基于單片機搶答器的設計研究

張洪濤 王翔宇

【摘要】本研究利用AT89C51單片機及外圍接口實現的搶答系統，利用單片機的定時器/計數器定時和記數的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統能夠正確地進行計時，同時使數碼管能夠正確地顯示時間和選手號碼。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發生提示。系統達到要求：在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間為1-99s設定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統自動復位；按鍵鎖定，在有效狀態下，按鍵無效非法。

【關鍵詞】AT89C51；搶答器；計時

單片機把我們帶入了智能化的電子領域，許多繁瑣的系統若由單片機進行設計，便能收到電路更簡單、功能更齊全的良好效果。若把經典的電子系統當作一個僵死的電子系統，那么智能化的現代電子系統則是一個具有“生命”的電子系統。本項目研究的數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。經過布線、焊接、調試等工作后數字搶答器成形。更具有實用性。

一、本數字搶答器的組成

本搶答器的電路主要有四部分組成：數字搶答電路、時序控制電路、報警電路以及可預置時間的定時電路。其中數字搶答部分有一個74DC373鎖存器和LED數碼管顯示器組成，可以將八位搶答者的按鈕通過LED數碼管顯示器顯示出他們最先搶答者的序號。而時序控制電路的功能是當參賽選手按動搶答器時，使揚聲器發聲，這時搶答電路和定時電路停止工作。而且設定的時間到達后若無人搶答，則報警電路工作。報警電路工作的條件是當設定時間到達后或者有人搶答時，報警電路被輸入一個高電平，這時此電路工作。

二、系統硬件的設計

本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結合，不可分離；從時間上看，硬件設計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術準備充分，硬件設計的大返工是比較少的，軟件設計的任務貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設計任務，隨著集成電路技術的飛速發展，各種功能很強的芯片不斷出現，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設計的工作量在整個項目中的所占的比重逐漸下降。

（一）時鐘頻率電路的設計

單片機必須在時鐘的驅動下才能工作。在單片機內部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產生一定的時鐘信號送到單片機內部的各個單元，決定單片機的工作速度。選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調。C1，C2的典型值為30PF，有選擇的晶振大小決定。

單片機在工作時，由內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數，常用fosc表示。圖中時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12?s。

（二）復位電路的設計

單片機的第9腳RST為硬件復位端，只要將該端持續4個機器周期的高電平即可實現復位，復位后單片機的各狀態都恢復到初始化狀態。電解電容C3、電阻R9構成復位電路。由于單片機是高電平復位，所以單片機的9腳RESET管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態。當上電后，由于電容的緩慢充電，單片機的9腳電壓逐步由高向低轉化，經過一段時間后，單片機的9腳處于穩定的低電平狀態，此時單片機上電復位完畢，系統程序從0000H開始執行。

值得注意的是，在設計當中使用到了軟件復位功能，倒計時時間的記憶功能實現的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位，所以設定了軟復位功能。軟復位實際上就是當程序執行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉指令讓它跳轉到程序執行的起始地址。

（三）發聲電路

我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發出一定頻率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調，使喇叭發出不同的聲音。

單片機的14腳輸出具有復合功能，此處用到了單片機17腳的IO端口功能，單片機通過內部定時器的操作實現交替變換的波形輸出驅動揚聲器發聲。

本章詳細講述了以AT89C51為核心元件的搶答器的硬件電路設計過程，分析了電路。在設計過程中，實現搶答功能的是通過編寫程序的方法集成在AT89C51內部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的時鐘電路，復位電路等，制作出符合設計要求的搶答器。

三、軟件設計

軟件任務分析環節是為軟件設計做一個總體規劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執行軟件，它能完成各種實質性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監控軟件，它是專門用來協調各執行模塊和操作者的關系，在系統軟件中充當組織調度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變萬化。

軟件任務分析時，應將各執行模塊一一列出，并為每一個執行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執行模塊進行定義時，將要牽扯到的數據結構和數據類型問題也一并規劃好。各執行模塊規劃好后，就可以監控程序了。首先根據系統功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監控程序結構。相對來講，執行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監控程序較易出問題。

軟件任務分析的另一個內容是如何安排監控軟件和各執行模塊。整個系統軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調用的子程序，這類程序對實時性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關系，故通常將監控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內容，如定時系統和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統進入睡眠狀態”，以利于系統節電和抗干擾。

四、軟硬件綜合調試

為了更好地完成課程設計這一重要教學環節，我們采用Proteus軟件與Keil軟件整合構建單片機虛擬實驗平臺。首先在PC上利用Proteus軟件自己搭建硬件電路，并利用系統提供的功能完成電路分析、系統調試和輸出顯示的硬件設計部分；同時在Keil軟件中編制程序，進行相應的編譯和仿真，完成系統的軟件設計部分。當系統的設計工作完成后，我們可以在PC上看到最終的運行效果。最后再通過proteus設計PCB，再完成真正硬件的調試。

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