以是我们的产品小型化，使用更方便，性能更稳定，功能更齐全，所以我们选用单片机加一定的外围设备实现本次课程设计的要求。3.各模块方案选择和论证3.1电源方案的选择系统需要多个电源，AT89C51使用5V稳压电源，驱动芯片需要5-50V电压驱动。3.1.1方案一：由MAX构成的5V稳压电源。如图33图31由MAX构成的5V稳压电源图3.1.2方案二：采用三端稳压集成7805得到5V稳定电压。如图34电路为输出电压+5V，输出电流1.5A的稳压电源。它是由电源变压器T,桥式整流电路D1D4，滤波电容C1,C3防止自激电容C
14、2，C4和一只固定式三端稳压器7805组成。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波，便在稳压电源的输出端产生了精度高，稳定性好的直流输出电压。综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。图32由LM7805构成的5V稳压电源图3.2抢答器显示模块我们考虑有以下两种显示方案。3.2.1方案一：使用液晶屏显示时间。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积
15、大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。3.2.2方案二：在使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。静态显示，电路图中所示。显示器由9个共阳极数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。根据以上的论述，采用方案二。3.3枪答器键盘的选择键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。3.3.1方案
