競賽搶答器的研究與設計

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摘要：本設計的競賽搶答器核心控制器件是單片機STC89C52為，利用單片機的定時器或計數器定時和計數的原理，將硬件與軟件有機地結合在一起，使得系統能夠正確地進行計時，在同一時間使數碼管能夠正確地顯示時間和選手號碼。本文主要圍繞競賽搶答器的硬件電路和軟件程序的設計思路和具體過程進行探究。

關鍵詞：競賽搶答器；設計；機械設計

前言

隨著時代的發展，各類競賽和選秀節目層出不窮，而參賽者的素質也不斷提高，這不但迫切要求著一個更加公平公正公開的賽制更要求我們推出一個能夠支持公平公開公正的賽制的硬件設備。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。

1.競賽搶答器的硬件與軟件的設計與實現

1.1方案的確定

1.1.1方案一

各部分采用中小規模集成數字電路，用機械開關按鈕作為控制開關，完成搶答輸入信號的觸發。該方案的特點是中小規模集成電路應用技術成熟，性能可靠，能方便地完成選手搶答的基本功能，但是由于系統功能要求較高，所以電路連接集成電路相對較多，而且過于復雜，并且制作過程工序比較煩瑣，使用不太方便。

1.1.2方案二

采用52系列單片機STC89C52作為控制核心，該系統可以完成運算控制、信號識別以及顯示功能的實現。由于使用單片機作為控制核心，其技術比較成熟，應用起來方便、簡單，并且周圍的輔助電路也比較少，便于控制和實現。整個系統具有極其靈活的可編程性，能方便地對系統進行功能的擴展和更改。

經過比較，顯然方案二比方案一簡單的多，不但從性能上優于方案一，而且在使用上及其功能的實現上都較方案一簡潔，并且由于單片機具有優越的高集成電路性，使其工作速度更快、效率更高。另外STC89C52單片機可以采用12MHz的晶振，提高了信號的測量精度，并且使該系統可以通過軟件改進來擴展功能。而方案一采用了中小規模集成電路，由于其復雜的電路性能，可能會使信號的輸入輸出產生延時及不必要的誤差。因此選擇方案二比較適合。

1.2 設計步驟

（1）根據要求，設計出比較合理的方案，選取合適的硬件器件，熟悉各個器件的性能。

（2）編寫程序，根據設計的要求，編制主程序以及各子程序模塊。

（3）通過Keil、Proteus等軟件進行仿真。

（4）仿真成功后開始搭建實物電路，并且進行調試。

（5）進行PCB設計。

（6）實驗總結。

（7）撰寫研究報告。

1.3 電路原理圖的設計

根據設計功能的要求和各器件工作環境的要求，電路設計遵循可行性和可操作性來設計，具體應該包括控制電路，按鍵電路，以及用來顯示裁決結果的顯示電路。除了用數碼管顯示目前的動作情形，同時也需要用聲音提醒或者警告操作人員，因此也在電路設計時加入了報警電路。經過不斷的仿真和比較最終確定的競賽搶答器的電路主要電路硬件包括：單片機最小系統（即控制電路）、按鍵電路、顯示電路、報警電路、時鐘電路、復位電路。

2.制板

2.1 設計原理圖

創建一個新項目；創建一張新的原理圖圖紙；查找元件；在原理圖中放置元件；設置元件屬性；放置電源和接地符號；繪制原理圖。

2.2 定義元件封裝

原理圖設計完成后，元件的封裝有可能被遺漏或有錯誤。對于用戶自己設計的元件或者是某些特殊元件，必須由用戶自己定義或修改元件的封裝。

2.3 設置PCB圖紙

可以設定PCB電路板的結構及尺寸，板層數目，通孔的類型，網格的大小等，既可以用系統提供的PCB設計模板進行設計，也可以手動設計PCB板。

2.4 生成網表和加載網表

網表是電路原理圖和印刷電路板設計的接口，只有將網表引入PCB系統后，才能進行電路板的自動布線。

2.5 布線調試及故障分析系統軟件的設計

設置布線規則后，先自動布線，然后手工調整。在元件很少且布線簡單的情況下，也可以直接進行手動布線。制成的電路板如圖1所示：

圖1：搶答器的PCB電路圖

3.系統軟件的設計

眾多軟件的聯合使用對應用系統的設計起到了很重要的作用，在實物制作之前對設計進行仿真，可以檢驗程序的執行結果是否與設計的功能相同，這樣可以對程序進行改進。在這里用到了Keil C和Proteus，同時在電路制板時用到了Altium Designer Winter 09繪制PCB板。

3.1 主流程

主流程圖如圖2所示

圖2：主流程圖

3.2編譯及仿真軟件軟件

3.2.1 Keil C的使用

Keil C是眾多單片機應用開發軟件中優秀的軟件之一，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時支持匯編和C語言的程序設計，本設計使用它作為C編譯器，使用方法如下：

首先建立一個工程，然后將C程序文件添加到工程下鏈接編譯，接著設置生成并輸出HEX文件，如果程序編譯后有錯誤就進行調試。

3.2.2 proteus7.4的使用

PROTEUS軟件是英國Labcenter electronics公司研發的EDA工具軟件。它是一個集模擬電路、數字電路、模/數混合電路以及多種微控制器系統為一體的系統設計和仿真平臺。是目前同類軟件中最先進、最完整的電子類仿真平臺之一。它真正實現了在計算機上完成從原理圖、電路分析與仿真、單片機代碼調試與仿真、系統測試與功能驗證到PCB板生成的完整的電子產品研發過程。

4.總結語

與普通搶答器相比，本設計有以下幾方面優勢：

（1）具有清零裝置和搶答控制，可由主持人操縱避免有人提前搶答違反規則。

（2）具有定時功能，在規定時間內無人搶答表示所有參賽選手或參賽隊對本題棄權。

參考文獻：

[1]劉真，等.數字邏輯原理與工程設計[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]劉征宇.最新74系列IC特性代換手冊[M].福州：福建科學技術出版社，2002.