基于51單片機的復雜功能八路搶答器的設計

嚴成駿 錢莊 王曉菲 黃維 王定洋 萬美琳

摘要：隨著各類知識競賽的興起，結合51單片機開發的搶答器引起大量研究者的興趣。通過對近年來相關文獻的研究，發現當前市面上所提出的搶答器大多功能簡單，實用價值較低。文章提出了一種基于51單片機的復雜功能八路搶答器，功能包括搶、作答兩部分倒計時，時間均可調、自由對選手進行加減分操作的評價系統，對分數進行鎖存、復位查分顯示所有選手得分情況，并使程序回到初始狀態以重復使用、報警提示電路。電路通過proteus仿真并焊接了實物圖，軟件仿真和硬件調試均驗證了設計的可行性。

關鍵詞：STC89C51單片機；多功能搶答器；定時；報警；proteus仿真；C51語言

中圖分類號：TP368.1? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0102-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

近年來，隨著各類答題競賽的興起，搶答器被廣泛使用。傳統以數字、模擬電路為基礎實現的搶答器方式簡答，但布局布線復雜、可靠性和穩定性較差、成本較高[1]。故結合51單片機進行開發的搶答器引起大量研究者的興趣。通過對近10年來相關文獻的調研，發現市面上所提出的基于51單片機的搶答器，大多停留在簡單功能的實現，難以運用在實際復雜的生活場景。文獻[2-3]分別提出三路、四路搶答系統的設計，僅具有教學實踐意義；文獻[1]提出一種基于51單片機的智能搶答器實現了八路搶答，但不具備計分功能故僅能單次使用；文獻[4]提出的八路搶答器具備搶答、作答兩階段的倒計時功能和相應報警電路，但不能通過硬件直接修改搶、作答時間；文獻[5]設計的搶答器具備對答題者進行評價的計分系統，但不能手動設置選手分數，在出現誤操作時必須重啟電路，且缺少實物驗證。

文章提出一種基于51單片機的復雜功能八路搶答器：具備搶、作答兩階段且時間均可調；增加設置按鈕，可根據選手答題情況進行分數修改并鎖存；具備復位查分功能，能夠隨時回到初始狀態并顯示選手得分；添加報警電路，能夠在答題開始以及作答時間結束時，進行指示燈和蜂鳴器的雙重報警；電路通過proteus仿真并焊接了實物。

1 整體設計要求

本設計的核心控制是51單片機，CPU的型號為STC89C51；可同時支持8名選手參與比賽，對應8個搶答按鍵K1 ～ K8；主持人控制電路按鍵有5個。分別是：開始/暫停鍵、設置鍵、加鍵、減鍵、復位/查分鍵；搶答器具有定時搶答功能，系統默認的搶答時間為30秒（搶答時間可以修改）。當主持人啟動“開始”鍵后，定時器進行倒計時，進入搶答環節。搶答器對搶答選手號碼具有鎖存顯示功能。系統進入搶答環節后，第一個搶答的選手編號將被鎖存顯示。即選手按搶答鍵后，搶答器鎖存選手編號，蜂鳴器發出聲響提示，LED指示燈亮，并在顯示屏上顯示選手編號與答題時間；搶答器具有答題限時功能。選手搶答成功后，進入答題限時環節。此時主持人按開始鍵，進入答題限時環節。系統默認時間是60秒（可通過設置，修改答題時間）；搶答器具有給選手成績加分、減分等操作的功能。參賽選手在規定的時間內進行搶答，在答題限時內進行答題，最后，主持人根據答題情況對選手進行加分或者減分操作；搶答器具有對選手查分的功能。在默認狀態下，按查分鍵，系統進入逐屏顯示每路選手的得分情況；搶答器具有搶答時間、答題時間和加減分分值修改功能。在系統默認狀態下，按設置鍵，再按加鍵或者減鍵，能修改當前狀態下的數據；通過電池盒供電。

2 硬件電路設計

2.1 總體電路

總體電路包括主持人控制電路、選手搶答電路、報警電路、顯示電路、晶振電路、復位電路。采用內部時鐘信號，在時鐘電路中通過外接石英晶振和電容組成并聯諧振回路[6]。為兼顧單片機運行速度和功耗，兩電容值均選取30pF，可獲得約12M的晶振頻率。復位電路采用上電復位方式，已知復位條件為在RST引腳出現滿足復位時間的高電平狀態。通過阻容充電電路，在上電瞬間，RST電位與VCC相同，隨后逐步衰減。衰減時間由RC時間常數決定，只需大于復位時間即可。

2.2 選手搶答電路

采用獨立式鍵盤，即每個按鍵對應一條I/O口[5]。電路由8個搶答按鍵組成，對應連接P1.0-P1.7，分別代表8位搶答選手。當搶答開始后，P1口均處于高電平狀態。此時若有選手按下按鍵，P1對應口將會下拉至地，單片機接收信號后在顯示器上輸出選手編號。鍵盤掃描采用查詢方式，在第一位選手搶答后，其他選手的按鍵將被屏蔽。

2.3 主持人控制電路

由五個獨立按鍵組成，加、減鍵分別連接P3.1、P3.0，開始/暫停鍵連接P3.2，設置鍵連接P3.7，復位/查分鍵連接P3.6。按鍵的觸發方式均為查詢方式，當單片機接收到相應I/O口由電平的變化時，執行相關程序。

2.4 報警電路

報警電路由指示燈報警和蜂鳴器報警兩部分組成[7]，前者通過P3.4輸出低電平，利用LED單向導通即可點亮。后者的蜂鳴器需大電流驅動，采用共射極BJT，當P3.3為低電平時，進入放大狀態，驅動蜂鳴器。

2.5 顯示電路

顯示屏采用LCD1602，RS端（數據/命令選擇）接P2.0，RW端（讀寫選擇）接P2.1，E端（使能）接P2.2，數據口D0-D7接P0端，由于P0口輸出MOS管漏極開路，需外接上拉電阻，此處選擇10k排阻。RS為低時，可對LCD進行初始化設置，如光標是否閃爍、寫入字符后地址指針+1、顯示清零等；RS為高時，即輸入顯示的具體內容。本電路中，RW大多處于低電平狀態，即進行“寫”操作。當按鈕觸發后，單片機內的程序計算出相應二進制代碼，通過P0雙向I/O口將數據傳輸到LCD中，并通過對應其內部的ASCII碼顯示出相應字符。

3 軟件程序設計

3.1 流程圖

整個程序運行的流程如圖2所示，能夠發現程序中涉及數量較多的按鍵操作。傳統通過硬件消抖需額外添加電路，操作復雜且成本提升。本設計進行軟件消抖，在代碼中添加延時函數，當按鍵按下時，產生約15ms延時以消除抖動。

3.2 程序初始化

在單片機上電后，軟件端主要涉及的初始化程序設置為LCD1602、搶答時間定時器T0、作答時間定時器T1。上電后，LCD設置為光標顯示且閃爍，以表示通電成功。在復位顯示選手得分時，進行16×2的顯示（上下兩排），光標不顯示不閃爍，第一行字符輸入完畢后指針清零以進行第二行的輸入。T0、T1中斷函數均選擇工作方式1，即16位定時/計數器。結合外掛晶振的頻率，通過設置相應初值，每次產生1s的時間，定時時間一到，倒計時將會減1，通過循環運行和設置運行次數，可獲得所需要的搶答、作答時間。

4 仿真與實物驗證

電路通過在Visual Studio Code進行C51代碼的編譯與調試，較之傳統Keil的編譯模式，Visual具備更加強大的代碼糾錯和擴展能力，通過添加C51擴展程序生成.hex文件。在proteus 8中繪制出相應原理圖，并進行仿真，電路所有功能均正常運行。購置相應電子元器件后焊接出實物，并將程序燒錄至51單片機中并成功運行，進一步驗證了設計的可行性。圖3為部分仿真結果。

5 結束語

本文所提出的基于51單片機的復雜功能八路搶答器，經過實際電路焊接后的調試，功能均達到預期設計目標，適用于靈活多變的應用場景。除了傳統搶答器具有的限時搶、作答功能，額外增加了報警電路、設置電路（可修改限時時間，選手得分）、復位查分電路（可重復使用，鎖存顯示所有選手得分[8]） 。較之當前市面的大多數搶答器，本設計具有硬件電路簡單、實用價值高、功能完整等特點。

參考文獻：

[1] 王曉侃，蘇全衛.基于AT89C51的智能搶答與表決計時器的設計與實現[J].電子設計工程，2012，20（8）：7-9.

[2] 黃永東.基于51單片機的簡易三路搶答系統設計[J].電腦知識與技術，2020，16（33）：232-233.

[3] 陳娟，顧吳華.基于單片機的四路搶答器的設計[J].電腦知識與技術，2021，17（26）：168-170.

[4] 王法杰.基于單片機八路搶答器的仿真與設計[J].微型電腦應用，2019，35（8）：155-157.

[5] 馬巍.基于51單片機智能搶答器的設計[J].科技視界，2019（5）：67-68.

[6] 周航，陳艷玲，龔浩，等.基于8051單片機的電子搶答器硬件電路設計研究[J].電子制作，2021（7）：85-86.

[7] 趙衛星.基于AT89C51單片機八位搶答器的設計[J].黃河科技學院學報，2019（5）：39-42.

[8] 鄭辰瑛.基于單片機的多功能搶答器的設計與實現[J].中小企業管理與科技，2021（31）：191-193.

【通聯編輯：梁書】