基于單片機的多功能搶答器設計

摘要：設計了一種以單片機AT89C51為核心的四路搶答器，從硬件和軟件兩方面詳細介紹了搶答器的設計方法，結合Proteus軟件的仿真結果，根據電路圖焊接實物，軟件仿真及硬件調試結果表明，該搶答器的設計實現了預期的目標。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/203228. htm

關鍵詞：單片機；搶答器；Proteus

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.013

引言

搶答器是各種智力競賽中必不可少的一種硬件設備。實現搶答器的方式有多種多樣，傳統的搶答器普遍采用模擬電路、數字電路或者模數混合電路來設計。這類搶答器所需元器件比較多，隨著功能增多，電路也越復雜，并且成本偏高，故障率高，操作不方便，不便于參數調節及功能的升級換代。本文采用AT89C51為核心，結合鍵盤、數碼管、蜂鳴器等外圍設備，設計了具有搶答、計時、時間調整、蜂鳴器報警等功能的4路搶答器。

總體設計

設計需求

按照設計需求，本系統具有以下幾個主要功能：（1）搶答器可同時供4名選手或四支參賽隊伍使用；（2）搶答或回答時間主持人可自行設置；（3）能夠顯示搶答或答題時間的倒計時；（4）在有人犯規時可以顯示選手號、閃爍顯示以及蜂鳴器報警；（5）答題時間還剩5s時，蜂鳴器報警提示。

搶答器的工作原理

利用單片機控制各個功能模塊實現搶答功能，單片機收集選手的搶答信號，運用寄存器來識別并記錄第一個選手號，傳輸信息給數碼管顯示，同時內部定時器工作，記錄有關時間并產生超時信號，在搶答成功、倒計時結束都伴隨有蜂鳴器警報提醒，從而實現單片機搶答的功能。

硬件設計

在硬件設計方面利用單片機AT89C51控制搶答模塊、顯示模塊、計時及調整模塊、蜂鳴提示模塊和復位模塊，從而實現單片機的搶答。系統硬件設計原理圖如圖2所示。

圖2中U1為單片機AT89C51，K1～K4分別為4路搶答按鈕，分別接到p1.0到p1.3中；開始鍵和結束鍵分別接到單片機的10、11腳，由于單片機的10、11腳既有串行接口RXD、TXD功能又有P3.0、P3.1的IO端口功能，此處按鍵用到單片機10、11腳的IO端口功能。搶答時間調整按鍵和回答時間調整按鍵分別接到單片機的13，14管腳，“加一”按鍵和“減一”按鍵分別接到單片機的15、16管腳。4位七段數碼管段選接P0口，位選接P2口的低3位，蜂鳴器輸出信號端接P3.7口。

顯示模塊

顯示模塊采用常見的4位七段共陽數碼管，利用其動態顯示的方法來實現。數碼管的7個輸入端A～G段分別接到AT89C51的P0.0～P0.6，位選碼COM1、COM3、COM4分別接到單片機P2.0、P2.1、P2.2，由單片機來決定當前該顯示的是哪一位。由于AT89C51單片機的P0口沒有內置上拉電阻，本系統采用外接10kΩ上拉電阻（采用A103排阻），保證P0口沒有數據輸出的時候是處于高電平狀態。

按鍵輸入模塊搶答器的輸入信號采用11個按鍵控制，其中4個為搶答按鍵、4個為倒計時調整按鍵、1個開始按鍵、1個結束按鍵和1個復位按鍵。各按鍵均有一根信號線與單片機電路相連，所有按鍵有一公共端，各按鍵相互獨立互不影響。當有鍵按下時，相應的單片機引腳作出反應，產生有效的輸入信號。

蜂鳴提示模塊

本設計中利用AT89C51的16引腳經驅動器驅動蜂鳴器發聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅動電流，可以采用三極管的電流放大作用驅動蜂鳴器實現發聲提示。

復位模塊

復位模塊由復位鍵、電阻R1以及電解電容C3構成。由于單片機是高電平復位，所以當復位鍵按下時單片機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。

軟件設計

搶答器要求有計時記憶功能，一次時間設置完，復位后不需重新進行時間設定，選手通過鍵盤按鍵進行搶答，再通過單片機將其轉換成能在七段數碼管上顯示的字型碼。搶答完畢，數碼管上顯示搶答選手號碼表示搶答成功并開始倒計時。

根據此設計思路，系統軟件設計流程圖如圖3所示。系統采用Keil軟件參照軟件流程圖編寫匯編語言。以顯示模塊為例，相應程序段如下：

DISPLAY：MOV DPTR，#DAT1；

查表顯示程序，P0.0～P0.6段選，P2.0～P2.2位選；

MOV A，R5

MOVC A，@A+DPTR

MOV P2，#01H

MOV P0，A

ACALL DELAY

MOV DPTR，#DAT2

MOV A，R4

MOVC A，@A+DPTR

MOV P2，#02H

MOV P0，A

ACALL DELAY

基于Proteus的系統仿真

Proteus軟件不僅能仿真單片機的工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。本設計經仿真后，實現了預期的搶答器的功能。

搶答成功模塊

圖4顯示4號選手搶答成功，并且答題時間還剩余52秒，當答題時間還剩5秒內時，會有蜂鳴警報。

非法搶答模塊

圖5顯示的是1號選手在主持人未按下開始鍵下的非法搶答，此時數碼管上不停的閃爍并伴有蜂鳴警報。

時間調整模塊

圖6顯示通過“加一”或“減一”鍵來調整搶答時間和答題時間的時間，此時在數碼管上顯示的為時間設置成58秒。

復位模塊

圖7顯示剛開始工作以及復位后，數碼管上顯示初始狀態“FFF”。本設計采用了硬件復位和軟件復位兩種方式：在只采用系統默認的搶答時間和答題時間時，2種復位都能達到所需求的目的；當已經重新設置過倒計時時間時，需要應用軟件復位，其只是執行命令后跳轉，對片內通用寄存器的內容沒有影響。而硬件復位會使專用寄存器的狀態初始化。

硬件實現

在Proteus仿真實現預定目標的基礎上，將單片機AT89C51、復位電路、蜂鳴器電路、顯示電路、按鍵電路和電源電路進行焊接，制作完成的4路搶答器如圖8所示。

結語

本設計以實際電路作為最終成果形式，實現了預期的搶答、倒計時、報警等各項功能，可適用于一般的競賽場合，具有一定的實用價值。此外，本設計具有較強的擴展性，如自動控制記分器進行記分，并通過串行口與PC機通信，用PC機統計選手得分情況，實現智能化、公平、公正的搶答，減小人為因素的影響。也可將搶答按鍵采用無線設備實現，如紅外線，使搶答選手可以遠距離地進行搶答，簡化按鍵模塊的線路布置。

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