多路無線語音搶答器設(shè)計與實現(xiàn)

王露曼 鄭小海 宋曙光 高景煜

摘要：隨著各種比賽的增多，搶答器的應(yīng)用和需求越來越多，它所起到的作用備受關(guān)注。尤其在智力活動中，“搶答”是一種十分普遍的、緊張有趣且具有教育意義的游戲。文章重點對基于52系列單片機(jī)構(gòu)成的無線搶答器的整體設(shè)計、電路模塊及功能進(jìn)行了詳述，設(shè)計的搶答器除了具備基本的搶答功能外，還具有無線傳輸、定時報警、液晶屏顯示以及語音提示的功能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；定時搶答；語音電路；無線發(fā)射和接收

中圖分類號：TP317 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著競爭的加劇，選拔人才的比賽越來越多，在這種情況下，參賽者往往會被分成幾個小組。當(dāng)主持人提問時，各小組通過舉手來獲得搶答的機(jī)會，但這種方式并不準(zhǔn)確，容易使主持人作出錯誤的判斷，從而導(dǎo)致結(jié)果不公正。所以，很多人都在尋找一種不受個人主觀意志影響的儀器來控制比賽。隨著單片機(jī)的問世，人類進(jìn)入了智能化時代，許多復(fù)雜的線路都可以通過單片機(jī)來簡化，從而達(dá)到更好的效果。將單片機(jī)和串行通信結(jié)合，用于各種電子設(shè)備設(shè)計，是一種必然趨勢。多路無線語音搶答器是基于以單片機(jī)為核心控制的搶答系統(tǒng)，利用串行通信實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸，使得搶答系統(tǒng)功能更加完善。

1 搶答器系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)以52系列微處理器為控制核心，芯片內(nèi)包含4 K flash ROM、128 RAM和15條 I/O端口。本系統(tǒng)具有運算控制、信號識別和顯示等功能，通過程序判斷參賽者按鍵是否有效。當(dāng)參賽者違規(guī)搶答時，程序會啟動蜂鳴器報警，提醒主持人該操作違規(guī)，搶答無效。給定相應(yīng)延時后，選手按正常的操作搶答并進(jìn)入答題倒計時，利用數(shù)碼管顯示倒計時，在最后5 s時提醒選手，搶答時間即將截止，請及時作答［1］。該系統(tǒng)主要設(shè)計過程為編碼、發(fā)射、接收、解碼、控制、顯示及提示。其控制核心模塊是STC89C52。當(dāng)用戶按下?lián)尨鸢存I后，編碼電路會進(jìn)行編碼，編碼完成后，編碼被傳送到發(fā)射電路，發(fā)射電路發(fā)出信號，再由接收電路將信號接收后，經(jīng)解碼電路還原，傳送到單片機(jī)內(nèi)部，讓其判定最先按鍵者并送入顯示電路，顯示序號，觸發(fā)提示音電路工作，表明有鍵按下，系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

2 模塊化設(shè)計選擇

2.1 無線模塊

本設(shè)計采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01+在ISM頻帶2.4～2.524 GHz工作。該模塊具有頻率合成、功率放大、晶體振蕩、調(diào)制解調(diào)等功能。nRF24L01+功耗很低，在-6 dBm的功率下發(fā)射時，工作電流也只需9 mA。本模塊采用軟件設(shè)置地址，在接到局部地址后，可以直接與多種單片機(jī)相連，軟件編程十分方便。

2.2 微控制器模塊

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制。因為系統(tǒng)對于控制功能的需求較少，所以使用52單片機(jī)足以滿足本設(shè)計的要求。以單片機(jī)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加接收、無線、顯示和語音提示模塊，可以很好地實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

2.3 顯示及語言提示模塊

本設(shè)計采用1602液晶顯示器進(jìn)行搶答組數(shù)和倒計時信息的顯示，采用WT588D語音芯片進(jìn)行播報。此方案節(jié)省了單片機(jī)接口，使得外圍電路的復(fù)雜程度大大降低，在一定程度上簡化了系統(tǒng)程序。

3 硬件功能設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，附加相應(yīng)的工作電路，使其按照編程設(shè)計的需要進(jìn)行工作，這樣就構(gòu)成了單片機(jī)的應(yīng)用電路。最小單片機(jī)系統(tǒng)是一種較為基礎(chǔ)的電路，可以使微處理器工作［2］。

3.2 無線電路

在無線傳輸方式中，采用在片內(nèi)堆棧區(qū)先入先出的方式，以較低的速度從單片機(jī)內(nèi)輸入，以較快的速度發(fā)射出去，可以最有效地提高效率。采用低轉(zhuǎn)速的微處理器，便于獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。當(dāng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)時，字頭和 CRC檢查代碼又會被自動添加。模塊可以使用軟體設(shè)定地址，只有在收到本機(jī)地址時，資料（提供中斷指令）才會輸出數(shù)據(jù)，并可直接與各種單片機(jī)連接使用，設(shè)計非常簡便。無線收發(fā)模塊如圖2所示。

3.3 語音芯片

WT588D插入的靜音時間范圍穩(wěn)定，不占用空間，且通過計算機(jī)軟件，可以任意組合各種聲音。如果插上消音設(shè)備，不需要占用內(nèi)存就可以反復(fù)調(diào)用，并且支持加載3種音頻格式，而其他的芯片沒有這樣的功能［3］。語音模塊如圖3所示。

3.4 液晶顯示

顯示模塊選用1 602字符型液晶模塊，此模塊易于驅(qū)動，經(jīng)編碼傳送到顯示屏上的內(nèi)容更多樣化。其顯示容量為16×2個字符，在4.5～5.5 V的電壓范圍內(nèi)工作，只需要使用16個引腳（有背光）接口，通過P0口與液晶數(shù)據(jù)端口相連接，P2.0-P2.2與液晶的RS，RW，E控制引腳相連，LCD1602液晶顯示電路如圖4所示。

4 軟件模塊化設(shè)計及功能測試

4.1 模塊化設(shè)計

4.1.1 按鍵掃描電路

此設(shè)計采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，是一種直接由輸入/輸出接口線構(gòu)成的單個按鍵電路，它具有配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單等特點。獨立按鍵常采用查詢式結(jié)構(gòu)，首先逐位查詢I/O口線的輸入狀態(tài)，若輸入為低電平，則可確認(rèn)該端口線所對應(yīng)的按鍵已按下。按鍵掃描流程如圖5所示。

4.1.2 液晶顯示功能

此設(shè)計采用LCD1602液晶顯示，用戶在向LCD寫入漢字時，必須初始化LCD，設(shè)置起始行。執(zhí)行該命令后，設(shè)定的行將顯示在屏幕首行。通常，在使用LCD屏幕時，用戶需根據(jù)其時序設(shè)置執(zhí)行相應(yīng)的命令操作，在往顯示屏寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)時，需要保持RS為高電平狀態(tài)，RW為低電平狀態(tài)，并且E端為下降沿狀態(tài)。用戶從顯示屏讀取數(shù)據(jù)時，需要將上述3個功能引腳均設(shè)置為高電平狀態(tài)。如果要讀取顯示屏的狀態(tài)，RS端口則需要變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，其他2個功能引腳繼續(xù)保持高電平狀態(tài)。用戶在對顯示屏進(jìn)行相應(yīng)指令碼操作時，需要將RS和RW引腳狀態(tài)改為低電平狀態(tài)，E端口設(shè)為下降沿狀態(tài)。顯示程序流程如圖6所示。

4.1.3 蜂鳴器報警模塊

當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的時間時，報警電路開始工作，蜂鳴器響，從而起到提示報警的作用。在本次設(shè)計當(dāng)中，如果主持人沒有下達(dá)開始搶答指令，選手就按下按鍵，則視為違規(guī)搶答，屏幕顯示“FF”和違規(guī)選手的編號，此時蜂鳴器會報警提示。

4.2 程序功能測試

首先，用戶將模塊初始化，開始判斷主持人是否按下開始搶答按鍵。若主持人未按下按鍵就有人提前按下?lián)尨疰I，蜂鳴器會發(fā)出警告；若主持人按下開始搶答鍵后，有人搶答，此時需判斷該選手是否超出回答時間，若超出回答時間，也會引起蜂鳴器報警。

其次，若在主持人按下?lián)尨鸢存I后無人搶答且超過搶答時間，會引發(fā)蜂鳴器報警。

最后，結(jié)束流程進(jìn)行程序復(fù)位操作［4］。筆者通過構(gòu)思，設(shè)計出一套程序測試流程，具體如圖7所示。

5 結(jié)語

本設(shè)計重點研究了無線語音搶答器系統(tǒng)，利用無線發(fā)射接收技術(shù)，使搶答器脫離了傳統(tǒng)連線的束縛。設(shè)計采用以單片機(jī)為核心的主控和外接外圍電路的方式，利用單片機(jī)的自身優(yōu)勢設(shè)計了貼近實際使用需求的智能搶答器。本設(shè)計以STC89C52為主控，包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊、報警電路、語音電路等一系列結(jié)構(gòu)，這些元件共同構(gòu)成了基于單片機(jī)的多路無線語言搶答器。

關(guān)于軟件部分，使用 Keil軟件，參考程序流程，編制了匯編語言。該方案以實際線路為最終結(jié)果，可實現(xiàn)預(yù)定的搶答、倒計時等功能，適合在普通比賽中使用。

參考文獻(xiàn)

［1］楊曉輝，張彤，姜俊海.智能搶答器的設(shè)計與制作［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2000（6）：24-25.

［2］李劍心.多路無線遙控接收系統(tǒng)［J］.科技信息，2008（7）：234-236.

［3］林龍森.基于nRF905的八路無線搶答系統(tǒng)［J］.黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010（3）：34-36.

［4］臧殿紅.基于AT89S51的八路搶答器的設(shè)計［J］.科技信息，2011（25）：98-110.

（編輯 王永超）

Design and implementation of a multi-channel wireless voice answering device

Wang? Luman1， Zheng? Xiaohai1，2*， Song? Shuguang1， Gao? Jingyu1

（1.Xijing University， Xi’an 710123， China; 2.Shaanxi Engineering Research Center of Controllable Neutron Source， Xi’an 710123， China）

Abstract：? With the increasing number of various competitions and competitions， the application and demand for answering questions devices are increasing， and the role it plays has attracted people’s attention. Especially in intellectual activities， “quiz” is a very common， tense， interesting， and educational game. This paper details the overall design， circuit module and function of the wireless buzzer based on 52 series singlechip. The designed answering machine not only has basic answering functions， but also has functions such as wireless transmission， timed alarm， liquid crystal screen display， and voice prompt.

Key words： microcontroller; timed answering; voice circuit; wireless transmission and reception