搶答器的設(shè)計(jì)與制作

..搶答器的設(shè)計(jì)與制作[摘要]文章介紹了一種單片機(jī)控制的智能化搶答器,該搶答器可克服普通搶答器存在的缺陷。詳細(xì)介紹了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)AT89C51為核心的四路搶答器,從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了搶答器的設(shè)計(jì)方法,結(jié)合Proteus軟件的仿真結(jié)果,根據(jù)電路圖焊接實(shí)物,軟件仿真及硬件調(diào)試結(jié)果表明,該搶答器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。[關(guān)鍵詞]搶答器；有效搶答；違規(guī)搶答；單片機(jī)AbstractThispaperintroducesamicroprocessorcontrolledintelligentResponder,theResponderRespondercanovercomethecommondefects.Detailsoftheirhardwareandsoftwaredesignmethods.DesignedamicrocontrollerAT89C51asthecoreoffourResponder,bothfromthehardwareandsoftwaredescribedindetailResponderdesignapproach,combinedwiththesimulationresultsProteussoftware,accordingtothecircuitdiagramweldingkind,softwaresimulationandhardwaredebuggingresultsshowthattheResponderisdesignedtoachievethedesiredobjectives.KeywordsResponder;effectiveanswer;violationResponder;SCM目錄搶答器的設(shè)計(jì)與制作1引言2一、搶答器的組成與原理21.1電路組成與原理31.2主體電路的功能31.3控制系統(tǒng)的工作原理4二、總體設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)需求42.2搶答器的工作原理42.3硬件設(shè)計(jì)52.4顯示模塊62.5按鍵輸入模塊62.6蜂鳴提示模塊62.7復(fù)位模塊7三、軟件設(shè)計(jì)73.1違規(guī)搶答信號(hào)的記錄73.2第一有效搶答信號(hào)的識(shí)別及處理83.3多個(gè)第一有效搶答信號(hào)的處理83.4中斷9四、基于Proteus的系統(tǒng)仿真104.1搶答成功模塊104.2非法搶答模塊104.3復(fù)位模塊104.4硬件實(shí)現(xiàn)11五、結(jié)論11參考文獻(xiàn)12引言單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛,如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等"智能型"工業(yè)產(chǎn)品。在知識(shí)競(jìng)賽搶答中,簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)的搶答器,只靠人的能力很難判斷出哪一組先搶答,且故障率高、體積大應(yīng)用不方便。利用單片機(jī)編程設(shè)計(jì)搶答器,能輕松地分辨出搶答的次序,且具有體積小、故障率低的優(yōu)點(diǎn)。一、搶答器的組成與原理搶答器又稱第一信號(hào)鑒別器,應(yīng)用于各種知識(shí)競(jìng)賽、文娛活動(dòng)等場(chǎng)合。普通搶答器存在以下缺陷：1在一次搶答過程中,當(dāng)出現(xiàn)超前違規(guī)搶答時(shí),只能處理違規(guī)搶答信號(hào),而對(duì)沒有違規(guī)的有效搶答信號(hào)不能進(jìn)行處理。因而,使該次搶答過程變?yōu)闊o效。2當(dāng)有多個(gè)違規(guī)搶答時(shí),普通搶答器只能"抓住"其中一個(gè),出現(xiàn)"漏洞"。3當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)有效搶答信號(hào)時(shí),普通搶答器或采用優(yōu)先編碼電路選擇其中一個(gè)；或利用搶答電路電子元件的"競(jìng)爭(zhēng)"選擇其中一個(gè)。對(duì)于后者,由于搶答電路制作完畢后電子元件被固定,各路搶答信號(hào)的"競(jìng)爭(zhēng)"能力也被固定,因而本質(zhì)上也具有優(yōu)先權(quán)。普通搶答器因而存在不公平性。搶答器是各種智力競(jìng)賽中必不可少的一種硬件設(shè)備。實(shí)現(xiàn)搶答器的方式有多種多樣,傳統(tǒng)的搶答器普遍采用模擬電路、數(shù)字電路或者模數(shù)混合電路來設(shè)計(jì)。這類搶答器所需元器件比較多,隨著功能增多,電路也越復(fù)雜,并且成本偏高,故障率高,操作不方便,不便于參數(shù)調(diào)節(jié)及功能的升級(jí)換代。本文介紹一種以單片機(jī)為控制核心的智能型搶答器,它對(duì)采樣獲得的各路搶答信號(hào)進(jìn)行分析,識(shí)別超前違規(guī)信號(hào)、有效搶答信號(hào),并對(duì)它們進(jìn)行處理。使每一次搶答過程都有效。利用存儲(chǔ)器記憶多個(gè)違規(guī)信號(hào),克服"漏洞"現(xiàn)象。當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)搶答信號(hào)時(shí),利用程序軟件,隨機(jī)選擇其中一個(gè),十分公平。具有倒計(jì)時(shí)、驗(yàn)鍵、違規(guī)顯示等功能。本文采用AT89C51為核心,結(jié)合鍵盤、數(shù)碼管、蜂鳴器等外圍設(shè)備,設(shè)計(jì)了具有搶答、計(jì)時(shí)、時(shí)間調(diào)整、蜂鳴器報(bào)警等功能的4路搶答器。1.1電路組成與原理硬件電路原理圖見圖1。采用AT89C51單片機(jī)作為控制核心。AN0～AN7為8個(gè)搶答鍵,P0.0～P0.7為8路搶答信號(hào)輸入端,當(dāng)有搶答鍵按下時(shí),對(duì)應(yīng)的輸入端為低電平"0",反之為高電平"1"。AN8為搶答啟動(dòng)鍵,在搶答開始時(shí),按動(dòng)一下AN8鍵,向單片機(jī)申請(qǐng)一次INT0中斷,單片機(jī)在中斷服務(wù)程序中對(duì)搶答信號(hào)進(jìn)行采樣和識(shí)別處理。采用二位LED共陰數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描方式對(duì)搶答鍵號(hào)、違規(guī)搶答鍵號(hào)、倒計(jì)時(shí)時(shí)間等信息進(jìn)行顯示。倒計(jì)時(shí)時(shí)間由選擇開關(guān)K2進(jìn)行選擇,本設(shè)計(jì)共有4個(gè)時(shí)間檔供選擇<15秒、30秒、60秒、90秒>。AN10為違規(guī)顯示鍵,按動(dòng)AN10鍵,可對(duì)一次搶答過程中出現(xiàn)的所有超前違規(guī)搶答的鍵號(hào)進(jìn)行顯示。K1為驗(yàn)鍵功能選擇開關(guān),當(dāng)需要驗(yàn)鍵時(shí),將K1閉合,可檢驗(yàn)各搶答鍵能否正常工作,驗(yàn)鍵完畢,將K1打開。LED1為違規(guī)指示燈,當(dāng)一次搶答過程存在違規(guī)搶答信號(hào)時(shí),LED1發(fā)光指示。1.2主體電路的功能一是分辨出選手按鍵的先后,并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào),同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S置于清除端時(shí),RS觸發(fā)器的端均為0,4個(gè)觸發(fā)器輸出置0,使74LS148的＝0,使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時(shí),搶答器處于等待工作狀態(tài),當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)〔如按下S5,74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后,1Q=1,=1,74LS48處于工作狀態(tài),4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為5。此外,1Q＝1,使74LS148＝1,處于禁止?fàn)顟B(tài),封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí),74LS148的此時(shí)由于仍為1Q＝1,所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài),確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào),保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將Ｓ開關(guān)重新置"清除"然后再進(jìn)行下一輪搶答?？深A(yù)置時(shí)間的定時(shí)電路;由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度,設(shè)定一次搶答的時(shí)間,通過預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置,計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。可預(yù)置時(shí)間的電路選用十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.3控制系統(tǒng)的工作原理當(dāng)主持人按下RESET鍵時(shí),智能搶答器系統(tǒng)立即完成復(fù)位操作,此時(shí)搶答器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)〔等待選手按鍵；當(dāng)主持人宣布搶答開始時(shí),參賽選手開始進(jìn)行搶答按鍵操作,當(dāng)其中的某一個(gè)選手成功按下?lián)尨疰I時(shí)〔例如S4按鍵被按下,AT89C51單片機(jī)P0口對(duì)應(yīng)的口線P0.3就由高電平變?yōu)榈碗娖健．?dāng)CPU檢測(cè)到該口線為低電平時(shí),將P1.0口線由原來的高電平狀態(tài)切換為低電平狀態(tài),發(fā)光二極管DS1亮,同時(shí)P1.7口線也由原來的高電平狀態(tài)切換為低電平狀態(tài),蜂鳴器B1發(fā)出響聲,提示主持人和現(xiàn)場(chǎng)觀眾已經(jīng)有選手成功地實(shí)現(xiàn)了搶答操作。與此同時(shí),CPU立即將成功進(jìn)行搶答操作的選手編號(hào)通過P2口進(jìn)行輸出,將選手的編號(hào)顯示在由七段數(shù)碼管構(gòu)成的選手編號(hào)指示器上。這樣一來無論是參賽選手、現(xiàn)場(chǎng)觀眾,還是主持人都會(huì)很清楚地觀察到成功實(shí)現(xiàn)搶答操作的選手的編號(hào),進(jìn)而由該選手進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答題。二、總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)需求按照設(shè)計(jì)需求,本系統(tǒng)具有以下幾個(gè)主要功能：〔1搶答器可同時(shí)供4名選手或四支參賽隊(duì)伍使用；〔2搶答或回答時(shí)間主持人可自行設(shè)置；〔3能夠顯示搶答或答題時(shí)間的倒計(jì)時(shí)；〔4在有人犯規(guī)時(shí)可以顯示選手號(hào)、閃爍顯示以及蜂鳴器報(bào)警；〔5答題時(shí)間還剩5s時(shí),蜂鳴器報(bào)警提示。2.2搶答器的工作原理利用單片機(jī)控制各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)搶答功能,單片機(jī)收集選手的搶答信號(hào),運(yùn)用寄存器來識(shí)別并記錄第一個(gè)選手號(hào),傳輸信息給數(shù)碼管顯示,同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器工作,記錄有關(guān)時(shí)間并產(chǎn)生超時(shí)信號(hào),在搶答成功、倒計(jì)時(shí)結(jié)束都伴隨有蜂鳴器警報(bào)提醒,從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)搶答的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)需求,結(jié)合單片機(jī)的作原理,設(shè)計(jì)搶答器的工作流程圖如下圖所示。2.3硬件設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)方面利用單片機(jī)AT89C51控制搶答模塊、顯示模塊、計(jì)時(shí)及調(diào)整模塊、蜂鳴提示模塊和復(fù)位模塊,從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的搶答。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示。上圖中U1為單片機(jī)AT89C51,K1～K4分別為4路搶答按鈕,分別接到p1.0到p1.3中；開始鍵和結(jié)束鍵分別接到單片機(jī)的10、11腳,由于單片機(jī)的10、11腳既有串行接口RXD、TXD功能又有P3.0、P3.1的IO端口功能,此處按鍵用到單片機(jī)10、11腳的IO端口功能。搶答時(shí)間調(diào)整按鍵和回答時(shí)間調(diào)整按鍵分別接到單片機(jī)的13,14管腳,"加一"按鍵和"減一"按鍵分別接到單片機(jī)的15、16管腳。4位七段數(shù)碼管段選接P0口,位選接P2口的低3位,蜂鳴器輸出信號(hào)端接P3.7口。2.4顯示模塊顯示模塊采用常見的4位七段共陽數(shù)碼管,利用其動(dòng)態(tài)顯示的方法來實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管的7個(gè)輸入端A～G段分別接到AT89C51的P0.0～P0.6,位選碼COM1、COM3、COM4分別接到單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2,由單片機(jī)來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。由于AT89C51單片機(jī)的P0口沒有內(nèi)置上拉電阻,本系統(tǒng)采用外接10kΩ上拉電阻〔采用A103排阻,保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出的時(shí)候是處于高電平狀態(tài)。2.5按鍵輸入模塊搶答器的輸入信號(hào)采用11個(gè)按鍵控制,其中4個(gè)為搶答按鍵、4個(gè)為倒計(jì)時(shí)調(diào)整按鍵、1個(gè)開始按鍵、1個(gè)結(jié)束按鍵和1個(gè)復(fù)位按鍵。各按鍵均有一根信號(hào)線與單片機(jī)電路相連,所有按鍵有一公共端,各按鍵相互獨(dú)立互不影響。當(dāng)有鍵按下時(shí),相應(yīng)的單片機(jī)引腳做出反應(yīng),產(chǎn)生有效的輸入信號(hào)。2.6蜂鳴提示模塊本設(shè)計(jì)中利用AT89C51的16引腳經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流,可以采用三極管的電流放大作用驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)發(fā)聲提示。2.7復(fù)位模塊復(fù)位模塊由復(fù)位鍵、電阻R1以及電解電容C3構(gòu)成。由于單片機(jī)是高電平復(fù)位,所以當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)單片機(jī)9腳RESET管腳處于高電平,此時(shí)單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài),當(dāng)上電后,由于電容的緩慢充電,單片機(jī)的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化,經(jīng)過一段時(shí)間后,單片機(jī)的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài),此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位完畢,系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行。本設(shè)計(jì)中使用了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩個(gè)功能。硬件復(fù)位后各個(gè)狀態(tài)、寄存器以及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值。調(diào)整搶答和回答倒計(jì)時(shí)時(shí)間,需要記憶功能,故采用軟復(fù)位,當(dāng)程序執(zhí)行完畢后,跳轉(zhuǎn)指令將程序跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。三、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由主程序和INT0中斷服務(wù)程序組成。主程序由驗(yàn)鍵、違規(guī)顯示、倒計(jì)時(shí)等功能子程序組成。系統(tǒng)完成初始化后,循環(huán)檢查各個(gè)功能,當(dāng)用戶使用某個(gè)功能時(shí),按下相應(yīng)的按鈕〔或開關(guān),單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的功能處理。INT0中斷服務(wù)程序完成搶答信號(hào)采樣和識(shí)別處理。主程序框圖見下圖。3.1違規(guī)搶答信號(hào)的記錄搶答開始按動(dòng)AN8鍵,單片機(jī)進(jìn)入INT0中斷服務(wù)程序。先采樣P0口,并將采樣值送入工作寄存器R0,使LED顯示"HH"字形,提示搶答開始。顯然,R0中寄存了搶答開始前最后一瞬間各路搶答輸入信號(hào)。若無違規(guī)搶答,R0值為FFH；若有違規(guī)搶答,R0值不為FFH,R0中為0的位對(duì)應(yīng)的搶答鍵屬違規(guī)。若R0=10111110B,表示AN0和AN6二路搶答鍵違規(guī)；出現(xiàn)R0=00H時(shí),表示八路搶答全部違規(guī),LED顯示"UU",并發(fā)出音響,延時(shí)5秒后返回主程序,需重新?lián)尨?。所謂"有效搶答信號(hào)"是指從LED顯示"HH"字形提示搶答開始之后的搶答信號(hào)。在搶答提示之前的搶答信號(hào)屬于"違規(guī)信號(hào)",最先到達(dá)的有效搶答信號(hào)稱為"第一有效搶答信號(hào)"。3.2第一有效搶答信號(hào)的識(shí)別及處理搶答提示之后,單片機(jī)再采樣P0口,用于檢測(cè)搶答信號(hào)。將采樣值送入工作寄存器R1,若R1值為FFH表示還無人搶答,繼續(xù)采樣P0口；若R1值不為FFH,表示有人按下?lián)尨疰I。但還應(yīng)判斷是否由違規(guī)搶答所導(dǎo)致,這只需將R1值與R0值進(jìn)行比較,若R1與R0值相同,表示是由違規(guī)搶答所導(dǎo)致,則繼續(xù)采樣P0口；若R1與R0值不相同,則表示存在有效搶答,不再采樣P0口。此時(shí),R1中含有第一有效搶答信號(hào)。為了提取R1中第一有效搶答信號(hào),拋棄其中的違規(guī)搶答信號(hào),可進(jìn)行如下處理：將R0與R1相"異或"再與R0相"與"。并將運(yùn)算結(jié)果送工作寄存器R2,即<R0⊕R1>·R0→R2經(jīng)上述邏輯運(yùn)算可知：若搶答鍵ANi<i=0,1,2,…,7>產(chǎn)生第一有效搶答信號(hào),則R2中第i位為1<R2.i=1>。若R2值為0表示無有效搶答信號(hào)。表1為搶答過程中可能出現(xiàn)的4種搶答信號(hào)處理過程。<R2=<R0⊕R1>·R0,i=0,1,2,…,7>3.3多個(gè)第一有效搶答信號(hào)的處理在搶答過程中,往往會(huì)出現(xiàn)多個(gè)搶答鍵同時(shí)按下,或者時(shí)間差非常短,單片機(jī)無法識(shí)別它們之間的時(shí)間差。此時(shí),R2中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)為1的位。即出現(xiàn)多個(gè)第一有效搶答信號(hào)。但每次搶答過程只能輸出顯示一個(gè)第一有效搶答信號(hào)。公正處理這個(gè)問題的方法是隨機(jī)地挑選其中一個(gè)。本設(shè)計(jì)采用一種隨機(jī)定位查找方法：將R2中各位的查找順序排成一個(gè)環(huán),如圖4所示。然后找出一個(gè)隨機(jī)數(shù)x,從第x位開始按上述查找順序環(huán)規(guī)定的查找順序查找R2中為1的位,第一個(gè)被找到值為1的位,其對(duì)應(yīng)的搶答信號(hào)作為被選擇的第一有效搶答信號(hào)。本設(shè)計(jì)搶答鍵的數(shù)目為8個(gè),隨機(jī)數(shù)x可選擇為0～7。例如,假設(shè)x=3,R2=01010001B,即出現(xiàn)三個(gè)第一有效搶答信號(hào)<對(duì)應(yīng)AN6、AN4、AN0三個(gè)鍵>,根據(jù)上述方法,則從D3位開始查找,第一個(gè)被找到為1的位是D4,因而搶答鍵AN4被選中。搶答器要求有計(jì)時(shí)記憶功能,一次時(shí)間設(shè)置完,復(fù)位后不需重新進(jìn)行時(shí)間設(shè)定,選手通過鍵盤按鍵進(jìn)行搶答,再通過單片機(jī)將其轉(zhuǎn)換成能在七段數(shù)碼管上顯示的字型碼。搶答完畢,數(shù)碼管上顯示搶答選手號(hào)碼表示搶答成功并開始倒計(jì)時(shí)。根據(jù)此設(shè)計(jì)思路,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。系統(tǒng)采用Keil軟件參照軟件流程圖編寫匯編語言。以顯示模塊為例,相應(yīng)程序段如下：DISPLAY:MOVDPTR,#DAT1；查表顯示程序,P0.0～P0.6段選,P2.0～P2.2位選；MOVA,R5MOVCA,A+DPTRMOVP2,#01HMOVP0,AACALLDELAYMOVDPTR,#DAT2MOVA,R4MOVCA,A+DPTRMOVP2,#02HMOVP0,AACALLDELAYMOVA,R3MOVCA,A+DPTRMOVP2,#04HMOVP0,AACALLDELAYRETDAT1:DB00H,06H,5bH,4fH,66H,6dH,7dH,07H,7fH,6fH,00H,71H;DAT2:DB3fH,06H,5bH,4fH,66H,6dH,7dH,07H,7fH,6fH,00H,71H71H;3.4中斷中斷是指由于某種隨機(jī)事件的發(fā)生,計(jì)算機(jī)暫停現(xiàn)行程序的運(yùn)行,轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個(gè)程序,以處理發(fā)生的事件,處理完畢后又自動(dòng)返回原來的程序繼續(xù)運(yùn)行。有5種中斷源：外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器中斷0、定時(shí)器中斷1、串行中斷。對(duì)它們的描述見表。<2>中斷允許控制寄存器IE：對(duì)中斷源的開放或屏蔽是由中斷寄存器IE控制的,地址為0A8H,既可以按字節(jié)尋址,也可以按位尋址。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí),IE被清零。<3>串行控制寄存器SCON：定時(shí)/計(jì)數(shù)器的控制方法,在啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作之前,CPU必須將一些命令<稱為控制字>寫入定時(shí)/計(jì)數(shù)器中,這個(gè)過程稱為定時(shí)/計(jì)數(shù)的初始化。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化通過定時(shí)/計(jì)數(shù)器的方式,由寄存器TMOD和控制寄存器TCON來完成。①定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式寄存器TMOD②中斷程序的編寫步驟：根據(jù)要求設(shè)置IE<中斷允許寄存器>的對(duì)應(yīng)位EA<EA—總中斷允許位：EA=1,開放所有的中斷；EA=0,禁止所有的中斷>,某個(gè)中斷源還有相應(yīng)的中斷允許位。<4>INT0,INT1設(shè)定觸發(fā)方式IT0<外部中斷觸發(fā)方式控制位>當(dāng)其為0時(shí)：低電平觸發(fā)；當(dāng)其為1時(shí)：下降沿觸發(fā)。<5>返回值是Void中斷函數(shù)名<interrupt>。四、基于Proteus的系統(tǒng)仿真Proteus軟件不僅能仿真單片機(jī)的工作情況,還能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其他電路的工作情況。本設(shè)計(jì)經(jīng)仿真后,實(shí)現(xiàn)了