【基于单片机的竞赛抢答器系统设计16000字（论文）】

VI基于单片机的竞赛抢答器系统设计摘要在如今这个竞争日益激烈，争优选胜，知识竞赛等活动愈加频繁的社会，抢答判决器的应用与需要也就越来越普及。现在市场上大多数的一些抢答判决器成本高、体积大、线路多，在操作和安装都很显得较为复杂。例如普通抢答器，它是由通用集成电路制成，价格高、显示方式单一、性价比较差，人为因素也较大，在各类活动应用中无法精确保证公平公正。因此针对各类赛事活动而设计了无线智能多功能抢答器。随着当前串口通信和无线通信技术在众多电子系统中的广泛应用，本文将其与单片机进行结合，作为本系统设计的基本构架的实现。单片机作为系统的数据处理芯片，以无线通信技术作为传输，所有参赛选手的信号借助串口通信技术实时将数据进行传输，使得系统完美的解决了上述的不足情况，具备系统实现电路简单、出色的系统可靠性、可工业化生产且成本低等优点。并且采用了较为先进无线通信技术，良好的人机界面，减少现场布线的麻烦。可满足不同赛事活动的不同需求，是用于学校、教育部门、企事业工会组织、俱乐部等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动事做抢答判决之用。能够简化工作流程，减少人工失误、提高活动档次，减轻工作量、节约竞赛成本。关键词：单片机；智力竞赛抢答器；定时抢答；无线发射和接收目录TOC\o"1-3"\h\u16543第一章引言 131318第二章无线发射抢答判决器系统解决方案 3171812.1设计的依据 347232.1.1课题的提出 3176942.1.2设计的内容 3128062.2无线通信技术比较 3265642.2.1IrDA技术 3285702.2.2蓝牙技术 4167872.2.3Wi-Fi技术 484862.2.4射频技术 531122.3抢答系统通信技术解决方案 5203252.4抢答系统总体结构和功能 621652第三章微处理控制器的选择 813483.1主要性能参数 8275673.2时序 9254543.3功能特性概述 9322213.4引脚功能说明 1024954第四章抢答器的硬件整体设计 12138484.1设计思路 12126184.2系统总体功能模块 12118444.3硬件电路设计 1378304.3.1无线抢答器硬件电路设计 13161434.3.2接收器硬件电路设计 13214464.4硬件电路抗干扰设计 145103第五章系统软件设计及Proteus仿真 15303295.1抢答器的程序设计 15194545.1.1发送端无线收发模块的配置 15249445.1.2抢答器系统软件设计 15304045.2接收器的程序设计 16119655.3串口通信程序设计 17297355.4Proteus仿真 187258第六章用户端人机界面程序设计 19146256.1VisualBasic6.0 19262676.2“用户端人机界面”功能需求分析 19181606.3软件功能模块设计 20202506.3.1“导入文档” 20206856.3.2“抢答题库增减” 21317556.3.3“计分” 21113896.3.4“抢答模式设置” 22315096.3.5.“系统管理” 23195036.3.6“抢答的用时” 2319500第七章总结与展望 24134447.1总结 24153587.2展望 24引言抢答判决器大多数应用于各种多路信号识别鉴定并锁定第一信号问答以及结果的判决的竞赛、综艺娱乐的活动中。在进行对现阶段市场存在的抢答器判决系统调研的过程中，发现普遍存在如下的不足：参与者在进行抢答的环节中，如果出现选手违规行为，抢答器只能对违规的信号进行处理，缺乏对有效的抢答信号的处理，由此该抢答环节则只能被评定为无效的行为。（简而言之就是有人在没开始抢答前提前按下抢答信号，会使其他人的抢答都视为无效）（2）众多选手进行抢答行为时，现有的抢答系统只能保留某一个选手，这就造成该环节的漏洞出现。（简单的说就是，如果恰好两人同时抢答，那么只能选取其中一人，于是两个同时性信号被“漏洞”信号取代）（3）当同时出现多个抢答判决信号时，现有抢答器通常使用编码电路进行信号的选择，或者是利用系统所包含的元件完成信号的竞争。利用系统所包含元件进行竞争的设计方案，元器件一经固定则整个系统的各个不同信号的竞争能力也就被确定下来，即某些信号享有优先权，失去了抢答判决器系统的公平性。（简单的说就是受电路工艺电子元件等东西的干扰，会造成抢答器无法正确判断第一信号从而随机选取信号的可能）在本设计的论述过程中讲述了一个以单片机作为微处理器的无线智能抢答器系统，利用VB设计了很好的人机界面，能够对所有选手发出的信号进行采样分析，在提高了信号精准性的同时，还能够完美的管理违规抢答信号以及其他选手的有效信号，确保每次抢答环节的有效性。在处理上述漏洞中，系统的实现方案是采用存储器进行违规信号的记录。当系统同时接受两个及以上抢答信号时，则根据相应的程序设定随机进行信号的选择，保证了抢答器系统的公平性，现实生活中，在观看各类综艺节目中往往会发现抢答判决器的身影，不过就现阶段市场上抢答器的发展现状进行分析，普遍存在抢答判决器实现电路复杂、功能可靠性低、应用效果一般；采用电路集成块实现的抢答器，集成块的购买途径较少。为了满足市场需求，本文进行设计了一个具备多功能的智能抢答判决器系统，该系统具有元器件电路简单、器件易于获得、功能多等等特点，能够很好的解决现存抢答器中存在的不足。随着改革的深化和对外开放事业的发展，鼓励人们学习科学，研究各种技术手段，丰富的知识，但抢答判决器的使用频率较低。作为一个单位，如果购买的是一个强大的抢答判决器。尽管经济上可以接受，不过抢答判决器的年使用率较低，常常抢答判决器的损坏的原因是由于长期的存放保存不当引起的故障会影响购买行为。现阶段众多抢答判决器系统普遍存在的三个问题：首先，系统现场实现线路复杂。造成这种现象的原因是，不同的抢答者分布在某场合的不同位置，抢答器需要同不同的抢答选手所处位置进行线路的连接，即如果人员越多，所需接入的线路就越多、实现起来就越复杂，同时还会造成整体美观程度的下降、线路可靠性降低、造成现场人员的行为难度提升等等，针对上述问题本文提出了一种无线信号接收的方法；其次，系统实现电路繁杂，造成这种现象的原因是，单片机微处理器在设计过程中只设定其处理号码、记录时间、运算数据等功能，而当处理参赛者的号码识别、信号译码等工作时，则需要其他的外围数字集成电路模块来实现，单片机进行接受扫描时，整体系统延迟较大；最后，整个抢答环节，系统缺乏记录行为的服务。随着当前串口通信和无线通信技术在众多电子系统中的广泛应用，本文将其与单片机进行结合，作为本系统设计的基本构架的实现。单片机作为系统的数据处理芯片，以无线通信技术作为传输，所有参赛选手的信号借助串口通信技术实时将数据进行传输，使得系统完美的解决了上述的不足情况，具备系统实现电路简单、出色的系统可靠性、可工业化生产且成本低等优点。无线发射抢答判决器系统解决方案2.1设计的依据2.1.1课题的提出在开展娱乐活动室通常有抢答判决一项，需要使用应答器。但在市场上，抢答判决器一般需要几百块，性价比比较高。基于上述原因我设计了一个电路简单，成本低，操作方便，灵活和可靠性高的抢答判决器显得尤其重要与迫切。只要有一台电脑，利用计算机和抢答器可以很方便地构成一个功能强大操作方便的人机对话多功能抢答判决器。2.1.2设计的内容(1)完成了基于STC89C52和nRF24L01+的无线抢答器和接收器的软硬件设计。(2)对点对多点无线通信中的数据碰撞进行了研究，设计出一种通信防碰撞机制。(3)对抗干扰和低功耗技术在系统中的应用进行了研究。(4)设计了包括抢答、抢答结果的判决，定时、计分、显示等模块-组成的用户端人机界面。2.2无线通信技术比较2.2.1IrDA技术IrDA技术应用在实现数据传输时遵循点对点传输协议，属于替代传统有线连接数据传输模式的常规解决方案的一种。与传统有线模式相比，该技术的先进性表现在：无需专用频率使用权的申请启用，总体数据传输成本不高；（2）采用光信号完成数据交换和传输，安全性和抗干扰性优秀，同时不会额外占用无线频道；（3）传输效率高，在大容量和多媒体资料的交换和传输中功能表现尤其突出；（4）硬件设备的便携性好，总体能耗较低，操作简单方便，非常适合移动通信的应用环境。IrDA技术经过多年的发展和完善，软硬件技术条件相对成熟和稳定，适用范围越来越大，在家用电器的遥控操作设备、手机PDA移动数码产品和高精度医疗和工业设备等领域的应用比重越来越大。需要明确的是，红外通信技术的数据传输模式是一种视距传输，即进行数据交换的设备之间不得存在障碍物，并要求收发设备对准，以及存在传输距离有限和通信广度不足等客观缺陷。2.2.2蓝牙技术红外通信技术虽然能够解决数据交换有线连接模式的不方便问题，但其自身存在的视距传输和距离有限的缺陷极大限制了实用性和广泛应用。针对这一不足，爱立信公司首创了蓝牙传输技术，并联合IBM、诺基亚等计算机和手机终端公司全面推广和应用蓝牙无线传输技术。蓝牙技术的突出优点表现在：高效快捷。第一代蓝牙技术的带宽标准就达到了1Mbps，第二代技术更是实现了10Mbps的高速数据传输，极大提高了数据交换效率；（2）范围广。蓝牙技术的有效距离较先前的传输模式更为优秀。在ImW的功率条件下就能保障10米的传输距离，而在高功率环境中的传输距离更是突（3）抗干扰能力强。蓝牙数据传输方案采用跳频扩谱技术，在数据交换传输中，首先将频带细分成若干跳频信道，在连接传输过程中则按照特定的编码序列进行信号在不同信道之间的跳跃。只有收发双方能够在约定的特定跳频规律下进行数据传输，其他设备终端无法介入，也无法对特定的蓝牙频道产生影响；并且传输过程中的跳频操作产生极窄的瞬间跳频带宽，结合扩谱技术实现窄带宽的成倍扩展。这种复杂的机制充分保障了蓝牙技术的抗干扰能力。比如，在1.0B的规范技术下，蓝牙信号在2.4GHz-2.4835GHz的ISM频段以1600次/秒的高速频率进行信道跳跃，这样就会形成带宽为1MHz的多个不同信道组成的跳频环境；（4）安全性高。蓝牙技术在实际应用中充分引入鉴权和加密等安全技术，确保数据传输的安全性和保密性。（5）扩展延伸性好。蓝牙技术同时支持点对点、点对多的数据传输模式，允许多个蓝牙设备通过特定的无线连接方式组成一个不超过8个独立设备的完整的信息交换微微网，同时允许不同微微网通过数据互联实现多重、分散网络的拓扑结构，有效扩大了蓝牙设备间的连接范围，极大提高了数据传输交换效率。2.2.3Wi-Fi技术Wi-Fi技术即无线高保真技术，英文全称WirelessFidelity，是一种短距离、高速无线通信技术。一般情况下，Wi-Fi技术专指IEEE802.lib。与蓝牙技术相比，Wi-Fi技术的有效距离和辐射范围更加优秀，甚至能够达到100m的直线有效距离,尽管安全性和稳定性方面略有不足，但也能够满足家庭、企业办公等的日常应用需求。IEEE802.11b标准的数据传输频率为2.4GHz,是无线局域网设备连接和数据交互的有效解决方案。该标准同时允许数据传输速率的动态切换，使用者可以根据自身需要和环境状况自主选择1Mb/s、2Mb/s、5.5Mb/s以及11Mb/s的数据传输速率，是当前使用范围最大的无线局域网数据连通标准。Wi-Fi技术具有辐射范围大、数据传输快、信号穿透力强等优点，有效范围能够达到100m及以上的覆盖半径，最快遵循11Mb/s的速率进行数据交互。同时，Wi-Fi技术的缺点也比较明显，由于带宽较窄等因素，该技术的抗干扰性和数据安全性差强人意，加之比较昂贵的软硬件设备，极大限制了技术应用范围的扩大。2.2.4射频技术射频技术也是短距离无线通信技术的重要组成之一，又名射频识别技术(RadioFrequencyIdentification)。该技术的硬件环境要求连接设备必须都安装无线射频信号收发芯片才能进行数据传输。目前，对射频芯片的研发和应用是国际多个半导体公司的核心业务，也产生了一系列应用于ISM频段的射频芯片，主要产品有Chipcon公司的CC1100、Nordic公司的nRF401、nRF24L01+等。射频技术通常以FSK调制模式运行，具有多种不同的工作频段和环境，操作简单方便，通过特定的命令语言就能实现大部分的无线通信功能，对使用者的无线通信技术水平的要求不高。采用射频技术的通信模块具有功耗低、稳定性高、扩展性好等特点，因此在民用和工业领域的实际应用范围较广，是短途、无线通信技术实现数据传输的有效解决方案。该技术的实现成本相对较低，在智能化家居、安全报警系统方面的应用比较广泛。2.3抢答系统通信技术解决方案IrDA技术蓝牙技术Wi-Fi技术射频技术通信频率或波长0.75um~25um2.4GHz2.4GHz315/433/868/915MHz通信速率<16Mb/s<10Mb/s<11Mb/s不同芯片参数不同。班nRF24L01:<2Mbps通信距离1~2m10m左右100m左右不同芯片传输距离不同。基本都小于500m频率申请否否否否模块成本很低高很高低图2.1四种通信技术参数比较图根据特定的系统需求和应用环境来确定抢答系统所采用的无线通信解决方案。通过对四种常规无线通信技术的阐述，明确各解决方案的优势所在和限制条件。比如红外技术总体开发费用不高，但过短的传输距离和苛刻的无障碍限制，决定其无法适应本系统的运行环境；蓝牙技术高安全稳定性和较大有效距离离不开高成本的支持，也与本课题的设计初衷存在出入；Wi-Fi技术更加适用于较大范围的局域网建设。只有射频技术的通信安全稳定性和数据传输距离及总体建设费用与本设计相当吻合，因此确定射频技术作为本系统数据交互传输的技术支持。在系统的具体设计中，需要充分考虑和实现的基础环节主要有以下几个方面：一是数据传输距离和精度都能够适应结构特征，保持足够的有效距离；二是充分保障数据传输到准确性；三是系统的使用操作和安装维护要简单辩解，便于市场推广和成本控制。此外，射频芯片的低功耗特性有效保证了手持设备的持续工作。综合以上环节的考虑，本抢答系统的数据模块采用Nordic公司研发nRF24L01+射频芯片。主要技术参数如下：①工作频段：2.4GHzISM；②传输速率：≤2Mbps；③功耗标准：待机功耗为26uA,连通状态下基础功耗为900nA,发送和接收模式功耗水平分别为≤11.3mA和≤13.5mA；④通信距离较远。⑤开发简便且成本较低。以上参数特性充分表明了该型号芯片在本系统中的适应水平。2.4抢答系统总体结构和功能本系统的硬件基础由接收器和抢答器构成的一对多结构系统。进行抢答环节时，抢答者只需按下任意按键(电源按钮除外)，此时发送状态指示灯开始闪烁则表明抢答操作成功进行;进行抢答环节时，抢答者按下对应的选项键，以指示灯的信号显示来确定抢答结束。接收器对接收到的数据信号进行确认和反馈，同时将结果传送到对应的应用系统终端。图2.2抢答系统总体结构图微处理控制器的选择本系统的微处理器的选择是采用STC企业所生产的单片机STC89C52，该处理器是基于CMOS的8位微处理器具有功耗低、性能优越的优点，系统存储方面加入了8K的可编程系统存储器。该芯片是基于MCS-51内核进行的升级开发，加入许多新的功能，使得在解决系统设计需求方案方面具有高灵活性选择、以及功能可靠的方案可供开发者选择，具有很高的市场占有率。其具体构架为：8k可编程Rom、512kRAM、提供32位的系统I/O接口、4K可擦除EEPROM、看门狗服务、单片机复位电路、3个可供用户选择的16定时计数器方案选择、4种外部中断模式以及全双工串口通信复位等。同时该单片机能够允许开发者进行降频逻辑操作，提供两种节电模式。即在系统处于空闲时，允许CPU的挂起操作，同时RAM、定时计数器、数据接口、中断服务继续运行。当处理器处于掉电模式时，存储的信息数据进行锁存、振荡器挂起，直到系统接到下一个中断请求以及硬件复位操作。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。3.1主要性能参数·该处理器芯片能够同51系列处理器开发芯片以及开发语言完全兼容·拥有8k内置存储以及4K可擦除EEPROM·允许开发者至少进行千次擦除操作·静态操作功能，工作频率为：0Hz—24MHz·芯片提供三个级别程序加密处理·RAM配备方面拥有8个256k存储器·提供32位的可管控I/O输入输出接口·3种定时计数器工作模式·定义8种系统中断源·提供可编程串行数据UART接口·提供低功耗以及掉电模式·芯片工作电压范围为5.5V～3.3V（5V型）或者3.8V～2.0V（3V型）·芯片工作频率可以设置在0～40MHz之间，其性能相当于8051的0～80MHz，最高可以超频至48MHZ通用I/O口（32个），进行系统复位操作后，P0/P1/P2/P3引脚处于准双向口/弱上拉状态，P0口属于漏极开路，当用于系统扩展时无需添加上拉电阻，而作为芯片输出和输入功能时，则需要加入上拉电阻设计。·ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片芯片程序的下载·具有看门狗功能3.2时序1.时钟电路采用51内核设计的STC89C52芯片内部设置有反向放大器设计的内部晶体振荡器电路，振荡器的信号输入和输出分布为单片机引脚的XTAL1（8脚）和XTAL2（9脚）。即芯片进行计时操作的振荡时序电路既可以进行系统外接振荡源也可使用系统内部的时钟源。使用内部时钟源的方式，可以通过XTAL1和XTAL2外接并联两个电容（20PF-30PF）以及石英振荡器完成，工作频率范围为1.2—12MHz。采用外部时钟源设计时，则进行XTAL2外接时钟源，XTAL1进行接地设定。2.时序采用51内核设计的AT89C52芯片，执行一个机器周期分为六个状态S1-S6，每个状态需要运行两个振荡周期支持，即为P1和P2两个节拍。因此系统执行一个机器周期的时间便是晶振源的12个振荡周期。本设计采用时钟源为12MHZ的振荡源，即每个机器周期执行时间为1us，状态周期为1/6us；通常情况下，运算以及逻辑处理的行为产生于N期间，而数据的传输产生于P2节拍。如果某一项指令属于单机器周期，则取指操作从S1状态的P2节拍开始执行。如若系统指令属于多机器周期，则在S4状态进行第二周期指令的读取。如果指令是单字节，则在51内进行读写，不过指令所包含的操作码被滤除，PC不执行加一作直达指令完成时，PC计数器进行加一行为。51指令中除去乘除移位等为数不多的周期在2以上的机器周期指令外，通常由4个机器周期完成。双字节指令，一般情况是从一个周期内完成取指操作，不过Movx指令除外，因其语句的操作是进行外部存储器的单字节双周期。3.3功能特性概述STC89C52具体构架为：8k可编程Rom、512kRAM、提供32位的系统I/O接口、4K可擦除EEPROM、看门狗服务、单片机复位电路、3个可供用户选择的16定时计数器方案选择、4种外部中断模式以及全双工串口通信复位等。同时该单片机能够允许开发者进行降频逻辑操作，提供两种节电模式。即在系统处于空闲时，允许CPU的挂起操作，同时RAM、定时计数器、数据接口、中断服务继续运行。当处理器处于掉电模式时，存储的信息数据进行锁存、振荡器挂起，直到系统接到下一个中断请求以及硬件复位操作。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。该处理器是基于CMOS的8位微处理器具有功耗低、性能优越的优点，系统存储方面加入了8K的可编程系统存储器。该芯片是基于MCS-51内核进行的升级开发，加入许多新的功能，使得在解决系统设计需求方案反面具有高灵活性选择、以及功能可靠的方案可供开发者选择，且该芯片价格低廉，备受系统开发人员的青睐。3.4引脚功能说明Vcc：芯片工作所需电源电压接入引脚。GVD：芯片接地引脚。P0口：该口能够具有双工作模式功能，即可以作为芯片的双向I/O数据传输端口，又可以作为外接存储芯片的地址和数据总线接口。当P0口作为数据传输端口时，不同地址位能够接受8个逻辑门电路的电流驱动，当对P0口进行置1操作时，则呈现高阻抗输入状态。当P0口作为外接存储器时，则需要外接译码器实现片选功能，同时需要进行上拉电阻设计。P1口：该口的内部设计是带有片内上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器能够完成对4个TTL逻辑门电路的驱动工作。对P1端口进行置1写入时，则借助内部上拉电阻将端口上拉为高电平，用作输入数据接口。P1口还具有第二功能，即P1.0和P1.1可以作为芯片定时器工作在第二模式下的输入与输出端口。P2口：该口的内部设计是带有片内上拉电阻的8位双向I/O口。P2的输出缓冲器能够完成对4个TTL逻辑门电路的驱动工作。对P2端口进行置1写入时，则借助内部上拉电阻将端口上拉为高电平，用作输入数据接口。当P2口用作第二功能时，即完成对外界数据或程序存储器的访问数据接口，需要使用MOVX@DPTR指令访问外部程序存储器，通过高八位数据的送出，完成外部存储器的片选操作，在进行访问数据存储器时，需要使用MOVX@RI语句。P3口：该端口除了具有上述端口的普通数据传输功能外，还具有第二功能作用。P3.0、P3.1可以用作系统间的串行通信输入输出端口；P3.2、P3.3可以用于外接中断方式0以及方式1的中断信号接入端口；P3.4、P3.5端口可以用于系统间外接定时计数器的输入和输出端口；P3.6可以执行对外接数据存储芯片内容的写操作，P3.7则可以执行对外接数据存储芯片内容的读操作。RST：单片机复位信号接收端口。该引脚接收振荡器两个机器周期以上的高电平信号完成对系统的复位工作。也可由片内看门狗定时器完成系统的复位操作，系统默认高电平信号有效。ALE/PROG：当指令执行过程中，需要完成对外接存储器进行取指操作或者调取数据时，则ALE地址锁存器对数据的低8位数据（寄存器地址）进行输出。当芯片有外接存储器时，通过置0操作，可以完成对外部数据的存取操作，同时对于数据的低八位数据进行锁存，无外部存储器时，则可以用过系统内部的时钟，时钟频率为系统所提供晶振频率的1/6。PSEN：外部程序存储器选通使能端。通过对该端口的置高低电平的操作，实现对外接存储器的读写。进行取指操作时，每次机器周期时间内PSEN两次有效。即完成两个脉冲信号的输出行为。XTAL1：系统内部时钟源以及外接时钟源的输入端。XTAL2：内部时钟源的输出端口。EA／VPP:当该端口进行置1操作时，单片机进行内部程序存储器的取指行为，当地址数据范围超出FFFFH之后，则单片机自动执行外部程序取指的操作。当该端口进行置0操作时，无论地址信息如何都进行外部存储器的外部寻址取指操作。该端口需要外接+12v的工作电压。第四章抢答器的硬件整体设计4.1设计思路本系统单片机采用AT89C51作为控制系统的核心，在主持人按下开始键后，当有选手按键时，单片机通过扫描键盘判断出是哪一路选手，并存储到单片机中，然后在数码管上显示出来，此时开始抢答倒计时，倒计时部分用单片机内部定时器来实现，倒计时的时间也在数码管上显示出来，最后选手在规定的时间内完成抢答，这些动作都是在单片机控制下进行的。4.2系统总体功能模块系统框图如图4-1所示。图4-1系统框图单片机第9引脚连接一个复位按键，P1.0口接开始抢答按键，P1.1接停比答题按键，P1.2~P1.6为五路抢答输入，P0口为数码管段选。通过P0口输出a,b,c,d,e,f,g8段段码，P0口使用时要加上拉电阻，这里使用10kΩ排阻。主持人操作开始和复位键。主持人按开始键后，数码显示屏显示抢答时间倒计时;选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答选手号。抢答开始后原始状态下抢答时间为10s，无人抢答说明所有选手弃权，数码管显示0，按结束键确定。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。4.3硬件电路设计4.3.1无线抢答器硬件电路设计抢答器模块的硬件构成主要包括电源模块、功能模块、MCU和无线通信模块四个基础部分。抢答器根据系统和环境需要设计成无线移动模式，参考下列工作电压参数，本设计确定以两节七号电池作为抢答器的工作电源。模块工作适用电压分别为：微处理器STC89C52（5V）；射频芯片nilF24L01+（1.9V~3.6V）无线抢答器是一种便携式设备。AT89C52是本抢答系统抢答器的控制模块，承担选择判定、指示灯控制等功能硬件的管理控制。射频芯片nRF24L01+承担数据信息的无线传输和确认反馈。通过指示灯来完成信号处理结果的显示。具体为：L1指示灯闪烁表示信号发送失败；L2指示灯闪烁则表示发送成功；L3则代表抢答器由待机状态转入工作模式。按键输入电路集中在抢答器左下方，K1为抢答器的电源控制按钮，连接到微处理器rNT0的具体引脚是P3.2，实现MCU待机状态和工作模式的切换。其余5个按键根据需要分别连接到微处理器的相应引脚实现相关功能。4.3.2接收器硬件电路设计接收器作为抢答器与上位处理终端的连接枢纽，承担数据无线传输的功能协调。接收器的构成相对复杂，基本功能模块主要包括电源转换、MCU、USB转口、功能控制和无线传输等，构成本系统的关键功能模块。如图所示。图4-2无线抢答器的硬件框图随着电脑研发思路的发展特别是笔记本电脑的广泛应用，如今不少PC终端都取消了9芯串口的功能设计而广泛采用USB接口来实现外部设备连接。因此，本系统在具体研发中也将USB接口作为接收器与上位处理终端的连接模式，在强化数据通信的便捷性同时，尽可能降低系统的复杂程度。因为上位处理终端USB接口的核定电压为+5V，与微处理器AT89C52和无线传输芯片nRF24L01+不高于3.6V的工作电压不匹配，所以悬哦电源转换模块--三端稳压芯片进行电压转换环节，同时借助滤波电容来消除电源干扰。三端稳压芯片的能够为工作电压不同的其他模块提供相应的稳定电压。接收器的指示灯L1的亮灭表示接收器与上位终端的连接状况和设备运转情况。另外，上位终端与微处理器之间通过USB接口连接以完成数据交换。CH314T是USB接口的核心组件，构造及线路连接相对简单。接收器将所收到的数据信息通过USB接口上传到上位终端，成功上传时通过指示灯KZ闪烁来确认，上位终端的指令也须经USB接口下达。4.4硬件电路抗干扰设计抢答系统优劣的技术指标之一，就是抢答器和接收器的抗干扰能力。要保证硬件系统在运行中受到的电磁干扰最小，只能采取措施，根据电磁兼容性原理，将电磁对系统的影响降至最低，想完全清除电磁干扰是不现实的，只能从系统的稳定性和可靠性进行技术升级，将电磁干扰控制在一定范围，保证使用通畅。本文主要在课题研究中讨论了以下方法：第一，选件时要首选贴片元件。比如在选择MCU和USB转串口芯片、三端稳压芯片等等的时候，要首选贴片式封装元件，这样可以使导线距离缩短，减小阻抗值，最终可以提高电磁兼容。第二，设置滤波电路。设置位置多在电源模块、无线收发模块接口和集成芯片附近，接收器采用的上位机USB口供电，滤波器的作用就是过滤工作时产生的杂波。1.三端稳压芯片输入输出端都需要滤波器来过滤电源中的高频噪声和电路纹波；2.无线收发模块的供电端用去耦电容来减少高频谐波以及毛刺电压，保证射频电路的稳定；3.集成芯片电源端以及地面之间，放置去耦电容。第三，在ISP烧录程序的过程中，设定的双倍速模式可以把单片机的外部时钟频率降低一倍，这就能够有效降低单片机时钟对外界的干扰。同时也可以设置震荡放大器增益是1/2gain，可以明显地隔绝单片机高频部分的辐射。在最后的PCB布线环节，需要遵从的原则：1、摆放晶振的位置要尽量接近使用它的器件。利用去赖电容来调节集成电路的电源输入端和地面之间的结构。2、根据具体情况加粗电源线以及地线。我们通常情况下认为的电源线、地线和信号线宽度存在这样的关系：地线〉电源线〉信号线。3、布线均衡。功能相同或是完成功能相近的器件尽量集中，走线布置尽量最短。4、布线角度保持在135°钝角，目的是减少高频信号辖射。5、将PCB板输入、输出分开，数字地、模拟地也分开。6、PCB板两面走线垂直、斜交或者弯曲均可，不要平行以减少寄生耦合。第五章系统软件设计及Proteus仿真5.1抢答器的程序设计5.1.1发送端无线收发模块的配置（1）工作频率nRF24L01+工作在20400-204835GHZ频段而这个单片机中的寄存器实际工作频率能够有RFCH寄存器模块设置，如果这个模块的数值为40，那就表明了该单片机设备工作在2440频率下。(2)数据传输速率抢答器传输的数据速率达到了250kbps，这个参数是由RF_SETUP寄存器设定。（3）发射功率抢答器发射功率设置为90dBm。同样是通过RFSETUP寄存器设置，而这个寄存器则有下面显示器基本原理:DefineTX_ADR_TH3//接受地址宽度3个字节#dehineRX_ADR_WIDTH3//发送地址宽度3个字节UnsignedcharconstRX-ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x00,0x00，0x01}；//接收地址SPI_Write_Buf（WRITE_REG+TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH）；//写本机地址SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX-ADDR-PO,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH）；//写数据通道0接受地址SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR;0x01)；允许接受地址为数据通道OSPI_RW_REG((WRITE_REG+RX_PW_PO;6)//通道0接受数据长度为6个字节SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01)；数据通道0自动应答SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIQ0X01)_；TX-ds中断使能，主发送器，16位CRCARD(AutoRetransmitdelay),ARD=’0000’5.1.2抢答器系统软件设计在抢答器通电之后，第一步就要对MCU模块进行初始化操作，然后将nRF24L01芯片设置成发送模式，然后能够对读取按键进行判断，如果当电源键出现了停止工作达到了30s，那么此时MCU和无线通信模块就要切换成掉电模式，抢答器处于休眠状态。但是如果存在着按键操作，那么启动通信防碰撞机制完成相应的抢答任务。如果抢答系统处于休眠状态，则能够通过触摸电源键来进行唤醒，相关设置复位，并准备下一个流程的抢答。图5-1抢答器工作流程5.2接收器的程序设计（1）工作频率通信信道的收发两端想要信息沟通，必须要两端的设备处于同一个频道，也就是说如果接收器的工作频率为2440MHz时，那么接收端的工作频率也应该为2440MHz，此时可以通过下面带面进行设置:SPIesRWesReG(WRITEesREG+RF_CH,40)（2）数据传输速率和发射功率反馈信号ACK的传输速率和发送信号的速率要保持一致，都是为250kbps其主要的设置代码如下：SPI_RW_ReG(WRITE_REG+RF_SETUP,0x27)//发射速率：250kbps，发射功率：Cdmb收发地址和数据通道接收器工作在EnhancedShockBurs模式下,允许接收地址为数据通道0,通0接收到有效数据后自动应答。具体设置如下：#defineRX_ADR_WIDTH3//发送地址宽度3个字节UnsignedcharconstRX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0X00,0X00,0X01};//接收地址SPI_RW_ReG(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//允许接收地址为数据通道0SPI_Write_buf(WRITE_REG+RX_ADDR_PO,RX_ADDRESS,RXADRWIDTH)//写数据通道0接收地址SPI_RW_ReG（WRITE_REG+EN——AA，0x0x）；//数据通道0自动应答使能SPI_RW_ReG（WRITE_REG）+RX_PW_P0，6);通道0接收数据长度为6个字节SPI_RW_ReG（WRITE_REG+CONFIQ0X0）；//RX_DR中断使能，主接收器，16位CRC5.3串口通信程序设计在本文设计的抢答系统中，包括的设计模块有接收器上传数据和上位机下达控制命令等内容。其中下达控制命令则通过串口OxAA和抢答Ox01以及结束抢答Ox02几个部分构成，其工作方式主要是通过SCON寄存器进行设置：REN:允许/禁止串行接收控制位。由软件置位,REN=0,禁止串行接收；REN=1,允许串行接收。SM2:允许方式2或方式3多机通信控制位。RB8:在方式2或方式3,RB8是接收到的第9位数据;TB8:在方式2或方式3,TB8是要发送的第9位数据。在方式1,若SM2=0,此位为接收到的停止位;方式0不使用该位。RI:串行口接收中断请求标志位。RI=0,接收中;RI=1,接收完。TI:串行口发送中断请求标志位。TI=0,发送中;TI=1,发送完。在接收端的串口设计环节中，定时器T1可以设置为波特率发生器，然后设置工作方式2，而这又被称作自动重装波特率发生器。其中单片机晶振频率为11.0592MHz，如果再PCON寄存器中，设置的波特率位0，此时TH1以及TL1选择的值都为Oxff，那么此时串口工作的波特率就是57600bps。串口初始化子程序如下：{SM0=0;SM1=1;REN=1;//串口工作方式设定：工作方式1；允许串行接受TMOD=0X21;//定时器T1：方式2，8位自动重装波特率发生器PCON=0X00;//SMOD=0THL=0xff;TR1=1;//定时器TL使能}5.4Proteus仿真Proteus仿真软件支持众多51架构的单片机芯片，集编辑、编译和程序仿真于一身，同时还支持PL/M语言、汇编语言和C语言的程序设计。它的界而友好易学，在调试程序、软件仿真方而有很强大的功能。该软件不仅能仿真单片机，而且能仿真常用外围电路，将两者的仿真有机结合，使得在程序调试、系统仿真时，不仅能观察到程序执行时单片机寄存器和存储器等内容变化，而且从工程的角度直观地看到了外围电路工作情况，非常接近工程应用匡。在Proteus的原理图设计窗口中，放置单片机及所需的外围元件，设置各元件参数，连接元器件。通过KeilC51编辑、修改、编译源程序并生成HEX等单片机能识别的文件并将其加入到本实验系统中，KeilC51与Proteus7.0在线联合仿真调试。用ProteusISIS绘制简易五路抢答器的电路原理图;然后用KeilC51编写程序，编译无误后生成HEX文件；在ProteusISIS中将HEX文件“下载”到AT89C51芯片中；最后，点击ProteusISIS窗口下方的“运行”键可以观察到电路仿真结果如图5-2所示。图5-2抢答器Proteus仿真图简易抢答器的仿真过程中，仿真界面友好，操作方便，能实现开始、抢答和结束的操作。第六章用户端人机界面程序设计6.1VisualBasic6.0简介VB6.0是目前使用非常广泛的一种可视化软件系统开发工具，最早是有微软在1998年开发，Visual的含义就是可视化之意，能够让用户快捷的开发一种图形界面的开发恐惧，而Basic也就是指的是一种高级程序余元，也就是Basic编程语言，而VB则是在Basic的基础上，融入了可视化的元素，从而让Basic语言变得更加简单和易于使用。同时VB还采用了基于事件驱动的软件开发机制，所以能够极大的节省程序员开发软件的时间，其具体特点主要有下面几点：第一，引入了结构化思想。VB对Basic改造时，就引入了结构化设计思想，通过在类库中增加众多的数据类型和函数，程序员只需要进行合理调用就能够实现很多功能。第二，对数据库支持效果更佳出色，能够通过多种数据库访问对象来实现对各种数据库的操作，甚至包括对excel的操作。第三，引入了OLE技术，这能够让VB能够很好的对ActiveX控件进行兼容，因此能够对多媒体进行很好的开发。第四，对Win32的API实现很好的兼容，只需要调用win32中的API函数，就能够非常简单的实现用户图形界面和各种媒体的服务。目前VB6.0有多个版本，其中包括了企业版和专业版以及个人学习版等，本文开发的抢答器系统，就是采用了企业版进行开发。6.2“用户端人机界面”功能需求分析抢答器系统中的功能软件需要结合抢答过程进行设计，因此需要对抢答前后和中间这三个阶段进行挂历，具体如下：第一，在抢答之前，相关PPT格式的题目制作，以及相应的抢答题目的设计以及相应的标准答案等。第二，展示系统中的抢答问题，然后对抢答情况进行分析，并对结果通过界面展示，第三，在抢答之后，对选手最终的成绩进行统计分析等。面向应用的软件功能包括了文档导入、题库增减情况显示以及计分和抢答模式、抢答计时等模块构成，具体如图6.1所示。在这个功能模块中，题库的增减情况分析无疑是这个功能的核心模块。图6.1用户端人机界面结构图6.3软件功能模块设计6.3.1“导入文档”在抢答活动之前，首先要将参赛选手以及相关抢答题目和答案及得分等信息录入系统，而这个工作就需要通过导入文档这个模块实现，当用户打开导入文档模块时，软件会弹出相应的界面，然后管理员点击上图中的命令按钮，就会完成导入和导出的功能实现，而这个功能的实现则是于VB封装的FileCopy函数来实现，具体如下：首先执行FileCopy函数，该函数有两个参数，一个是源文件名称，另一个是目标文件名，如果这两个文件名不是在根目录下，还需要增加相应的文件路径，这个功能导入导出的文件主要包括下面几个：第一，key.xls文件，这个文件主要是保存题库中的标准答案，以及相应的得分情况。第二，sample.xls文件，该文件主要保存参赛选手的基本信息以及成绩的模板，在这模板中，含有序号、姓名和ID号等字段，当抢答环节结束之后，相应的成绩就会填写到这个模板中。第三，summary.xls文件，这个文件主要是用于对选手每次抢答的成绩情况和具体的得分汇总。第四，抢答内容文件，主要是保存用户抢答的回答信息内容。6.3.2“抢答题库增减”题库增减模块主要是为了给抢答活动主持人提供快速便捷的题目编辑功能，其界面如下图6.2所示。图6.2抢答题库增减界面该功能模块采用VBA技术，通过VB提供的OLE技术，对PPT文件实现控制，只需要在VB程序设计时，调用PPT对象，就能够完成相应的操作，具体设计流程为：DimAppAsPowerPonint.Application声明PowerPoint应用程序对象DimAppAsPowerPonint.Presentation声明PowerPoint演不文稿对象DimSlideAsPowerPoint,Application创建Power对象在调用相应的PPT对象之后，就能够通过相应的程序实现题目的打开、新建以及保存等编辑操作功能，其一，打开题目的程序实现代码如下：ppTvisible=true设置powerpont对象可见PptPresentations.Open文件路径打开ppt文件其二，题目保存代码的实现如下所示：ppt.Activepresention.SaveAsfilencme_保存路径，保存当前ppt其三，就是涉及到题目插入的编辑代码实现，这部分功能是能够在PPT文档中实现幻灯片的插入等，如果插入位置错误能够报错。其四，就是对题目的删除代码设计，该部分功能能对所选幻灯片进行删除，如果当前打开的幻灯片已经没有进行删除操作时，就会报错等。代入如下：ppt.ActivewindowselectionslideRangeSelete“删除当前幻灯片”6.3.3“计分”1、串口通信设计计分功能模块主要是对参赛选手答题情况的统计计分，此时有无线抢答模块中的判决器系统进行处理，这个判决器有一个串口连接到计算机系统，通过VB实现串口信息传输模式主要通过两种方式，一种是通过VB自带的MSComm控件来实现，另一个就是通过Win32API函数来实现。其中在计分模块中，上位机和接收器之间的串口信息传输采用了VB的MSComm控件来实现，具体如下：第一，对串口进行初始化和自动识别。为了提升软件的自动化功能，调用了控件的自动识别函数。第二，串行收发。当串口被初始化之后，此时上位机就能够通过串口传输控制命令，接收器也能够在获得数据之后，将数据上传给上位机。串行收发核心代码如下：SubTransmit-byte(TByet)FunctionReceive-byte()AsByte定义发送缓存DiminbufferQAsByteDimoutinbufferQAsByteMSCommlInbufferCoun=1outinbufferQAsByteIfMSCommlInBufferCount>0ThenMSComml.Output=outbufferInbuffer=MSCommlInputExitSubExitfurctionEndfunction数据存储设计当上位机获得抢答数据之后，就会经过下面几点处理：首先要将收集到的抢答数据存储到文本文件中。然后当抢答过程结束，此时系统会调用记事本中的数据，并保存到成绩记录表中。成绩记录表采用的文件类型是xls文件。显示统计结果当完成抢答过程之后，或者抢答剩余时间为零时，此时系统会读取成绩记录表文件，并将结果统计到屏幕上显示。6.3.4“抢答模式设置”抢答模式设置模块的功能主要是帮助主持人完成对抢答规则的设置。进入系统前需要经过数据库的验证才能够登录，在此之前参赛选手和系统管理的相关信息会保存在DataBase.mdb的userinfo数据表中，然后VB通过数据库引擎控件Microsoft.Jet成对数据库的链接，其中代码如下：PublicconnAsNewADODB.Connection标记连接对象DimConnection_StringAsStringConnection-String=Provider=Microsofe.Jet.OLEDB.4.0;DataSource=&-App。Path&\DataBase\DataBasemdb通过Microsoft.Jet数据库引擎连接数据库Conn.OpenConnection-String打开数据库如果系统成功登录，那么就会进入到选手成绩管理系统界面。该软件界面采用的设计模式是MDI窗口和下拉菜单相结合。6.3.5.“系统管理”系统管理的功能模块主要是给软件管理员提供用户管理功能，其中包括了用户管理和密码管理以及系统退出这三个子模块。用户管理模块。该模块的窗口可视化界面如下图所示。其中用户信息能够通过DataGrid控件显示。软件管理员能够通过子窗口实现对用户的编辑工作。（2）“密码管理”为了提升系统的安全性，还需要对软件设置账号，只有符合账号和相关密码才能够进入本套抢答系统。为了提升软件的安全性，同时方便用户，在修改密码功能模块中，原密码的显示可以为明码，而设置新密码的文本控件则要设置为暗码显示，这样就能够有效防范密码被其他人偷看泄密的问题。另外如果密码成功修改还需要满足下面两个条件，一个是原密码要和数据库中的原密码要一致，另一个就是新设的两个密码要符合密码设置规则以及两次输入要相同。6.3.6“抢答的用时”抢答用时模块主要是对抢答活动中的时间进行计时，主要包括了正计时和倒计时两种。其中抢答正计时主要是将抢答活动所花费的时间计入到数据库表中。而倒计时则是结合每次抢答活动标准时间减去已经用去的时间，还剩下的时间进行记录，从而方便抢答用户对时间的控制掌握。在计分的环节中，则是将所有成功抢答参赛选手分数计入到数据库，并由管理员对这些计分进行汇总统计。第七章总结与展望7.1总结这次设计既是对我的研究生阶段学习成果的一次检