基于51單片機的數(shù)字搶答器研究設(shè)計

段學(xué)濤 郭子洋 劉鑫 胡亮達 趙鍶婷

摘要：搶答器是一種在知識競賽中十分常用的器件，本設(shè)計主要采用了AT89C52單片機來作為數(shù)字搶答器的MCU，運用按鍵I/O狀態(tài)采集，定時器的配置與使用以及數(shù)碼管的顯示。采用Proteus仿真軟件進行仿真，并通過Altium Designer完成了PCB板的制作，通過焊接完成了實物的制作，經(jīng)過軟件調(diào)試，完成了十路搶答器的設(shè)計

關(guān)鍵詞：AT89C52;搶答器;狀態(tài)采集;Proteus;PCB

0 引言

知識競賽不僅是中小學(xué)常見的“游戲”方式，在大學(xué)中很多的科技競賽也是作為常用的一種搶答工具，從中我們不僅可以感受到很多的樂趣也可以學(xué)到很多書本上很多學(xué)不到的知識。但是，在進行科技競賽過過程中，參賽者搶答的先后順序的確定，如果僅通過主持人的主觀意識來判斷決定，很容易產(chǎn)生誤判的現(xiàn)象。因此，本文就通過使用AT89C52主控芯片來實現(xiàn)十路搶答，具有鎖存、清零和設(shè)定時間的功能。并且還加入了語音播報模塊，對選手的搶答順序進行播報。利用該十路數(shù)字搶答器可以使知識競賽更加順利的進行，使搶答比賽更加公平。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分，主控采用AT89C52芯片，采用7.2V鋰電池供電，因為主控MCU和系統(tǒng)器件都是5V的工作電壓，通過5V穩(wěn)壓電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓，通過按鍵實現(xiàn)搶答與時間的設(shè)定，完成人機交互，通過定時器來實現(xiàn)準確定時。通過兩位數(shù)碼管顯示設(shè)定的時間，一位數(shù)碼管顯示0-9為10位搶答選手的編號。一共有十位選手進行搶答，單片機反應(yīng)時間低于0.1ms，反應(yīng)時間短，一旦有選手按下?lián)尨疰I，系統(tǒng)將會對其進行鎖存，直至裁判按下清零鍵，清零鍵可對系統(tǒng)進行清零，裁判可重新設(shè)定時間，選手重新進行搶答。本系統(tǒng)在原有的要求上加了SYN6288語音識別模塊，其模塊采用串口通信可直接輸出語音，默認波特率為9600bit/s，如果波特率設(shè)置不對發(fā)出的聲音會出錯，為此務(wù)必要確保單片機的串口波特率保持正確，使得播報正常。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1最小系統(tǒng)

AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其最小系統(tǒng)由復(fù)位及時鐘電路組成。

2.2按鍵電路

AT89C52的I/O默認準雙向輸出，由于其具有32個通用引腳，故采用獨立按鍵的模式更加方便，SW1—SW10為選手進行搶答的按鍵，UP1、DOWN1按鍵分別用于定時時間的加減，START1為裁判的啟動按鍵。

2.3數(shù)碼管電路

本系統(tǒng)一共需要兩個顯示部分，第一個NUM1是顯示搶答選手的編號，第二個是系統(tǒng)定時的時間顯示。本數(shù)碼管都采用共陰極驅(qū)動，其中通過選擇SEG1、SEG2、SEG3來選擇不同的數(shù)碼管，利用人眼的余暉效應(yīng)，可實現(xiàn)不同信息的顯示。

2.4蜂鳴器電路

本系統(tǒng)采用有源蜂鳴器，在其正負極直接加上額定電壓，就會發(fā)出響聲。由于單片機I/O輸出電流有限，不足直接以驅(qū)動蜂鳴器，故使用一個NPN的三極管對其進行驅(qū)動，此時電流足以驅(qū)動蜂鳴器使其發(fā)生聲音，R6為基極限流電阻，當(dāng)beep為高電平時三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出響聲。

2.5穩(wěn)壓電路

本系統(tǒng)采用兩節(jié)3.7V的鋰電池進行供電，電壓在7.2V左右，但單片機額度電壓在5V，故需要對電源電壓進行穩(wěn)壓后輸出，穩(wěn)壓芯片采用AMS117-5.0，此芯片直接將7.2V轉(zhuǎn)化為5V，并通過兩個10uf的鉭電容對其電源進行濾波，提供相對穩(wěn)定的電壓。LED1用于指示系統(tǒng)是否通電，具有指示作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件流程

軟件設(shè)計流程主要先對定時器進行初始化、對系統(tǒng)的I/O進行初始化，定時器采用10ms定時一次，之后在while（1）里面進行按鍵的判斷，在設(shè)定好時間后按下啟動按鍵，蜂鳴器響0.5s，開啟定時器，即TR0置1，在設(shè)定時間內(nèi)如果有搶答按鍵按下，通過不同的I/O檢測到低電平來判斷哪一個選手進行了搶答，此時立即停止計時，顯示搶答人的編號，如果在設(shè)定時間內(nèi)一直沒有搶答，那么蜂鳴器會進行報警，定時器停止計時，雙位數(shù)碼管顯示00，直至按下清零鍵。

3.2定時器設(shè)計

AT89C52采用12MHZ的晶振，由于其機器周期是（1/12M）*12為1us，采用10ms定時器中斷一次，即10ms溢出一次，當(dāng)其溢出次數(shù)達到一百次時計時1s。選用定時器0，定時模式，方式0，十六位自動重裝，此時TMOD=0x00。

3.3按鍵掃描

按鍵判斷是直接讀取I/O的狀態(tài)，按鍵程序關(guān)鍵是消抖，當(dāng)機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。軟件處理方法即第一次判斷按鍵按下后延時20ms左右再進行一次按鍵的判斷，此時按鍵判斷為還是屬于按下時才對其操作，通過軟件消抖解決了需要再硬件上面加電容的操作，在最開始按一次按鈕，數(shù)據(jù)會加或者減少很多次，最后在按鍵判斷的后面加上一個while（KEY==0）就是為了按鍵松開才執(zhí)行下面的程序，這樣子在按鍵松開后才會進行下一次的加減。

3.4數(shù)碼管顯示

本系統(tǒng)使用包括時間和選手的編號，通過P0口加上拉電阻，接數(shù)碼管的八個I/O，通過給不同的I/O賦值，來實現(xiàn)取不同的數(shù)值用P20、P21、P22選用不同的數(shù)碼管，數(shù)碼管需要顯示對其進行消隱，即顯示后在下次顯示之前對所有的I/0變成低電平，數(shù)碼管在極短的時間內(nèi)滅掉，但是肉眼無法觀察到，然而有利于觀察下一次要顯示的值，數(shù)據(jù)同時還需要對時間兩位數(shù)進行取值，即分別取個位和十位來進行顯示。

4 結(jié)束語

本次的搶答器設(shè)計與平常所用的普通搶答器設(shè)計相比，通過AT89C52內(nèi)置的定時計數(shù)計算搶答的時間更具可靠性，且可以檢測搶答時間內(nèi)有無選手搶答，更具有適用性，將為未來知識競賽搶答提供更多有利的幫助。

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