基于單片機(jī)控制的智能搶答器研究

鄒顯圣

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116037）

搶答器又稱第一信號鑒別器，廣泛地應(yīng)用于知識競賽和文娛活動等場合[1]，通過搶答器，選手做搶答題時(shí)，搶到題的選手來回答問題。傳統(tǒng)的搶答器普遍使用基本的數(shù)字電路或者接觸器或者PLC作為控制核心部件，有很多諸如可靠性差、體積大、價(jià)格昂貴、操作不方便等缺點(diǎn)。

筆者所研究的是以AT89C51單片機(jī)為主要的控制核心部件，完成8位選手（或者8個(gè)代表隊(duì)）智能型搶答器設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有快速識別選手的按鍵操作信息、記憶并顯示成功搶答選手的編號、屏蔽其他沒有成功搶答選手的按鍵操作等特點(diǎn)。

1 智能搶答器硬件控制電路

智能搶答器的硬件控制電路如圖1所示，包括按鍵搶答輸入電路、選手搶答成功的聲光提示電路、搶答成功選手編號顯示電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等[2]。圖1中搶答器輸入電路由S1～S8 8個(gè)獨(dú)立按鍵與8個(gè)10 kΩ上拉電阻共同組成。當(dāng)沒有搶答鍵被按下時(shí)，P0.0～P0.7的采樣均為高電平，當(dāng)S1～S8中有一個(gè)鍵被按下時(shí)，對應(yīng)的P0.0～P0.7口線就會采樣到低電平信號，AT89C51單片機(jī)將根據(jù)采樣到的低電平信號完成相應(yīng)的后續(xù)處理工作。P0口作為智能搶答器按鍵的采樣輸入口，所以在編程的過程中，要向P0口的每位口線先寫入“1”。圖1中搶答器聲光提示電路由發(fā)光二極管、七段數(shù)碼管及蜂鳴器組成，發(fā)光二極管DS1為選手搶答成功指示燈，當(dāng)P1.0輸出為低電平時(shí)，發(fā)光二極管DS1亮；七段數(shù)碼管DS2為搶答成功選手的編號指示器（共陰型），用以顯示選手編號。當(dāng)AT89C51單片機(jī)通過P2口輸出共陰型字形碼時(shí)，DS2就可以將選手的編號顯示到七段數(shù)碼管上。聲音提示器由蜂鳴器B1和相應(yīng)的放大電路組成，用以提示選手搶答成功信息。當(dāng)P1.7輸出低電平信號時(shí)，聲音提示電路工作，同時(shí)蜂鳴器就會發(fā)出聲音提示信息。圖1中搶答器時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，由石英晶體振蕩器和電容組成，石英晶體的振蕩頻率為6 MHz。圖1中搶答器復(fù)位電路采用按鍵手動方式，RESET為復(fù)位按鍵，當(dāng)AT89C51單片機(jī)的RST引腳采樣到兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就會實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能搶答器控制系統(tǒng)的復(fù)位操作。RESET鍵在完成整個(gè)控制系統(tǒng)復(fù)位操作的同時(shí)還兼做上一輪搶答的結(jié)束功能和新一輪搶答的開始功能[3]。

圖1 搶答器電路原理圖Fig.1 Circuit schematic diagram of rush-answer machine

整個(gè)控制系統(tǒng)的工作原理為：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口對應(yīng)的口線P0.3就由高電平變?yōu)榈碗娖絒4]。當(dāng)CPU檢測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)場觀眾已經(jīng)有選手成功地實(shí)現(xiàn)了搶答操作[5]。與此同時(shí)，CPU立即將成功進(jìn)行搶答操作的選手編號通過P2口進(jìn)行輸出，將選手的編號顯示在由七段數(shù)碼管構(gòu)成的選手編號指示器上。這樣一來無論是參賽選手、現(xiàn)場觀眾，還是主持人都會很清楚地觀察到成功實(shí)現(xiàn)搶答操作的選手的編號，進(jìn)而由該選手進(jìn)行現(xiàn)場答題。

2 匯編語言源程序設(shè)計(jì)及技巧

根據(jù)智能搶答器系統(tǒng)的控制要求，結(jié)合如圖1所示的硬件電路原理圖，繪制出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖2所示[6]。

按照圖2所示的程序流程圖，可以采用C語言和匯編語言兩種方法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作?；贏T89C51單片機(jī)的智能搶答器控制系統(tǒng)不需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及復(fù)雜的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，加之C語言在生成AT89C51單片機(jī)可執(zhí)行目標(biāo)代碼的速度比匯編語言慢，所以本智能搶答器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。筆者在實(shí)踐的過程中，進(jìn)行了匯編語言主程序設(shè)計(jì)。在進(jìn)行主程序設(shè)計(jì)的過程中要解決的核心問題是8個(gè)參賽選手按鍵的 “自鎖”與“互鎖”操作，即：搶答器控制系統(tǒng)要保存好成功實(shí)現(xiàn)搶答操作的選手按鍵信息，與此同時(shí)要屏蔽搶答期間其他選手的按鍵操作，以保證每一輪的搶答操作只有一名選手能夠成功實(shí)現(xiàn)搶答。在使用接觸器、繼電器為核心控制部件的搶答器控制系統(tǒng)中，可以利用接觸器的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)在控制電路中加以實(shí)現(xiàn)。然而，在以單片機(jī)為核心控制部件的搶答器控制系統(tǒng)中，如果使用了接觸器、繼電器，就增加了硬件電路的開銷。為了解決這一矛盾，作者在主程序的設(shè)計(jì)中，采用了軟件的形式，成功地解決了按鍵的“自鎖”與“互鎖”問題。

圖2 程序流程圖Fig.2 Flow chart of program

另外，單片機(jī)在實(shí)際的工作過程中不需要進(jìn)行大量的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，所以在程序設(shè)計(jì)的去抖動環(huán)節(jié)中，采用了軟件延時(shí)的方法，利用延時(shí)程序段的重復(fù)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了10 ms的延時(shí)操作。

匯編語言源程序的主程序清單如下：

MAIN： SETB P1.0 ；//關(guān)閉選手搶答提示燈

SETB P1.7 ；//關(guān)閉選手搶答聲音提示

MOV P2，#00H ；//關(guān)閉哪位具體選手搶答指示器

MOV P0，#0FFH

MOV A，P0

CJNE A，#0FFH，MAIN

LCALL DELAY ；//延時(shí)，去按鍵抖動

CJNE A，#0FFH，MAIN

JNB P0.0，KEY1 ；//查詢具體是哪個(gè)選手的按鍵被按下，下同

JNB P0.1，KEY2

JNB P0.2，KEY3

JNB P0.3，KEY4

JNB P0.4，KEY5

JNB P0.5，KEY6

JNB P0.6，KEY7

JNB P0.7，KEY8

KEY1： CLR P1.0 ；//打開選手搶答提示燈

CLR P1.7 ；//打開選手搶答聲音提示

MOV A，#01H

MOV DPTR，#TAB

MOVC A，@A+DPTR ；//查表操作，獲取1號選

手的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)

MOV P2，A ；//打開1號選手搶答指示器

SJMPWAIT ；//程序進(jìn)入等待狀態(tài)，程序編制的技巧所在

KEY2： CLR P1.0

CLR P1.7

MOV A，#02H

MOV DPTR，#TAB

MOVC A，@A+DPTR

MOV P2，A

SJMPWAIT

KEY3： ┋

KEY4： ┋

KEY6： ┋

KEY7： ┋

KEY8： ┋

WAIT： SJMPWAIT ；//等待過程中，其他選手的按鍵操作無效

延時(shí)程序清單如下：

DELAY： MOV R7，#01H ；//10 ms延時(shí)子程序

DL1：MOV R6，#26H

DL0：MOV R5，#82H

DJNZ R5，$

DJNZ R6，DL0

DJNZR7，DL1

RET

在進(jìn)行匯編語言源程序設(shè)計(jì)過程中，采用一體化設(shè)計(jì)方法，可以有效地節(jié)約系統(tǒng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時(shí)在匯編語言主程序設(shè)計(jì)過程中，巧妙地運(yùn)用了原地踏步語句（WAIT：SJMP WAIT）。正是由于該語句的存在，保證了某位選手在搶答成功之后，讓程序自動進(jìn)入到等待（暫時(shí)的死循環(huán)）狀態(tài)。此時(shí)，整個(gè)以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)不會對任何其他選手的按鍵操作進(jìn)行響應(yīng)，這也是程序設(shè)計(jì)過程中的技巧所在。利用這一特點(diǎn)，成功地解決了多個(gè)選手按鍵操作同時(shí)響應(yīng)的問題，即起到了成功搶答選手按鍵的 “自鎖”與“互鎖”問題。

3 結(jié) 論

上述所研究的以單片機(jī)為核心控制部件的智能搶答器系統(tǒng)，是以實(shí)際電路作為最終成果形式，該電路允許8人同時(shí)參賽。在系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試階段，分別通過了萬能電路板上硬件電路和WAVE匯編軟件的聯(lián)合調(diào)試。該控制系統(tǒng)可以在復(fù)雜的環(huán)境下長期穩(wěn)定地工作，并且能夠?qū)崟r(shí)地顯示和保存每個(gè)參加競賽選手的搶答信息，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)屏蔽其他選手的搶答操作。本搶答器控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、操作方便等特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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