基于Arduino+單片機(jī)的智能搶答器研究設(shè)計

李錦良 左思明 張福鼎

【摘要】通過研究分析目前的搶答器存在不足，根據(jù)現(xiàn)在開源硬件平臺的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種基于Arduino開源硬件平臺作為主控核心模塊，采用單片機(jī)作為分布式子系統(tǒng)控制模塊的靈活組網(wǎng)智能搶答器，并進(jìn)行了仿真實踐設(shè)計與硬件系統(tǒng)模塊試制。

【關(guān)鍵詞】Arduino; 單片機(jī); 搶答器

【作者簡介】李錦良：江蘇揚(yáng)州人，江蘇第二師范學(xué)院電子信息工程專業(yè)。 *通信作者：張福鼎，江蘇徐州人，講師，博士，研究方向：光子學(xué)，光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與安全，高性能計算機(jī)互連，云計算。

【基金項目】江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（項目號201814436173XJ、201814436159XJ、201914436026Y、201914436081XJ）;江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目資助（項目號16KJB510007）。

中圖分類號：TN92 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1673-0348（2020）014-037-03

Abstract： By studying and analyzing the shortcomings of the current responder， according to the current development status of the open source hardware platform， this paper puts forward a flexible networking intelligent responder based on Arduino open source hardware platform as the main control core module， using single chip microcomputer as the distributed subsystem control module， and carries out simulation practice design and hardware system module trial production.

Keywords： Arduino;Single chip microcomputer; Responder

1. 引言

搶答器主要可以分為電子搶答器和電腦搶答器。目前，電子搶答器是以模電、數(shù)電或者兩者相結(jié)合設(shè)計的產(chǎn)品，但是成本偏高，故障率高，信息顯示方式單一，甚至有時都沒有相應(yīng)顯示功能部件，因此會出現(xiàn)無法針對提前搶答按鍵等行為進(jìn)行判定，在電路升級更新方面有所欠缺等情況。電子搶答器當(dāng)通過搭配不同配件時，又可以再分為非語音非記分搶答器和語音記分搶答器，非語音記分搶答器構(gòu)造實現(xiàn)最簡單，僅通過搶答器主控機(jī)和搶答按鈕組成，但是并沒有配備顯示屏。語音記分搶答器則是通過搶答主機(jī)、顯示屏、選手記分顯示屏所組成。

相比于電子搶答器，目前電腦搶答器又可主要分為兩類：無線電腦搶答器和有線電腦搶答器。其中，無線電腦搶答器是由電腦主機(jī)、搶答軟件及無線搶答按鈕所組成，通過連接電腦、屏幕投影儀則可以實現(xiàn)現(xiàn)場互動，一般多使用于大型活動現(xiàn)場。有線電腦搶答器則是通過有線方式將、電腦主機(jī)、投影儀與搶答按鈕相連接，同樣使用配套搶答軟件來實現(xiàn)現(xiàn)場搶答。

目前的普通搶答器還有如下不足之處，在搶答過程中出現(xiàn)搶答時，僅面向違規(guī)信號進(jìn)行處理，而有效信號并沒有納入處理范圍，所以導(dǎo)致整體搶答過程無效。除之此外，如果出現(xiàn)多個搶答情況，只能針對其中一個進(jìn)行處理，因此其它已經(jīng)犯規(guī)的搶答并沒有得到處理;在這種情況下，多路搶答信號的優(yōu)先權(quán)由于硬件固化而受到限制，所以也會產(chǎn)生相應(yīng)的公平性問題。

單片機(jī)隨著計算機(jī)及IC集成技術(shù)的迅速發(fā)展得到了茁壯成長，其靈活性、易用性大為增長，相關(guān)應(yīng)用開發(fā)也更為深入系統(tǒng)，涌現(xiàn)出各種新品。Arduino開發(fā)板因其易用性與擴(kuò)展性得到了普遍應(yīng)用。本論文將以Arduino與單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來實現(xiàn)多路搶答器系統(tǒng)，搭建按鍵、數(shù)碼顯示、指示燈等模塊，主要可以將多路搶答信號進(jìn)行分路拆解，進(jìn)行識別超前搶答的違規(guī)信號、并區(qū)分有效搶答信號進(jìn)行處理，可以達(dá)到每次搶答過程有效識別。通過軟件算法實現(xiàn)在多個搶答信號中選出有效信號。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、可靠性好、實用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2. 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示，由Arduino開發(fā)板作為系統(tǒng)主要控制核心，以單片機(jī)為子系統(tǒng)次控制模塊核心，通過這種方式可以組建成分布式搶答系統(tǒng)，可滿足不同場景的靈活組網(wǎng)要求。在子系統(tǒng)中與單片機(jī)控制模塊相連接的主要有按鍵輸入模塊、顯示輸出模塊及蜂鳴提示模塊。其次，Arduino主控模塊與各分布式子系統(tǒng)相連接，Arduino與分析處理模塊、歷史記錄模塊進(jìn)行連接，并與單片機(jī)進(jìn)行交互通信，進(jìn)行信息交換處理操作。下面先將通過使用Proteus進(jìn)行仿真實踐，基于單片機(jī)控制設(shè)計實現(xiàn)一個搶答器。

2.1 系統(tǒng)仿真元器件功能原理介紹

如圖2所示，在仿真模型中我們采用AT89C51單片機(jī)，一種帶4K字節(jié)0FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。7seg-mpx8-ca是共陽極數(shù)碼管顯示器，它左下側(cè)的abcdefg dp是LED數(shù)碼管顯示器的I/O口，是段選信號，右下側(cè)的12345678是它的位選信號，就是從左到右分別是第一位到第八位，段選信號與位選信號分別接到單片機(jī)的不同輸出。與之相對應(yīng)的PCB設(shè)計圖如圖3所示。

2.2 控制算法設(shè)計

系統(tǒng)控制算法設(shè)計如圖4所示，啟動系統(tǒng)時首先開始初始化電源及配置模塊，再進(jìn)行變量及定時器初始化，初始化完畢后就可以進(jìn)行正常搶答操作。通過開始按鍵啟動正式搶答，當(dāng)選手開始按鍵時，通過顯示屏展示選手號碼，并在回答完成后，進(jìn)行復(fù)位操作;在暫停狀態(tài)時，若出現(xiàn)選手搶答，則將違規(guī)信息亦展示在顯示屏上。在每輪正常搶答結(jié)束后，或者中途出現(xiàn)違規(guī)行為時，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息上傳到主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析處理。

3. 硬件設(shè)計

如圖5所示，我們在萬用板上搭建相應(yīng)的搶答系統(tǒng)，采用AT89C51單片機(jī)作為主控模塊，周圍配置了相應(yīng)的搶答按鈕、系統(tǒng)復(fù)位按鈕、系統(tǒng)供電及配置模塊，通過數(shù)碼管及蜂鳴器進(jìn)行信息提示。

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