基于單片機的16路智能競賽搶答器的設(shè)計

姚偉　劉彥彥

摘 要：以pic單片機為核心設(shè)計了一種16路智能競賽搶答器，該搶答器主要由主持人清零按鈕、計分電路、搶答組號指示電路、液晶顯示模塊和報警電路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)搶答時間可調(diào)、手動加減計分、報警指示、搶答組號LED燈指示等功能，同時將搶答組號、倒計時時間、選手得分輸出在液晶顯示屏上。相比于其他搶答器，該搶答器操作簡單、智能化程度高、可靠性強、成本低，對于競賽搶答器行業(yè)具有廣泛的實用性。

關(guān)鍵詞：單片機 智能 搶答器 可靠性強 實用

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0138-04

Abstract：The paper designs for sixteen-roadintelligentcompetition rush-answer systemtook the PIC microcontroller as the core.The rush-answer system for quiz mainly consists of host reset button， scoring circuit， vies to answer first group number indicating circuit， liquid crystal display module and alarm circuit， it can achieve that answer first time is adjustable， manually add and subtract points， alarm indicator， vies to answer first set of LED lights and other functions.At the same time，vies to answer first group number， the countdown time and players scoring will be outputted on the LCD screen.The responder operation is simple， high intelligent degree， high reliability， low cost.It has extensive practicability for competition responder industry.

Key Words：Single chip microcomputer；Intelligent；The responder；Reliability；Practical

隨著小規(guī)模的知識競賽越來越多，用戶對搶答裝置的要求越來越高，操作簡單、靈敏可靠、經(jīng)濟實用的小型搶答器將成為許多用戶的最佳選擇。近年來，搶答器有向集成化、智能化方向發(fā)展的趨勢，這就必然提高了搶答器的成本[1-4]。目前市場上較多的搶答器是采用小規(guī)模集成電路設(shè)計或是以51單片機為核心開發(fā)的[5-7]，其精度低、抗干擾性差，存在諸多問題，僅能對搶答器的計分加、計分減、搶答組別、倒計時、報警狀態(tài)的一兩個環(huán)節(jié)進行檢測，且搶答時容易受外界信號干擾，而層次性通信結(jié)構(gòu)、硬件技術(shù)上層次結(jié)構(gòu)、用戶管理層次結(jié)構(gòu)均決定了市場現(xiàn)有搶答器功能的局限性[8-13]。因此，需要將現(xiàn)有的搶答裝置進行升級改造，克服現(xiàn)今存在的問題和不足，從而提高搶答器的實用性和智能化程度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

一種基于PIC單片機的16路智能競賽搶答裝置，包括主持人清零按鈕、搶答按鍵、控制模塊、計時加減選擇開關(guān)、計分模塊、顯示模塊和報警電路組成[14]。主持人清零按鈕、搶答電路、計時加減選擇開關(guān)、計分模塊、顯示模塊、組號指示模塊和報警電路分別與控制模塊連接；控制模塊是由PIC單片機和外圍時鐘電路組成；計分模塊包括秒脈沖信號發(fā)生電路和計分加減選擇開關(guān)；顯示模塊由液晶屏和背光調(diào)節(jié)電阻組成，可實現(xiàn)組號顯示、計時顯示、計分顯示等功能；報警電路是由蜂鳴器、LED指示燈和切斷按鈕組成[15]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）搶答按鍵模塊：該模塊是由選手按鍵和上拉電阻組成，其中按鍵采用拍壓式按鍵，能夠體現(xiàn)搶答選手搶答時的激烈程度，電阻選用10 K的色環(huán)電阻，以提高按鍵的靈敏性[7]。用PIC單片機的RC口作為16路搶答矩陣按鍵的輸入口，當(dāng)有一個按鍵按下時，則會有一個電平變化信號從RC口流入，經(jīng)過單片機分析后將搶答組號送顯示模塊顯示，同時點亮組號指示模塊對應(yīng)位置的LED燈，表示該編號選手搶答成功。

（2）計分模塊：計分模塊是由秒脈沖信號發(fā)生電路和選擇開關(guān)構(gòu)成，接入PIC單片機的RA1口和RA2口，通過編程來處理單片機RA1口和RA2口接收到的脈沖信號。當(dāng)選擇開關(guān)SW1置于1時表示搶答正確進行加分，置于2時等待計分，置于3時表示搶答錯誤進行扣分。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）報警電路：當(dāng)預(yù)先設(shè)定的倒計時結(jié)束時仍無人答題則單片機會觸發(fā)報警電路發(fā)出聲光報警提醒，可以通過按鍵來關(guān)斷或打開報警。

（4）顯示模塊：用LCD1602來顯示搶答到計時間、搶答組號、搶答選手得分。

（5）組號指示模塊：組號指示模塊由兩個3～8譯碼器構(gòu)成的4～16譯碼器和16個LED燈組成，接入單片機的RB0～RB2口。16個LED燈分別代表16位搶答選手，當(dāng)有人按下?lián)尨鸢存I時，對應(yīng)組號前的LED會被點亮，表示該編號選手可以優(yōu)先搶答。

（6）控制模塊：控制模塊采用PIC16F877A作為該系統(tǒng)控制的CPU，其運算功能強、具有較強的抗干擾能力、軟件編程靈活，是工業(yè)級控制芯片，并且由于其功耗低、體積小、成本低等優(yōu)點使其成為該設(shè)計的優(yōu)選控制芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序首先是完成單片機內(nèi)部各存儲單元的初始化、I/O口的初始化、中斷的初始化、內(nèi)部定時器的初始化，等待隨時能夠響應(yīng)外部傳來的信號。當(dāng)主持人按下?lián)尨痖_始按鈕時，單片機會調(diào)用倒計時子程序?qū)㈩A(yù)先設(shè)定的搶答倒計時送LCD顯示，同時在允許搶答的時間內(nèi)程序不斷掃描搶答按鍵接入的I/O口，若有人搶答，單片機會立即把按鍵信息儲存起來，并判斷按鍵的鍵值，然后把搶答組號送LCD顯示，同時驅(qū)動報警電路發(fā)出一聲鳴笛，則表示搶答成功，倒計時停止，I/O口的掃描停止；若倒計時結(jié)束，無人搶答，則停止定時器、停止I/O口的掃描，同時驅(qū)動報警電路發(fā)出聲光報警直到主持人按下切斷按鈕，并等待主持人按下清零按鈕開始下一個題目的搶答。其程序流程圖如圖3所示。

4 印制板設(shè)計與系統(tǒng)測試

PCB板的制作采用Proteus軟件制作，為了好布線和降低板材損耗，該印制板的設(shè)計采用雙面覆銅板設(shè)計，尺寸為10 cm×14 cm。為了后期更好地進行元器件的插裝，各元器件的封裝尺寸都是依據(jù)實際元器件的尺寸進行的精確制作。雙面印制PCB板圖如圖4所示。

按照原理圖和PCB板圖進行系統(tǒng)的插件和焊接制作，制得成品之后選取16位同學(xué)進行模擬搶答測試，并將不同情況下的測試結(jié)果記錄于表1中。

從表1測試結(jié)果記錄可以看出：若將搶答時間設(shè)置為15 s，則選手必須在倒計時15～0 s之間答題才算有效，超時或預(yù)搶，系統(tǒng)都會發(fā)出聲光報警提示，表示搶答無效。當(dāng)有一個選手優(yōu)先拍下按鍵搶答時，其他選手按鍵無效，并且該選手對應(yīng)位置的LED燈會被點亮。

經(jīng)過多輪測試，該系統(tǒng)能夠滿足搶答設(shè)計的基本要求，完全可以實現(xiàn)搶答倒計時可調(diào)，搶答得分可以手動調(diào)節(jié)加分或減分，搶答選手編號LED燈指示，LCD同時顯示搶答選手編號、倒計時時間、選手得分，預(yù)搶和搶答超時報警等多種功能，達到了設(shè)計要求[12]。存在的不足之處：（1）由于實驗條件的限制，電路板的制作未能采用貼片式工藝；（2）選手拍下按鍵時發(fā)出“嘀”的一聲效果不太理想。

5 結(jié)語

文章基于PIC單片機設(shè)計了16路智能競賽搶答器，該搶答器能夠支持搶答到計時間可手動調(diào)節(jié)并帶有計分功能，且支持計分可手動加分或減分調(diào)節(jié)，顯示屏可以同時顯示搶答組號、倒計時間、選手得分。當(dāng)有選手按下?lián)尨鸢存I時，其對應(yīng)位置還會有LED燈亮的指示，并且通過編程能很好地實現(xiàn)搶答按鍵的“自鎖”與“互鎖”功能，具有一定的實用價值，同時對搶答器的無線控制、數(shù)字化、智能化的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

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