抢答器的设计与制作

..抢答器的设计与制作[摘要]文章介绍了一种单片机控制的智能化抢答器,该抢答器可克服普通抢答器存在的缺陷。详细介绍了其硬件结构和软件设计方法。设计了一种以单片机AT89C51为核心的四路抢答器,从硬件和软件两方面详细介绍了抢答器的设计方法,结合Proteus软件的仿真结果,根据电路图焊接实物,软件仿真及硬件调试结果表明,该抢答器的设计实现了预期的目标。[关键词]抢答器；有效抢答；违规抢答；单片机AbstractThispaperintroducesamicroprocessorcontrolledintelligentResponder,theResponderRespondercanovercomethecommondefects.Detailsoftheirhardwareandsoftwaredesignmethods.DesignedamicrocontrollerAT89C51asthecoreoffourResponder,bothfromthehardwareandsoftwaredescribedindetailResponderdesignapproach,combinedwiththesimulationresultsProteussoftware,accordingtothecircuitdiagramweldingkind,softwaresimulationandhardwaredebuggingresultsshowthattheResponderisdesignedtoachievethedesiredobjectives.KeywordsResponder;effectiveanswer;violationResponder;SCM目录抢答器的设计与制作1引言2一、抢答器的组成与原理21.1电路组成与原理31.2主体电路的功能31.3控制系统的工作原理4二、总体设计42.1设计需求42.2抢答器的工作原理42.3硬件设计52.4显示模块62.5按键输入模块62.6蜂鸣提示模块62.7复位模块7三、软件设计73.1违规抢答信号的记录73.2第一有效抢答信号的识别及处理83.3多个第一有效抢答信号的处理83.4中断9四、基于Proteus的系统仿真104.1抢答成功模块104.2非法抢答模块104.3复位模块104.4硬件实现11五、结论11参考文献12引言单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等"智能型"工业产品。在知识竞赛抢答中,简单电路设计的抢答器,只靠人的能力很难判断出哪一组先抢答,且故障率高、体积大应用不方便。利用单片机编程设计抢答器,能轻松地分辨出抢答的次序,且具有体积小、故障率低的优点。一、抢答器的组成与原理抢答器又称第一信号鉴别器,应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。普通抢答器存在以下缺陷：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,同时内部定时器工作,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COM1、COM3、COM4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口没有内置上拉电阻,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号码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,R5MOVCA,A+DPTRMOVP2,#01HMOVP0,AACALLDELAYMOVDPTR,#DAT2MOVA,R4MOVCA,A+DPTRMOVP2,#02HMOVP0,AACALLDELAYMOVA,R3MOVCA,A+DPTRMOVP2,#04HMOVP0,AACALLDELAYRETDAT1: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TMOD②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