基于單片機WIFI搶答器的設計

王麗云++肖景嶸++宣澤潤++馮靖鸞

摘 要：以AT89S52單片機為核心，結合WIFI模塊，設計了一款WIFI搶答器。采用WIFI局域網網絡技術作為無線通信，通過客戶端手機APP連接局域網進行搶答；以Android系統為基礎，采用APP Inventor作為開發工具，設計了手機APP控制的搶答軟件。以WIFI網絡傳輸技術代替傳統有線技術的新型搶答器，具有成本低、體積小以及使用簡單等特點。

關鍵詞：無線搶答器；WIFI模塊；手機APP；Android

1 概述

目前在各類知識競賽中，搶答器是一種廣受歡迎的設備。按搶答按鍵與主機顯示器連接方式分類，現有的搶答器可分為有線和無線兩種。有線搶答器是早期出現的產品，存在著布線繁瑣、成本高、體積大等缺點[1]。目前大多數搶答器設備的搶答按鍵與主機是通過短距離無線通信完成的，無線模塊通常采用NRF905等2.4G無線模塊[2]；該無線傳送方案由于需要開發無線按鍵設備，因為也同樣有著設備成本高等缺點[3]。隨著智能硬件的發展，本設計提出了采用WIFI網絡作為通信，以手機APP作為搶答終端的新型搶答器方案，有效地解決了傳統搶答器中存在的問題。

2 總體方案設計

本設計總體方案框圖如圖1所示，分為手機APP軟件模塊（上位機模塊）和以AT89S52單片機為核心的主機顯示器模塊（下位機模塊）兩個部分。手機APP安裝在搶答選手的手機上，選手通過手機APP上的搶答按鈕進行搶答，搶答信號通過手機WIFI網絡傳送到下位機模塊的WIFI串口模塊進行接收，數據過單片機處理后顯示搶答成功的選手編號。

3 下位機硬件電路設計

下位機硬件電路原理圖如圖2所示。

3.1 穩壓電源模塊

下位機電路原理圖中，單片機系統采用電源為5V直流電壓供電，WIFI串口模塊電源為3.3V直流電壓供電，大尺寸數碼管第一段為5個發光二極管串聯，因此采用電源為12V直流電壓供電。穩壓電源模塊電路采用變壓器將AC220V轉換為AD12V，整流濾波后經過穩壓芯片LM7812和LM7805穩壓得到12V和5V直流電壓。WIFI模塊串口工作時需要100MA以上的電源，因此采用LM2596-3.3DCDC模塊，將整流濾波后的電壓直流轉換為3.3V電壓輸出，以提高轉換效率。

3.2 WIFI串口模塊介紹

WIFI串口模塊采用型號為ESP-01S模塊，該模塊核心處理器為ESP8266。ESP8266為32位微型超低功耗MCU，支持時鐘頻率為80MHz和160MHz，其主要參數有：

（1）無線參數：無線標準802.11b/g/n和頻率范圍2.4GHz-2.5GHz

（2400M-2483.5M）

（2）硬件參數：數據接 UART/HSPI/I2C/I2S/Ir Remote Control/GPIO/PWM；工作電壓3.0-3.6V（建議3.3V）；工作電流平均值： 80mA、外部接口N/A。

（3）軟件參數：無線網絡模式station/softAP/SoftAP+station，軟件開發支持客戶自定義服務器和提供SDK給客戶二次開發，網絡協議IPv4，TCP/UDP/HTTP/FTP，用戶配置AT+指令集，云端服務器，Android/iOS APP。

3.3 單片機最小系統

下位機以AT89S52單片機為核心，AT89S52單片機最小系統電路包括按鍵復位電路，晶振電路模塊。單片機通過串行口與WIFI串口模塊進行通信。單片機的P0口輸出數碼管段選數據，因此再接上拉電阻。單片機的P1口接4個獨立按鍵，用來實現擴展功能。

3.4 大尺寸數碼管顯示器

顯示器采用兩位數碼管顯示，由于成品顯示器尺寸較小，遠距離觀看不清，因此文章采用高亮發光二極管（LED）串聯的方式，按數碼管電路原理設計了大尺寸的數碼管，使得距離顯示器50米外也能看清顯示數字。數碼管的每一段采用6個LED以兩并三串的電路結構組成，3個LED串聯的導通電壓為6V左右，本設計采用12V電源供電，因為采用在驅動電路中增加限流電阻。

顯示器模塊由ULN2003A驅動芯片進行驅動顯示，該芯片為高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，具有7個獨立的反相驅動器，每個驅動器的輸出灌電流可達500mA，導通時輸出電壓約1V，截止時輸出電壓可達50V。如圖2所示，大尺寸數碼管采用共陽極接法，單片機P0口輸出段選數據，經ULN2003驅動輸出，低電平有效，J1接數碼管的段選A-H。單片機P2口輸出數碼管位選數據，經ULN2003驅動和三極管8550輸出，本設計采用了4位數碼管，J2接數碼管的位選端。

4 手機APP軟件設計

4.1 APP開發工具介紹

AppInventor全稱Google App Inventor，是一款專門開發基于Android操作系統的APP應用軟件的設計工具，由谷歌公司最先設計推出，并于2012年交由麻省理工學院行動學習中心進行完善設計并推出[4]。AppInventor開發工具開發過程簡

單，不需要學習JAVA等編程語言，主要采用搭積木式設計方式，對不是計算機專業的開發者來說入門簡單[5]。

4.2 APP軟件功能

APP軟件分為主持人控制APP和選手搶答APP軟件。主持人控制APP軟件有開始搶答按鈕、復位按鈕，用于控制下位機主機開始搶答和結束本輪搶答功能。同時主持人控制APP軟件能設置后臺搶答時間和選手回答問題的時間，默認狀態搶答時間為8秒，無人搶答說明全部選手棄權，回答問題時間為20秒。可以通過加、減鍵修改搶答和回答問題的時間，修改完成后按結束鍵，新設置的時間立即生效。主持人按開始鍵后，下位機倒計時5秒后選物才能開始搶答，選手搶答成功，數碼管顯示屏顯示搶答成功的選手編號。當下位機倒計時5秒未完成而選手搶先按下搶答鍵視為犯規，數碼管顯示犯規選手編號，并通過聲光警示。

5 結束語

本文介紹了一種新型的WIFI搶答器設計方案。自制的大尺寸數碼管進行顯示，并采用了APP Inventor安卓系統軟件開發工具設計了選物搶答APP軟件和主持人控制APP軟件；通過對手機軟件的開發對下位機進行控制和顯示。該搶答器具有成本低，功能擴展方便等優點，為智能硬件發展提供了新的方案。

參考文獻

[1]祁健.一種無線智能搶答器的研究和設計[J].無線互聯科技，2012，

12：79.

[2]薛頂柱，張洪陽.一種新型無線智能搶答器的研究和設計[J].長春師范學院學報，2010，10：38-42.

[3]徐學君，阮承治.基于51單片機的無線搶答器設計[J].電子世界，2014，14：30-31.

[4]郭守超，周慶國，鄧常梅，等.基于App Inventor的移動學習探究[J].現代教育技術，2014，09：121-125.

[5]孫秀婷，高迎霞，丘文輝.基于App Inventor的智能手表設計[J].內蒙古師范大學學報（自然科學漢文版），2016，01：39-42.