單片機(jī)控制的八路搶答器的設(shè)計(jì)與制作

呂紅娟

摘 要： 搶答器是學(xué)校常用的智力競(jìng)賽優(yōu)先判決電路。采用STC89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出具有限時(shí)搶答、限時(shí)答題、報(bào)警顯示等功能的八路搶答器。硬件電路中采用繼電器把按鍵信號(hào)和單片機(jī)信號(hào)隔離，提高電路抗干擾能力。結(jié)合數(shù)據(jù)鎖存及數(shù)碼驅(qū)動(dòng)芯片，提高電路帶負(fù)載能力。利用電路板設(shè)計(jì)軟件Protel，結(jié)合元器件實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)出易于制作的單面印制板圖。最后經(jīng)過(guò)實(shí)際制作、使用驗(yàn)證，印制板設(shè)計(jì)合理、元件插裝方便、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，且能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷搶答者，效果良好。

關(guān)鍵詞： 搶答器； 硬件系統(tǒng)； 軟件系統(tǒng)； 印制板

中圖分類號(hào)： TN910?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0124?03

Design and manufacture of eight?way responder controlled by single chip microcomputer

L? Hong?juan1， 2

（1. College of Communication and Information Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China；

2. Department of Electronic Information ，Xian Railway Vocational & Technological Institute， Xian 710014， China）

Abstract：Responder is a priority decision circuit commonly used in quiz game of schools. An eight?way responder with time limit answer， answer in time and alarm display functions was designed on the basis of STC89C52 microcontroller. A relay is

adopted in the hardware circuit to isolate the key signal and SCM signal， and improve noise immunity of the circuit. The data latches and digital driver chip are combined to improve load capacity of the circuit. According to the actual size of components， the single?sided PCB was designed with software PROTEL. The actual production and verification result show the PCBs design is reasonable， the element insert is convenient， its operation is simple， its cost is low， and the responder can timely and accurately determine who is the first vier.

Keywords： responder； hardware system； software system； PCB

0 引 言

搶答器是學(xué)校、企事業(yè)單位為各種智力競(jìng)賽而設(shè)計(jì)的一種搶答優(yōu)先判決電路。搶答器可采用多種電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如電子器件、單片機(jī)、PLC等，但比較來(lái)說(shuō)，用單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的搶答器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性與準(zhǔn)確性高，是搶答器設(shè)計(jì)的首選方案。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，八路搶答器的需求量最大。本文以STC89C52單片機(jī)為核心器件，設(shè)計(jì)了八路搶答器的電路及單面印制板電路圖，可以制作出具有報(bào)警和限時(shí)搶答功能、三位數(shù)碼管顯示的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)的搶答器。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

八路搶答器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由按鍵輸入模塊、單片機(jī)控制模塊、鎖存及驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼顯示模塊及報(bào)警模塊組成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

（1） 按鍵模塊：該模塊主要由兩部分組成，一部分是主持人及選手按鍵，其中，按鍵采用拍壓式按鍵，能夠烘托出比賽的激烈程度。另一部分是繼電器，采用繼電器是能夠把按鍵信號(hào)和單片機(jī)信號(hào)隔離，可以有效地防止按鍵輸入端的干擾以電藕合的方式進(jìn)入應(yīng)用系統(tǒng)，保證按鍵輸入的準(zhǔn)確。

（2） 單片機(jī)控制模塊：電路采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制元件。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8 KB在系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器[1]。它使用經(jīng)典的MCS?51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。

（3） 鎖存模塊：鎖存器芯片選用74HC573[2]。在單片機(jī)控制電路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)鎖存控制信號(hào)的控制下，單片機(jī)將顯示段碼數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器中，將鎖存器數(shù)據(jù)輸出允許控制端直接接地，則鎖存的數(shù)據(jù)直接輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片接數(shù)碼顯示管。

（4） 驅(qū)動(dòng)及數(shù)碼顯示模塊：驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2003。ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能驅(qū)動(dòng)多種類型的負(fù)載。

（5） 報(bào)警模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器芯片74HC573驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

系統(tǒng)總體電路如圖2所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序首先是完成內(nèi)部各存儲(chǔ)單元的初始化，對(duì)擴(kuò)展接口電路的初始化，內(nèi)部定時(shí)器的初始化[3]，中斷的初始化及調(diào)用顯示程序?qū)Τ跏紶顟B(tài)的顯示以及對(duì)外部信號(hào)的等待處理，等待隨時(shí)對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，然后檢測(cè)主持人是否按下開始搶答按鍵。在主持人還未按下開始搶答按鍵而有選手搶答時(shí)，視為犯規(guī)，此時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并顯示按鍵選手號(hào)碼。當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢存I后，啟動(dòng)搶答倒計(jì)時(shí)，并同時(shí)調(diào)用顯示程序顯示倒計(jì)時(shí)。在允許搶答的時(shí)間內(nèi)，程序不斷檢測(cè)8個(gè)按鍵的輸人情況，當(dāng)有選手搶答，立即把通過(guò)按鍵輸入的信息儲(chǔ)存起來(lái)，判斷搶答按鍵的鍵值并顯示，同時(shí)報(bào)警，表示搶答成功，定時(shí)器停止工作，并不再檢測(cè)輸入信號(hào)。當(dāng)主持人按下開始答題按鍵時(shí)，啟動(dòng)答題定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)顯示答題倒計(jì)時(shí)時(shí)間，答題時(shí)間結(jié)束，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，停止定時(shí)器，等待主持人按下復(fù)位按鍵，開始下一個(gè)題目的搶答。程序流程圖如圖3所示[4?5]。

3 印制板設(shè)計(jì)

印制板的設(shè)計(jì)采用最常用的Protel軟件[6]。為了便于搶答器的實(shí)際制作，印制板的設(shè)計(jì)采用單面板設(shè)計(jì)，尺寸為12 cm×12 cm。在印制板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，各元器件的封裝尺寸都根據(jù)實(shí)際元件尺寸準(zhǔn)確修改，以便于后期元器件的插裝。為了使布線效果達(dá)到最好，采用了便于連接的排線。單面印制板圖如圖4所示。

4 外殼面板設(shè)計(jì)

搶答器的面板主要以布局合理、美觀、簡(jiǎn)潔、便于操作為原則，建議8個(gè)搶答選手的按鍵插頭及單片機(jī)復(fù)位按鈕置于外殼的后面板，如圖5所示。3位數(shù)碼顯示管和設(shè)置按鈕置于外殼的前面板，如圖6所示。其中6個(gè)按鈕分別為搶答時(shí)間設(shè)置鍵、回答時(shí)間設(shè)置鍵、時(shí)間增加鍵、時(shí)間減少鍵、確定鍵、開始鍵。

圖3 程序流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要是針對(duì)應(yīng)用量比較大的八路搶答器，設(shè)計(jì)了其原理電路、印制板及外殼，經(jīng)過(guò)實(shí)際的制作驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷第一搶答者，并通過(guò)聲光效果顯示，同時(shí)具有限時(shí)搶答、限時(shí)答題等功能，具有最實(shí)用的基本智能功能，最簡(jiǎn)單的制作方式及最低的價(jià)格。技術(shù)上主要的創(chuàng)新點(diǎn)為電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，能驅(qū)動(dòng)大的顯示器；設(shè)計(jì)了易于制作的單面印制板圖。

圖4 單面印制板圖

圖5 后面板布局圖

圖6 前面板布局圖

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴佳.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 孫余凱.電子實(shí)用電路集錦[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 臧殿紅.基于AT89S51的八路搶答器的設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011（25）：518?519.

[4] 周立功.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5] 孫軍輝.基于單片機(jī)應(yīng)用的多路無(wú)線搶答器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012（11）：7?8.

[6] 朱曉紅.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

系統(tǒng)總體電路如圖2所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序首先是完成內(nèi)部各存儲(chǔ)單元的初始化，對(duì)擴(kuò)展接口電路的初始化，內(nèi)部定時(shí)器的初始化[3]，中斷的初始化及調(diào)用顯示程序?qū)Τ跏紶顟B(tài)的顯示以及對(duì)外部信號(hào)的等待處理，等待隨時(shí)對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，然后檢測(cè)主持人是否按下開始搶答按鍵。在主持人還未按下開始搶答按鍵而有選手搶答時(shí)，視為犯規(guī)，此時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并顯示按鍵選手號(hào)碼。當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢存I后，啟動(dòng)搶答倒計(jì)時(shí)，并同時(shí)調(diào)用顯示程序顯示倒計(jì)時(shí)。在允許搶答的時(shí)間內(nèi)，程序不斷檢測(cè)8個(gè)按鍵的輸人情況，當(dāng)有選手搶答，立即把通過(guò)按鍵輸入的信息儲(chǔ)存起來(lái)，判斷搶答按鍵的鍵值并顯示，同時(shí)報(bào)警，表示搶答成功，定時(shí)器停止工作，并不再檢測(cè)輸入信號(hào)。當(dāng)主持人按下開始答題按鍵時(shí)，啟動(dòng)答題定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)顯示答題倒計(jì)時(shí)時(shí)間，答題時(shí)間結(jié)束，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，停止定時(shí)器，等待主持人按下復(fù)位按鍵，開始下一個(gè)題目的搶答。程序流程圖如圖3所示[4?5]。

3 印制板設(shè)計(jì)

印制板的設(shè)計(jì)采用最常用的Protel軟件[6]。為了便于搶答器的實(shí)際制作，印制板的設(shè)計(jì)采用單面板設(shè)計(jì)，尺寸為12 cm×12 cm。在印制板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，各元器件的封裝尺寸都根據(jù)實(shí)際元件尺寸準(zhǔn)確修改，以便于后期元器件的插裝。為了使布線效果達(dá)到最好，采用了便于連接的排線。單面印制板圖如圖4所示。

4 外殼面板設(shè)計(jì)

搶答器的面板主要以布局合理、美觀、簡(jiǎn)潔、便于操作為原則，建議8個(gè)搶答選手的按鍵插頭及單片機(jī)復(fù)位按鈕置于外殼的后面板，如圖5所示。3位數(shù)碼顯示管和設(shè)置按鈕置于外殼的前面板，如圖6所示。其中6個(gè)按鈕分別為搶答時(shí)間設(shè)置鍵、回答時(shí)間設(shè)置鍵、時(shí)間增加鍵、時(shí)間減少鍵、確定鍵、開始鍵。

圖3 程序流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要是針對(duì)應(yīng)用量比較大的八路搶答器，設(shè)計(jì)了其原理電路、印制板及外殼，經(jīng)過(guò)實(shí)際的制作驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷第一搶答者，并通過(guò)聲光效果顯示，同時(shí)具有限時(shí)搶答、限時(shí)答題等功能，具有最實(shí)用的基本智能功能，最簡(jiǎn)單的制作方式及最低的價(jià)格。技術(shù)上主要的創(chuàng)新點(diǎn)為電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，能驅(qū)動(dòng)大的顯示器；設(shè)計(jì)了易于制作的單面印制板圖。

圖4 單面印制板圖

圖5 后面板布局圖

圖6 前面板布局圖

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴佳.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 孫余凱.電子實(shí)用電路集錦[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 臧殿紅.基于AT89S51的八路搶答器的設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011（25）：518?519.

[4] 周立功.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5] 孫軍輝.基于單片機(jī)應(yīng)用的多路無(wú)線搶答器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012（11）：7?8.

[6] 朱曉紅.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

系統(tǒng)總體電路如圖2所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序首先是完成內(nèi)部各存儲(chǔ)單元的初始化，對(duì)擴(kuò)展接口電路的初始化，內(nèi)部定時(shí)器的初始化[3]，中斷的初始化及調(diào)用顯示程序?qū)Τ跏紶顟B(tài)的顯示以及對(duì)外部信號(hào)的等待處理，等待隨時(shí)對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，然后檢測(cè)主持人是否按下開始搶答按鍵。在主持人還未按下開始搶答按鍵而有選手搶答時(shí)，視為犯規(guī)，此時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并顯示按鍵選手號(hào)碼。當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢存I后，啟動(dòng)搶答倒計(jì)時(shí)，并同時(shí)調(diào)用顯示程序顯示倒計(jì)時(shí)。在允許搶答的時(shí)間內(nèi)，程序不斷檢測(cè)8個(gè)按鍵的輸人情況，當(dāng)有選手搶答，立即把通過(guò)按鍵輸入的信息儲(chǔ)存起來(lái)，判斷搶答按鍵的鍵值并顯示，同時(shí)報(bào)警，表示搶答成功，定時(shí)器停止工作，并不再檢測(cè)輸入信號(hào)。當(dāng)主持人按下開始答題按鍵時(shí)，啟動(dòng)答題定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)顯示答題倒計(jì)時(shí)時(shí)間，答題時(shí)間結(jié)束，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，停止定時(shí)器，等待主持人按下復(fù)位按鍵，開始下一個(gè)題目的搶答。程序流程圖如圖3所示[4?5]。

3 印制板設(shè)計(jì)

印制板的設(shè)計(jì)采用最常用的Protel軟件[6]。為了便于搶答器的實(shí)際制作，印制板的設(shè)計(jì)采用單面板設(shè)計(jì)，尺寸為12 cm×12 cm。在印制板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，各元器件的封裝尺寸都根據(jù)實(shí)際元件尺寸準(zhǔn)確修改，以便于后期元器件的插裝。為了使布線效果達(dá)到最好，采用了便于連接的排線。單面印制板圖如圖4所示。

4 外殼面板設(shè)計(jì)

搶答器的面板主要以布局合理、美觀、簡(jiǎn)潔、便于操作為原則，建議8個(gè)搶答選手的按鍵插頭及單片機(jī)復(fù)位按鈕置于外殼的后面板，如圖5所示。3位數(shù)碼顯示管和設(shè)置按鈕置于外殼的前面板，如圖6所示。其中6個(gè)按鈕分別為搶答時(shí)間設(shè)置鍵、回答時(shí)間設(shè)置鍵、時(shí)間增加鍵、時(shí)間減少鍵、確定鍵、開始鍵。

圖3 程序流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要是針對(duì)應(yīng)用量比較大的八路搶答器，設(shè)計(jì)了其原理電路、印制板及外殼，經(jīng)過(guò)實(shí)際的制作驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷第一搶答者，并通過(guò)聲光效果顯示，同時(shí)具有限時(shí)搶答、限時(shí)答題等功能，具有最實(shí)用的基本智能功能，最簡(jiǎn)單的制作方式及最低的價(jià)格。技術(shù)上主要的創(chuàng)新點(diǎn)為電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，能驅(qū)動(dòng)大的顯示器；設(shè)計(jì)了易于制作的單面印制板圖。

圖4 單面印制板圖

圖5 后面板布局圖

圖6 前面板布局圖

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴佳.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 孫余凱.電子實(shí)用電路集錦[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 臧殿紅.基于AT89S51的八路搶答器的設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011（25）：518?519.

[4] 周立功.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5] 孫軍輝.基于單片機(jī)應(yīng)用的多路無(wú)線搶答器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012（11）：7?8.

[6] 朱曉紅.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.