基于8051 單片機的電子搶答器硬件電路設計研究

周航，陳艷玲，龔浩，陶玉寧，田元，張忠德

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌，443000）

0 引言

本設計完成一個8 路搶答器,同時提供不少于3 名參賽選手的搶答控制和顯示,通過主持人的開始按鍵對搶答進行倒計時5s,數碼管顯示倒計時時間,此時如有選手搶答系統報警并顯示犯規選手編號,主持人按下復位鍵才能重新開始,準備倒計時結束后,進入15s 的搶答倒計時,此期間有選手搶答,數碼管顯示選手編號,系統自動使其他選手按鍵無效,搶答倒計時清零,選手答題完畢,由主持人按下復位鍵復位,實現搶答器控制[1-5]。

1 整體設計原理

（1）設計原理：設計完成一個8 路搶答器，同時提供不少于3 名參賽選手的搶答控制和顯示。

（2）主控芯片介紹：AT89C51 是一款帶4K 字節FLASH 儲存器，亦稱低電壓、高性能的CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。

（3）附有設計空間。AT 硬件電路的設計應考慮到將來修改和擴展的方便性。

（4）為了使電路精簡化，平常所用的幾種普通芯片可以被功能強大的芯片所代替。

（5）程序空間，選用片內程序空間足夠大的單片機，方便單片機讀取，輸出及最后的運行，本設計采用AT89C51 單片機。

（6）RAM 空間：如果軟件數據處理功能得到加強，AT89C51 的RAM 空間和內置RAM 往往不足，如果系統由外部RAM 組成，建議預留更多空間。

（7）I/O 端口：在試用機開發后的現場測試中，通常會顯露出一些被忽視的問題，并且這些問題無法通過簡單的軟件措施來解決。本次設計總體硬件電路原理圖如圖1 所示。

圖1 硬件電路系統原理圖

2 分電路設計

■2.1 時鐘頻率電路的設計

微控制器只能在時鐘打開時運行。在微型計算機內部有一個時鐘電路，為了確定單片機的運行速度，只需要一個外部振蕩器源就可以產生時鐘信號并將其發送到每個單元單片機。電路如圖2 所示。

圖2 外部振蕩源電路

一般來說，選擇石英晶體振蕩器。此部分電路使用的振蕩器在10ms 的導通延遲后開始振動，振幅為3V 左右的正弦時鐘信號且該信號被放置在XTAL2 引腳上。振蕩頻率主要由晶體振蕩器的頻率決定。該電路有兩個電容器C1 和C2，一個用于振蕩振蕩器，另一個用于調整振蕩器的頻率。電路中微調電容C1、C2 的值均為22PF。

■2.2 復位電路的設計

AT89C51 單片機有一個引腳RST，它作為施密特觸發器的輸入，其輸出位于復位電路的入口處，這個復位信號在高電平有效，其有效時間會持續24 個振蕩脈沖周期。

復位電路分為手動復位和上電復位，它提供了兩種手動復位模式：電平模式和脈沖模式。本設計采用手動復位的電平復位，便于操作，如圖3 所示。

圖3 復位電路

■2.3 顯示電路的設計

在單片機應用系統中，通常需要直觀、交互式地運行系統及其結果，微控制器應用系統中最常用的顯示器是LCD和LED，兩個顯示屏都可以顯示數字、字符和系統狀態。LED 和LCD 數字顯示器是最常見的,這種設計使用了更環保的4 位LED 顯示器，如圖4 所示。

圖4 共陰極數碼管顯示電路

■2.4 發聲電路的設計

聲音的頻譜大約有幾千個赫茲，如果單片機控制“高”或“低”電平的程序，則在口線上會產生特定頻率的方波，并且通過連接揚聲器會產生特定頻率的環路。“高”和“低”電平持續時間由延遲程序控制，音調取決于輸出頻率，進而揚聲器可能會產生不同的音調。

圖5 中的蜂鳴器的一端連接到單片機的17 引腳RD，其輸出具有復雜的功能，并使用單片機RD 引腳的IO 端口功能，單片機提供交流波形輸出，該輸出將揚聲器與內置計時器結合在一起。

圖5 發聲電路

■2.5 搶答按鍵電路的設計

鍵盤是我們在使用單片機時必不可少的設備。通常可以通過相關文獻和書籍中描述的各種方式來使用該硬件電路中的鍵盤放置方式。從系統監視軟件設計的角度來看，鍵盤掃描程序并不完整，鍵盤掃描僅僅完成了當前鍵盤的掃描和狀態讀取。它還有許多問題要解決，除了在操作鍵盤時，人們很容易誤用和控制。在單片機應用中最常見的應用形式分為獨立鍵盤和矩陣鍵盤兩種。

它們各具特色，其中獨立鍵盤的硬軟件切換容易，編程方便簡潔，通常用于對硬件電路要求不高的簡單電路中。矩陣鍵盤與獨立鍵盤差異較大，首先，在硬件電路上，它的程序算法比獨立鍵盤更加復雜，但它具有節省端口資源的優點，適用于多按鍵電路。其次，在按下按鈕的過程中容易出現“毛刺”現象，在此采用延時重復掃描法對其進行消除，該方法的原理是：由于“毛刺”脈沖通常持續時間短暫，約為幾毫秒，而且按下按鈕的時間通常比這個時間更長。因此，如果微控制器在一定時間段（通常為10ms）內檢測到按鈕的運動，它將評估電平是否保持其原始狀態。如果是則該按鈕有效，否則無效。

本設計使用的是單獨鍵盤，主要分為搶答選手響應鍵（8 人按鍵）的輸入電路和主持人按鍵輸入電路（開始鍵和結束鍵）。選手搶答按鍵輸入電路如圖6 所示。

八個響應鍵K1～K8 連接到單片機的P1.0～P1.7，并且微計算機識別P1.0～P1.7 的值，確定是八個搶答鍵中哪一個按鍵輸入。

■2.6 控制按鍵電路的設計

主持人控制（開始、復位鍵）電路如圖7 所示。

圖6 選手搶答按鍵輸入電路

開始鍵和結束鍵分別與微型計算機的10 腳和12 腳連接，此處用到了單片機的10 腳、12 腳RXD 和INT0 的IO端口功能，然后讀取引腳10 和12 的P3.0 和P3.2 的IO 端口值，以查看它們當前是處于搶答響應還是結束狀態。

3 結論

本設計是采用單片機設計的8 路多功能電子搶答器，這個搶答器具有搶答功能和控制回答問題時間等功能。它利用了單片機系統的特點，結構簡單，功能強大，可靠性和功能性強。

圖7 主持人控制電路