1、0基于 51 单片机智能竞赛抢答器设计与实现摘要抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。本设计是以八路抢答为基本理念,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。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：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，满时后系统计时自动复
2、位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。关键词：STC89C51 LED 数码管 抢答器 计时ABSTRACTAs a tool, the first answer device has been widely used in all kinds of intelligence and knowledge contests occasions. However, it is not used so frequently due to its production complexity, lacking of reliability and reducing interest.A
3、nd this design is based on the principle of eight-way first answer, with the using of single-chip timer / counter timing and number of the principles in mind, the software and hardware combination, makes the system time correctly, while the digital control to display time correctly. Switch the keybo
4、ard to do with output, speaker prompted occurred. At the same time, the system can be realized: In the competitive answering game, only after the answer that will be valid, if at the beginning of pre-answer that will be invalid; Competitive answer to the question and the end of the question can be s
5、et in 1-99s; it can show whos effective and whose answers invalid, the correct button will prompt after the music; count down to the competitive and finished time, when its full time the system will be automatic reset and the master will also be forced reset ;keys locked in the effective state, whil
6、e the key is invalid illegal.Keywords: STC89C51 LED digital tubes the first answer device Time1.引言在电视和学校中我们能经常看到一些智力抢答的节目，抢答不仅考验选手的反1应速度同时也要求选手选手具备一定的知识面和勇气。传统的抢答是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平。比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，只有靠电子产品的高准确性来保证抢答的公平性。随着电子技术的发展，现在的抢答器功能越来越强，可靠性和准确性也越来越高。对于目前抢答器的功能描述，如涵盖抢答器、抢答限时、选
7、手答题计时及犯规组号抢答器具有抢答自锁，灯光指示、暂停复位、电子音乐报声、自动定时等功能，还有工作模式的切换和时间设定，对于这些，随着科学技术的发展，肯定还要得到进一步的改进。一般都要趋向于智能化。2.系统分析与总体设计2.1 功能需求基本要求：1. 给主持人设置一个开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。2. 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答器按钮，编号立即锁存，并在 LED 数码上显示选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。发挥部分：1. 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如 3
8、0 秒） 。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间 0.5 秒左右。2. 参加选手在设定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。3. 如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示 00。选手如果在主持人按开始键之前违规抢答，系统报警，LED 显示违规选手号码和FF，直到主持人按下停止键。2.2 系统框图本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器。系统的主要功能模块方框图如图 1
9、所示：2STC89C51单片机4 位七段数码管显示声音电路=8 路抢答按键输入复位电路开始、结束按键输入时钟图 1 系统主要功能模块本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。一共有 8 个按键输入和 8 个 LED 灯，分别对应 8 路选手。3.硬件设计3.1 硬件介绍本设计分为硬件设计和软件设计，随着集成电路技术的飞速发展，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。整体原理图如图 2 所示：图 2 图 2 系统原理图33.2 各模块电路图3.2.1 时钟频率电路的设计单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个
10、振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。时钟电路如图 3 所示： 12Y.059pFCGND图 3 外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器。单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，常用 fosc 表示。图中时钟频率为 6MHz，即 fosc=6MHz，则时钟周期为 1/6s。3.2.2 复位电路的设计单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端，只要将该端持续 4 个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图 4 所示：4S1VC0KR5G
11、NDuF3T图 4 复位电路图 4 中由按键 RESET1 以及电解电容 C3、电阻 R15 构成按键及上电复位电路。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。3.2.3 显示电路的设计显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。4 位七段数码管显示电路如图 5 所示：5E1D2P3C4GH6B789F0AUSM图 5 共阳极数码管3.2.4 键盘扫描电路
12、的设计键盘是人与单片机打交道的主要设备。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。在本文设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有 8 个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键。如图 6 所示： N主 持 人 控 制 按 钮停图 6 抢答按键及调整按键在图 6 中 8 个抢答按键分别接入单片机的 P1.0P1.7 端口，单片机通过读取P1.0P1.7 的值来判断当前输入的是 8 个抢答按键中的哪一个。6图 7 开始、结束按键在图 7 中，开始及结束按键接到单片机的 10、11 脚，单片机通过读取 10、11 脚的P3.0、P3.1 的 IO 端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答
13、结束状态。3.2.5 发声电路本文设计如图 8 所示。图中单片机的 21 脚输出具有复合功能，此处用到了单片机18 脚的 IO 端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。 Q59012LSpeakrKRGNDVCP图 8 发声电路 3.2.6 系统复位7复位关中断，设定堆栈上电标志冷启自检全面初始化热启动恢复被破坏的信息部分初始化建立上电标志开始运转图 9 复位系统结构图4.软件设计软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。主流程图如 10 所示：8显示 000开始键加一键减一键回
14、答时间 调整抢答时间去抖动非法抢答处理显示犯规正常抢答 显示抢答号并倒计时Y YY 初始化5.测试与结论5.1 焊接通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。5.2 调试中出现的问题及解决方法（1） 显示电路不稳定问题在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。主要表现在单选手按下抢答键后数
15、码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂9将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。（2） 控制开关无法控制电路在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为 7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。（3）数码管不能正常倒计时在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后发现是由于在焊接时
16、焊线有些地方出现部分短接，于是就将焊线重新理清，数码管也能正常工作了。6.总结与展望总结本文研究与设计的八路多功能抢答器采用了通用的电子元器件，利用AT89C51单片机及外围接口实现抢答系统，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。理论联系实践，体现出大学生动手能力。通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题
17、。把握重点、攻克难关，学到用到、活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处，硬件设计已经完成，在软件设计中有些功能还尚未开发出来。但在以后的工作中，我们会严格要求自己，追求完美。整个设计通过了软件和硬件上的调试、仿真。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题。而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才
18、是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过10程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。因此可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。但是，通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的计算机应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！展望回头再看看该设计，还可以将设计的扩展功能增强：1、可以设计声控装置
19、，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。2、增加记分模块，可以设定初始积分，并记录每次抢答完成后的积分。3、将抢答按键用无线实现，如红外线，使抢答者可以远距离进行抢答，并简化按键模块的线路布置。如果提供相应的器材及时间上的宽限，一定可以完成上述扩展功能，进一步完善作品。参 考 文 献1 程相波,卫安军.基于 MCS-51 单片机的八路抢答器设计方法研究J.北京工业职业技术学院学报,2007,(2).2林凌,李刚,丁茹,李小霞.新型单片机接口器件与技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2005 年.3李增生.对抢答器的改进J.电子制作,2000,(12).4马轲瀛.八路数字抢答器系统J.华商，2007,(23).5高伟.AT89 单片机原理及应用M.北京:国防工业出版社，2008 年.6蔡朝阳.单片机控制实习与专题制作M.北京:北京航空航天大学出版社,2006 年. 7杨凌霄.微型计算机原理及应用M.江苏:中国矿业大学出版社,2004 年.8丁建伟.抢答器电路设计J.兰州工业高等专科学校学报,2008,(04).9 51 单片机学习网. http:/
