多路無線語音搶答器設計與實現

王露曼 鄭小海 宋曙光 高景煜

摘要：隨著各種比賽的增多，搶答器的應用和需求越來越多，它所起到的作用備受關注。尤其在智力活動中，“搶答”是一種十分普遍的、緊張有趣且具有教育意義的游戲。文章重點對基于52系列單片機構成的無線搶答器的整體設計、電路模塊及功能進行了詳述，設計的搶答器除了具備基本的搶答功能外，還具有無線傳輸、定時報警、液晶屏顯示以及語音提示的功能。

關鍵詞：單片機；定時搶答；語音電路；無線發射和接收

中圖分類號：TP317 ?文獻標志碼：A

0 引言

隨著競爭的加劇，選拔人才的比賽越來越多，在這種情況下，參賽者往往會被分成幾個小組。當主持人提問時，各小組通過舉手來獲得搶答的機會，但這種方式并不準確，容易使主持人作出錯誤的判斷，從而導致結果不公正。所以，很多人都在尋找一種不受個人主觀意志影響的儀器來控制比賽。隨著單片機的問世，人類進入了智能化時代，許多復雜的線路都可以通過單片機來簡化，從而達到更好的效果。將單片機和串行通信結合，用于各種電子設備設計，是一種必然趨勢。多路無線語音搶答器是基于以單片機為核心控制的搶答系統，利用串行通信實現對數據的動態傳輸，使得搶答系統功能更加完善。

1 搶答器系統總體方案設計

本系統以52系列微處理器為控制核心，芯片內包含4 K flash ROM、128 RAM和15條 I/O端口。本系統具有運算控制、信號識別和顯示等功能，通過程序判斷參賽者按鍵是否有效。當參賽者違規搶答時，程序會啟動蜂鳴器報警，提醒主持人該操作違規，搶答無效。給定相應延時后，選手按正常的操作搶答并進入答題倒計時，利用數碼管顯示倒計時，在最后5 s時提醒選手，搶答時間即將截止，請及時作答［1］。該系統主要設計過程為編碼、發射、接收、解碼、控制、顯示及提示。其控制核心模塊是STC89C52。當用戶按下搶答按鍵后，編碼電路會進行編碼，編碼完成后，編碼被傳送到發射電路，發射電路發出信號，再由接收電路將信號接收后，經解碼電路還原，傳送到單片機內部，讓其判定最先按鍵者并送入顯示電路，顯示序號，觸發提示音電路工作，表明有鍵按下，系統設計方案如圖1所示。

2 模塊化設計選擇

2.1 無線模塊

本設計采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01+在ISM頻帶2.4～2.524 GHz工作。該模塊具有頻率合成、功率放大、晶體振蕩、調制解調等功能。nRF24L01+功耗很低，在-6 dBm的功率下發射時，工作電流也只需9 mA。本模塊采用軟件設置地址，在接到局部地址后，可以直接與多種單片機相連，軟件編程十分方便。

2.2 微控制器模塊

本系統采用STC89C52單片機進行系統控制。因為系統對于控制功能的需求較少，所以使用52單片機足以滿足本設計的要求。以單片機最小系統為基礎，增加接收、無線、顯示和語音提示模塊，可以很好地實現對系統的控制。

2.3 顯示及語言提示模塊

本設計采用1602液晶顯示器進行搶答組數和倒計時信息的顯示，采用WT588D語音芯片進行播報。此方案節省了單片機接口，使得外圍電路的復雜程度大大降低，在一定程度上簡化了系統程序。

3 硬件功能設計及實現

3.1 單片機最小系統

以單片機最小系統為核心，附加相應的工作電路，使其按照編程設計的需要進行工作，這樣就構成了單片機的應用電路。最小單片機系統是一種較為基礎的電路，可以使微處理器工作［2］。

3.2 無線電路

在無線傳輸方式中，采用在片內堆棧區先入先出的方式，以較低的速度從單片機內輸入，以較快的速度發射出去，可以最有效地提高效率。采用低轉速的微處理器，便于獲得較高的數據傳輸速率。當發送接收數據時，字頭和 CRC檢查代碼又會被自動添加。模塊可以使用軟體設定地址，只有在收到本機地址時，資料（提供中斷指令）才會輸出數據，并可直接與各種單片機連接使用，設計非常簡便。無線收發模塊如圖2所示。

3.3 語音芯片

WT588D插入的靜音時間范圍穩定，不占用空間，且通過計算機軟件，可以任意組合各種聲音。如果插上消音設備，不需要占用內存就可以反復調用，并且支持加載3種音頻格式，而其他的芯片沒有這樣的功能［3］。語音模塊如圖3所示。

3.4 液晶顯示

顯示模塊選用1 602字符型液晶模塊，此模塊易于驅動，經編碼傳送到顯示屏上的內容更多樣化。其顯示容量為16×2個字符，在4.5～5.5 V的電壓范圍內工作，只需要使用16個引腳（有背光）接口，通過P0口與液晶數據端口相連接，P2.0-P2.2與液晶的RS，RW，E控制引腳相連，LCD1602液晶顯示電路如圖4所示。

4 軟件模塊化設計及功能測試

4.1 模塊化設計

4.1.1 按鍵掃描電路

此設計采用獨立式按鍵結構，是一種直接由輸入/輸出接口線構成的單個按鍵電路，它具有配置靈活、軟件結構簡單等特點。獨立按鍵常采用查詢式結構，首先逐位查詢I/O口線的輸入狀態，若輸入為低電平，則可確認該端口線所對應的按鍵已按下。按鍵掃描流程如圖5所示。

4.1.2 液晶顯示功能

此設計采用LCD1602液晶顯示，用戶在向LCD寫入漢字時，必須初始化LCD，設置起始行。執行該命令后，設定的行將顯示在屏幕首行。通常，在使用LCD屏幕時，用戶需根據其時序設置執行相應的命令操作，在往顯示屏寫入相應數據時，需要保持RS為高電平狀態，RW為低電平狀態，并且E端為下降沿狀態。用戶從顯示屏讀取數據時，需要將上述3個功能引腳均設置為高電平狀態。如果要讀取顯示屏的狀態，RS端口則需要變為低電平狀態，其他2個功能引腳繼續保持高電平狀態。用戶在對顯示屏進行相應指令碼操作時，需要將RS和RW引腳狀態改為低電平狀態，E端口設為下降沿狀態。顯示程序流程如圖6所示。

4.1.3 蜂鳴器報警模塊

當達到系統設定的時間時，報警電路開始工作，蜂鳴器響，從而起到提示報警的作用。在本次設計當中，如果主持人沒有下達開始搶答指令，選手就按下按鍵，則視為違規搶答，屏幕顯示“FF”和違規選手的編號，此時蜂鳴器會報警提示。

4.2 程序功能測試

首先，用戶將模塊初始化，開始判斷主持人是否按下開始搶答按鍵。若主持人未按下按鍵就有人提前按下搶答鍵，蜂鳴器會發出警告；若主持人按下開始搶答鍵后，有人搶答，此時需判斷該選手是否超出回答時間，若超出回答時間，也會引起蜂鳴器報警。

其次，若在主持人按下搶答按鍵后無人搶答且超過搶答時間，會引發蜂鳴器報警。

最后，結束流程進行程序復位操作［4］。筆者通過構思，設計出一套程序測試流程，具體如圖7所示。

5 結語

本設計重點研究了無線語音搶答器系統，利用無線發射接收技術，使搶答器脫離了傳統連線的束縛。設計采用以單片機為核心的主控和外接外圍電路的方式，利用單片機的自身優勢設計了貼近實際使用需求的智能搶答器。本設計以STC89C52為主控，包含單片機最小系統、按鍵模塊、報警電路、語音電路等一系列結構，這些元件共同構成了基于單片機的多路無線語言搶答器。

關于軟件部分，使用 Keil軟件，參考程序流程，編制了匯編語言。該方案以實際線路為最終結果，可實現預定的搶答、倒計時等功能，適合在普通比賽中使用。

參考文獻

［1］楊曉輝，張彤，姜俊海.智能搶答器的設計與制作［J］.長春大學學報，2000（6）：24-25.

［2］李劍心.多路無線遙控接收系統［J］.科技信息，2008（7）：234-236.

［3］林龍森.基于nRF905的八路無線搶答系統［J］.黎明職業大學學報，2010（3）：34-36.

［4］臧殿紅.基于AT89S51的八路搶答器的設計［J］.科技信息，2011（25）：98-110.

（編輯 王永超）

Design and implementation of a multi-channel wireless voice answering device

Wang? Luman1， Zheng? Xiaohai1，2*， Song? Shuguang1， Gao? Jingyu1

（1.Xijing University， Xi’an 710123， China; 2.Shaanxi Engineering Research Center of Controllable Neutron Source， Xi’an 710123， China）

Abstract：? With the increasing number of various competitions and competitions， the application and demand for answering questions devices are increasing， and the role it plays has attracted people’s attention. Especially in intellectual activities， “quiz” is a very common， tense， interesting， and educational game. This paper details the overall design， circuit module and function of the wireless buzzer based on 52 series singlechip. The designed answering machine not only has basic answering functions， but also has functions such as wireless transmission， timed alarm， liquid crystal screen display， and voice prompt.

Key words： microcontroller; timed answering; voice circuit; wireless transmission and reception