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1、基于单片机的智能抢答器系统摘要: 电子智能抢答计分器在抢答过程中，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。本设计使用STC89C51单片机来设计智能抢答器，组数可以在六组以内任意使用。并且具有倒计时和时间设置及报警功能。利用STC89C51单片机对信号进行锁存、显示等功能。分别从硬件和软件两方面阐述了该控制系统的设计方法,并经过调试和运行使该系统达到预期目标,具有反应快、功能齐全、实用性强的特点。引言随着微电子技术、电力电
2、子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的发展，使单片微型计算机也得到迅速的发展，单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。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。它作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电
3、子线路。同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。1 系统设计要点系统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。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。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方
4、法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，采用汇编语言编写程序。系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。2 各模块方案选择和论证2.1 抢答器显示模块显示模块主要是显示抢答的时间，组别号码等。我考虑有以下两种显
5、示方案。方案1：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组别的数字，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。方案2：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
6、采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。根据以上的论述，采用方案二。2.2 控制器模块控制器主要用于各模块控制显示、抢答、音乐等。控制器的选择有以下两钟方案。方案1：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。FPGA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
7、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。方案2：采用ATMEL公司的STC89C51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。基于以上分析拟订方案二。2.3 电源方案的选择系统需要多个电源，STC89C51使用5V稳压电源，四联数码管供电电压为5V。给出以下两个方案。方案1：采用升压型稳压电路。用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流崭波调压，得到5V稳压输出。只需使用两节电池，既节省了电池，又减小系统体积重量但
8、该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。方案2：由于所做的设计不需要很高的精度要求，结合这个电源分析只要给系统5-9V的电压基本能输出显示和运用抢答，故只需利用一节9V的电池便可使整个电路工作。该方法方便简单，节省材料。综上所述，选择方案二。2.4 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。方案1：独立式键盘键盘接口中使用多少根I/O线
9、，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了6根I/O口线，该键盘就有6个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。如图2-1。P101234567 图2-1独立式键盘最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反映的相应按键，按下的状态进行编码，称按键直接状态码，对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别，这样形式的键盘结构简单，按键识别容易。独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，可以采用这
10、样类型的键盘。方案2：行列式键盘行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是M*N个。这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，列线接P1.0P1.3行线接P1.4P1.7，行列适用于按键输入多的情况。CPU对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式，即只有在CPU空闲是时才去扫描键盘，响应操作人员的键盘输入，但CPU在执行应用程序的过程中，不能响应键盘输入，对键盘的扫描可以采用定时方式，即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘扫描一次，这样控制方式，不管键盘上有无键闭合，CPU总是定时的关心键盘状
11、态。在大多数情况下，CPU对键盘可能进行空扫描。为了提高CPU的效率而又能及时响应键盘输入，可以采用中断方式，既CPU平时不必扫描键盘，只要当键盘上有键盘闭合时就产生中断请求，向CPU申请中断后，立即对键盘上有键盘进性扫描，识别闭合键，并做相应的处理。如图2-2所示。0123456789ABCDEFP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7图2-2行列式键盘根据以上的论述，采用方案一，在本系统中采用了独立式键盘，其按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。3 模块的最终方案主控制器模块：采用STC89C51单片机控制。抢答器显示模块：数码管显示。电源方案的选择：采用9V
12、电池供电。抢答器键盘模块：独立式键盘。4 功能介绍如果想调节抢答时间或答题时间,按抢答时间调节键或答题时间调节键进入调节状态,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-1s键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s99s, 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。 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。倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。 如倒计时期间，主持
13、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。 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。 5 抢答器的软件设计通过ST89C51芯片的控制，从而构成了整个电路。抢答组数可以在六组以内任意使用，其流程如图5-3图5-3抢答系统流程图5.1 数码显示软件设计采用动态显示，显示器由4个共阴极数码管组成，数码显示程序流程如图5-4。图5-4数码显示流程图5.2 音乐音频输出音乐音频输出由输出，流程图如图5-5图5-5音乐音频输出流程图6 调试情况分析6.1 硬件调试6.1.
14、1 电路板的制作与检查考虑到本系统所用元器件较少，大部分功能都是通过软件编程来实现，同时也出于对毕业设计成本的考虑，因此所用到的板子是自己手工制作的PCB板。在电路板的制作中，首先要进行线路的排布。利用PROTEL 软件模拟实际电路板的线路走向，尽量避免线路出现交叉短路，电源线路尽量安排在电路板的最外圈。PCB板刻录完成之后，开始进行焊接工作。焊接完后进行电路板检查，将原线路图与实际焊接的电路板进行对比，由于线路不多，所以用万用表的欧姆档或是短路声响指示功能来做焊点的检测，如此可以避免焊接时漏焊、虚焊和配线错误的问题，同时保证了所制作出来的线路与原设计线路的一致性。6.1.2 电路模块调试本设计硬件部分主要为显示模块按键模块。硬件电路功能检测主要针对这两部分进行测试。对于显示电路，由于使用的是四联数码管显示屏，首先要确定数码管的共阴还是共阳极。因此先用万用表检测是什么极性。然后再先固定下，检查显示电路能否正常显示。最后再焊接上去。 对于按键部分，首先要确定各个按键是否完好，先自己接到一个简易的电路上测试下，确定完好后再焊接。6.2 软件调试的基本方法软件的设计与调试实行分模块实现方法。本设计软件调试中的分模块包括显示功能模块、调正时间功能模块，抢答功能模块以报警功能模块。各个
