基于單片機的多功能搶答器的設計與實現

鄭辰瑛

【摘? 要】隨著競賽活動的日益豐富，人們對智能搶答器的需求不斷增加。為更深入地研究搶答器并對其功能進行改善，論文采用89C51單片機及外圍接口設計了一個八路搶答器，用按鍵模擬選手搶答，并結合單片機定時器/計數器的功能實現搶答計時。論文介紹了搶答器的總設計方案，并對其工作原理和功能進行了探討。該多功能搶答控制系統能夠實現搶答器參數修改、搶答倒計時、搶答結果顯示、搶答報警指示等功能。

【Abstract】With the continuous enrichment of competition activities， people's demand for smart answering device continues to increase. In order to study the answering device more deeply and improve its function， this paper uses 89C51 single chip microcomputer and peripheral interface to design an eight-way answering device， using buttons to simulate the player's answering， and combining the timer/counter function of the single chip microcomputer to realize the answering timing. This paper introduces the general design scheme of the answering device， and discusses its working principle and function. The multi-function answering control system can realize the functions of answering device parameter modification， answering countdown， answering result display， answering alarm indication and so on.

【關鍵詞】搶答器;多功能;51單片機;功能模塊

【Keywords】answering device; multi-function; 51 single chip microcomputer; functional module

【中圖分類號】TP368.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）11-0191-03

1 引言

搶答器可以提高比賽的質量和效率，并且保障比賽的公平開展。隨著人們對搶答器功能需求的增加，需要對其功能進行完善，使搶答器向集成化、智能化方向發展，即采用一種基于單片機的智能搶答器設計方法，這樣不僅能使設計與生產制造規模化，也能使搶答器功能多元化，從而得到廣泛應用。搶答器是被廣泛用于各種競賽活動的通用工具，但使用搶答器的頻率相對較低，所以長期存放會使搶答器內部電子器件損壞。為避免采購帶來的成本損失，本文設計了基于單片機的多功能搶答器。

2 搶答器系統的總體設計方案

本文簡要介紹了一種多功能數字搶答器顯示電路的基本結構及其基本組成、設計和使用功能，該數字搶答器電路除了應當具有基本的數字搶答顯示功能外，還應當同時具有快速計時和自動報警2種功能。主持人可通過搶答時間的預置自動開關來設置每次搶答的持續時間。隨即系統將自動進入倒計時模式，若在規定的時間內有人進行本次搶答，則計時器將自動停止，自動進入答題模式。若在規定的時間內沒有人進行搶答，則系統的蜂鳴器將會自動發出警報，提示本次搶答失敗，即時間超出本次搶答的規定時間則報警表示本次搶答失敗。

本設計將硬件功能代入現實應用場景，即有八組搶答選手以及一位裁判員。裁判員按下倒計時的清零復位按鍵，使得單片機負責倒計時部分的功能清零復位，隨即倒計時部分程序啟動，通過一個數碼管提示倒計時，提醒參賽者進行搶答。倒計時結束后，搶答部分的程序就會開始執行，選手在倒計時結束前進行搶答才被視為有效。選手搶答瞬間其信息將被鎖存，搶答成功后由蜂鳴器警報提醒，同時，數碼管上會顯示當前搶答成功的小組組號。如果小組在非法時間內按鍵搶答，蜂鳴器也會發出警報。下一輪的開始由裁判員控制，循環往復。

主程序工作流程如圖1所示。

3 51單片機的功能

51單片機是對兼容英特爾8051指令系統的單片機的統稱。51單片機的指令系統、內部結構相對簡單，廣泛應用于家用電器、汽車、工業測控、通信設備。89C51是一種具有4kB閃爍可編程、可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦永久存儲器可擦寫1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲器技術制造，與行業標準MCS-51指令集和輸出引腳兼容。由于多功能8位CPU和閃存結合在一個芯片中，89C51 ATMEL微控制器是一個高效的微控制器，而89C2051是一個簡化版本。單片機為許多嵌入式控制系統提供了靈活且廉價的解決方案。其結構如下：

①8位CPU;②片內振蕩器和時鐘電路;③32根I/O線;④外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K;⑤2個16位的定時器/計數器;⑥5個中斷源，2個中斷優先級;⑦全雙工串行口;⑧布爾處理器。

4 搶答器功能模塊設計及實現

本文中的多功能搶答系統以AT89C51單片機作為控制核心，其基本工作原理為在搶答過程中有多個信號同時或不同時送入主電路時，內部響應者寄存器工作并識別和記錄響應第一個請求的玩家的數量。同時，內部定時器開始運行，記錄相應的時間并產生超時信號。在答錄機、顯示電路、語音電路等整個工作流程中，還要根據現場的實際情況輸出相應的信號給外部電路。其控制系統主要組成包括：復位清零模塊、倒計時模塊、選手搶答鎖存模塊、數碼顯示模塊、搶答結束報警模塊。

4.1 復位清零模塊

復位清零端的主要功能是在人為按下按鍵后，單片機內部鎖存信息清零，與搶答有關程序復位，準備進行下一輪搶答，并使單片機內部倒計時功能相關程序執行，正式開啟下一輪搶答。

實現方法：外部中斷和內部中斷并存。硬件復位端只要保持4個機器周期就可以復位。硬復位后，寄存器和內存值被恢復到原始值。本設計使用機械彈性開關來實現復位清零功能，當機械觸點連接狀態轉換時，由于其彈性作用，在轉換瞬間會產生抖動。為避免該現象，就需要進行按鍵消抖。按鍵的抖動對于人類來說是感覺不到的，但對單片機來說，則是一個很“漫長”的過程，因為單片機處理的速度在“微秒”級，而按鍵抖動的時間至少在“毫秒”級。如果單片機在抖動期間發生誤判，即按鍵按下或斷開將被誤認為是進行了多次操作，從而引起整個程序的錯誤（見圖2）。所以，為確保單片機對一次按鍵動作只作一次響應，就必須考慮如何消除按鍵抖動的影響。

進行按鍵消抖的關鍵即提取一段穩定的電平狀態，濾除電平穩定前后的抖動。當按鍵次數較少時可使用硬件方法對按鍵消抖。硬件消抖的一種典型做法是：使用R-S觸發器進行雙穩態消抖或使用RC積分電路進行濾波消抖。由于復位清零端單獨獨立于選手按鍵端，且為使布線更方便，可以選擇應用RC積分電路進行濾波消抖。根據RC積分電路積分時長估算得出能消除機械抖動的電阻與電容值。圖3為硬件電容消抖初步電路圖，KeyIn1接入單片機9號引腳RESET端，用來實現復位清零功能。

4.2 倒計時模塊

倒計時模塊的主要功能為在復位清零按鍵被按下后自動進入10s倒計時，準確固定搶答開始時間，同時可以進行修改搶答時間。有小組搶到后直接進入30s倒計時，準確固定回答開始時間，同時也可以修改回答時間。同時，本實驗電路的倒計時最后5s，程序會讓蜂鳴器發出響聲作為倒計時將要結束的提示。

實現方法：本電路使用計數器的計時中斷法實現倒計時功能。

為提高系統效率，AT89C51單片機設置了中斷系統。在CPU與外設交換信息時，存在一個快速的CPU與慢速的外設之間的矛盾。為解決這個問題，發展了中斷的概念。CPU在處理特定事務時，如果發生外部或內部緊急情況，CPU必須暫停處理以應對緊急情況。處理完成后，返回原中斷位置，恢復原中斷操作，這個過程被稱為中斷。AT89C51有3個片內定時器/計數器溢出中斷TF0-TF2，/INT0和/INT1外部中斷，1個TI或RI片內串行口中斷。

該系統的晶振頻率為12MHz，每個計時脈沖為1μs，設定中斷每次移除時間50ms，循環20次即1s。晶振主要用于為系統提供基本的時鐘信號。為使整個系統各部分保持時鐘同步，經常在一個系統內使用同一個晶振。晶體有一個很重要的特性即機電效應，如果給它通電，它就會產生機械振蕩，反之，如果給它機械力，它又會產生電。即晶振可以將機械能和電能相互轉化，在單頻共振的狀態下得到穩定振蕩。由于搶答器電路設計較簡單，所以可以選擇較為簡單的無源晶振。無源晶體振蕩器是一種晶體，它本身不能振蕩，并與其他IC的內部振蕩電路一起工作。本電路應用內部晶振，選擇振蕩頻率為12MHz石英晶體。

4.3 選手搶答鎖存模塊

搶答鎖存模塊的主要功能為將選手搶答結果準確及時保存，為小組回答問題提供基礎。5s倒計時結束，開始回復會話后，參與者可以通過按下按鈕進行回復操作。當其中一組成功按下接聽鍵時（例如，第2組按下S2鍵），AT89C51單片機P0口對應的P0.2口線由高變低。當CPU檢測到端口線為低電平時，將P1.0端口線從原來的高電平狀態切換為低電平，DS1發光二極管亮，P1.7端口線也從原來的高電平狀態變化，切換到低電平狀態，蜂鳴器會響起，提醒主持人和觀眾部分玩家已成功完成響應，同時，用數碼管將當前搶答題目的題號、搶答成功小組的組號顯示出來。

實現方法：選手搶答鎖存模塊的重點為8個參賽小組搶答按鍵互相干擾，這些問題可以通過“自鎖”與“互鎖”操作解決，即當一個小組搶答成功后，搶答器控制系統及時將其按鍵信息進行保存，并且在有一組搶答成功后將其他組的按鍵信息屏蔽，從而保證每次的搶答環節只會有一組搶答成功。

搶答器中選手搶答信息輸入電路用S1～S8這8個獨立按鍵和8個上拉電阻組合來模擬選手搶答按鈕。P0.0～P0.7的初始狀態均為高電平，當沒有搶答鍵被按下時，便保持高電平狀態，而當有小組按下其搶答按鍵時，對應的口線就會轉換為低電平狀態。單片機通過對按鍵輸入口的電平采樣判斷選手搶答情況。

4.4 數碼顯示模塊

數碼顯示模塊通常有2種顯示方式，一種是靜態的，一種是動態的。靜態顯示的一個特點是顯示穩定不閃爍，編程簡單，但占用的端口資源較多;動態顯示的特點是顯示穩定性不如靜態，編程難度大，但相比靜態顯示，占用端口資源少。

實現方法：本設計使用BCD編碼在6位共陽7段數碼管上通過查表法動態顯示當前題目號、搶答成功小組號、搶答時間和回答時間等信息。主持人預設搶答時間后，按下STA鍵宣布搶答環節開始，選手即可開始搶答。初始狀態數碼管前2位顯示當前回答題目的題號，中間2位無顯示，最后2位數字顯示回答問題的時間和回答問題的時間。如果玩家在回答倒計時期間按下了回答按鈕，數碼管第3位就會顯示選手編號，后2位數碼管開始顯示回答問題倒計時，本設計中回答時間初始值設為30s。當選手在規定時間內完成作答，然后主持人按下重置按鈕手動重置。如果響應時間結束，沒有人回答，則本輪搶答視為無效，程序將自動復位準備下一輪搶答。

4.5 搶答結束報警模塊

在主持人按下開始按鈕和選手按下搶答器按鍵時，蜂鳴器會發出響聲。除此之外，在搶答倒計時和回答倒計時最后5s，蜂鳴器也會發出警報聲，并且在非規定時間內選手按下搶答按鍵時蜂鳴器也會發出警報聲提示非法搶答?？紤]到諸多因素對本設計進行完善后使搶答器仿真更加直觀逼真。倒計時最后5s發出報警聲，與實際生活中的搶答器更加契合，體現了設計的實用性。

實現方法：通過芯片引腳輸出的高低電平來控制蜂鳴器驅動電路的運行和關閉。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于電子產品中作發聲器件。蜂鳴器的工作電流一般相對較大，所以單片機無法將其直接驅動。最簡單的喇叭驅動方式就是利用達林頓晶體管，或者以2個常用的小晶體管連接成達林頓架勢。蜂鳴器驅動電路中，電阻R為限流電阻，在此利用晶體管的高電流增益，以達到電路快速飽和的目的。如果要由P0輸出到此電路，還需要連接一個10k的上拉電阻。在本電路程序設計中使用放大電路來驅動蜂鳴器，即使用1個NPN三極管來放大電流，從而使蜂鳴器可以正常工作。蜂鳴器驅動電路如圖4所示。

5 搶答器的實現及結果驗證

利用Keil軟件進行程序的檢查調試，調試完成后在仿真器中設置生成hex文件，編譯無錯誤后進行Proteus仿真。所用的元器件有：15個機械按鍵、12MHz石英晶體、5V直流電源、2個22pF電容、1個1uF電解電容、9個10kΩ上拉電阻、共陽4位7段數碼管、蜂鳴器。

本搶答器系統工作流程為：比賽開始，當主持人按下開始按鍵后搶答倒計時模塊開始運行，系統默認的初始搶答時間為10s，而該時間可由主持人根據情況進行調整。在搶答時間內如果有選手搶到該題目，蜂鳴器則會發出警報提醒該組選手進行作答，系統默認答題時間為30s。仿真模擬情景為：當前搶答題目為第13題，數碼管顯示“13”。當第2組在搶答時間內按下按鍵時，數碼顯示器會顯示該組組號“2”，并且顯示所?；卮饐栴}的時間“30”。仿真結果如圖5所示。

6 結語

本設計采用AT89C51單片機實現多功能八位轉發器，采用Proteus仿真軟件實現整個設計過程的仿真。得益于強大的仿真系統，對開發的系統進行實時仿真，以確定系統設計的正確性和合理性。硬件圖是根據仿真原理圖制作的，這種設計具有傳統邏輯設計方法無法比擬的優勢。設計整體性好、人性化強、可靠性高，實現了數顯控制的智能化，該搶答器不僅可以實現倒計時、數顯等基本功能，還可以自定義響應倒計時和倒計時時間，讓選手可以根據不同的游戲場景答題，有效判斷選手非法搶答并給予警告。系統經驗證工作穩定，保證了比賽中搶答的公平性。

【參考文獻】

【1】黃育雁.智力競賽搶答器邏輯電路的設計[J].硅谷，2012（6）：56+33.

【2】段德功，丁瑩亮.單片機原理及應用[M].北京：經濟科學出版社，2010.

【3】牛甲，熊剛.基于單片機的的搶答器設計[J].電腦知識與技術，2018，14（4）：240-241.