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智能搶答器電路控制板方案開發(fā)


搶答器作為一種電子產(chǎn)品,已被人們所熟知并廣泛應(yīng)用于各種智力知識(shí)競(jìng)賽。通過(guò)搶答器的指示燈顯示、數(shù)碼管顯示和警示揚(yáng)聲器等手段,能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出優(yōu)先搶答者。但是,目前使用的搶答器大多數(shù)為分立式元件設(shè)計(jì),成本較高,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及,單片機(jī)也不斷走向社會(huì)的各個(gè)角落,本文則采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出全集成電路的多路搶答器。

一、智能搶答器整體方案設(shè)計(jì)

本智能搶答器以AT89C51單片機(jī)為控制核心,由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、主持人按鍵電路、選手搶答按鍵電路、LED顯示電路、報(bào)警電路等組成。搶答器可同時(shí)供16名選手或16個(gè)代表隊(duì)比賽,分別用16個(gè)按鍵K1~K16進(jìn)行搶答。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始搶答鍵”,定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí),當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為0時(shí)禁止搶答。在搶答時(shí)間最后5S倒計(jì)時(shí)時(shí),系統(tǒng)每1S報(bào)警一次。參賽選手在設(shè)定時(shí)間內(nèi)搶答有效,則顯示選手的編號(hào)同時(shí)進(jìn)入回答問(wèn)題的倒計(jì)時(shí)。在回答問(wèn)題倒計(jì)時(shí)期間選手如回答正確,主持人通過(guò)“加分鍵”給選手加分。如果當(dāng)主持人未啟動(dòng)“開始搶答鍵”時(shí)但有選手搶答,主持人則通過(guò)“減分鍵”給選手扣分。此外該電路還具有鎖存和顯示功能。即某位選手按下按鍵,鎖存相應(yīng)選手的參賽號(hào)碼,并在LED數(shù)碼管上顯示,同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出警鳴聲提示。其他按鍵者將不能響應(yīng)。在搶答倒計(jì)時(shí)期間,如果主持人想終止倒計(jì)時(shí),可以按下“搶答停止鍵”,系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài),進(jìn)入回答問(wèn)題的倒計(jì)時(shí)。

二、智能搶答器硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路由AT89C51單片機(jī)、8同相3態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)器74HC244、共陽(yáng)極LED數(shù)碼管、74HC14反相器、按鍵、揚(yáng)聲器等組成。單片機(jī)的P1口為16組搶答按鍵的輸入口,P0口為數(shù)碼管的段選口,P2口為數(shù)碼管的位選口。P3口為主持人按鍵設(shè)置和連接揚(yáng)聲器。

2.1芯片的選擇:搶答器電路的核心是MCS-51系列AT89C51單片機(jī),AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī),與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容,具有128×8字節(jié)內(nèi)部RAM、32個(gè)可編程I/O口線?、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和6個(gè)中斷源,還具有低功耗空閑和掉電模式。AT89C51單片機(jī)功能強(qiáng)大,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

2.2復(fù)位電路:復(fù)位電路采用的是按鍵電平復(fù)位方式,復(fù)位按鈕按下,產(chǎn)生高電平的復(fù)位信號(hào)送入9腳。電解電容充電放電使得復(fù)位高電平信號(hào)持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上。當(dāng)放起按鍵時(shí),9腳緩慢達(dá)到低電平則退出復(fù)位。程序從頭開始執(zhí)行。

2.3時(shí)鐘電路:本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。其輸入端為XTAL1、XTAL2,通過(guò)這兩個(gè)引腳外并接石英晶體振蕩器和兩個(gè)電容(內(nèi)部時(shí)鐘方式),石英晶體和電容構(gòu)成振蕩回路,產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部各元件。

2.4主持人按鍵電路:該智能搶答器共設(shè)置主持人按鍵有四個(gè),其中S1和S2分別“搶答開始鍵”和“搶答停止鍵”,其對(duì)應(yīng)的I/O口為P3.0和P3.1;S3和S4分別為“回答正確加分鍵”和“犯規(guī)減分鍵”,其對(duì)應(yīng)的I/O口為P3.2和P3.3。該電路采用獨(dú)立式鍵盤,獨(dú)立式鍵盤是指各按鍵分別接通一條輸入IO口,例如當(dāng)主持人要按下“搶答開始鍵”S1時(shí),如果按鍵沒(méi)有按下時(shí),CPU對(duì)應(yīng)的口P3.0由于有上拉電阻,其輸入為高電平“1”;當(dāng)按鍵按下后,對(duì)應(yīng)的P3.0口變?yōu)榈碗娖健?”,這樣P3.0口就從高電平變?yōu)榈碗娖?。所以只要在程序中判斷IO口的狀態(tài)即可知道哪個(gè)按鍵處于閉合狀態(tài)。

2.5搶答鍵電路:因該智能搶答器需要16個(gè)按鍵,而P1口只有8個(gè)IO,所以該電路選擇行列式按鍵,按鍵設(shè)置在行列式的交點(diǎn)上。行線接P1.0~P1.3,列行線P1.4~P1.7。將全部行線(P1.0、P1.1、P1.2和P1.3)置低電平“0”,全部列線置高電平“1”然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只有有一列的電平為低,則表示鍵盤中有鍵被按下。若檢測(cè)到所以的列線均為高電平,則鍵盤中無(wú)鍵按下。當(dāng)判別到有鍵被按下后,調(diào)用延時(shí)子程序去抖動(dòng),然后再次進(jìn)行判別。當(dāng)有鍵被按下時(shí),轉(zhuǎn)入逐行掃描來(lái)識(shí)別鍵號(hào)。如當(dāng)按鍵K1按下,掃描第一行(P1.0口),即第輸出低電平“0”(即P1.0=0),然后讀列值,即P1.4、P1.5、P1.6和P1.7口的值,哪一列出現(xiàn)低電平“0”,則說(shuō)明該列與第一行交叉的鍵被按下,當(dāng)單片機(jī)掃描到P1.4引腳為低電平“0”,就可以判別是K1鍵被按下。

2.6顯示電路:本電路中采用六位共陽(yáng)LED數(shù)碼管,該電路為動(dòng)態(tài)顯示方式,動(dòng)態(tài)顯示器可以節(jié)省IO口的資源,有利于降低成本。段控采用P0口,電路中P0口通過(guò)74HC244連接數(shù)碼管段選信號(hào)口,74HC244是8同相3態(tài)緩沖器線驅(qū)動(dòng)器,是一款高速的CMOS器件,其引腳兼容低功耗的TTL系列;位控采用P2口,電路中P2.0~P2.5通過(guò)74HC14連接數(shù)碼管的位選信號(hào)口,74HC14是一款兼容TTL器件引腳的高速CMOS器件,邏輯功能為6路斯密特觸發(fā)器,其耗電量低、速度快,可將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無(wú)抖動(dòng)的輸出信號(hào)。數(shù)碼管左邊兩位(P2.0口、P2.1口)用來(lái)顯示搶答選手的編號(hào),中間兩位(P2.2口、P2.3口)顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間,最右邊兩位(P2.4口、P2.5口)顯示參賽選手分?jǐn)?shù)。

2.7報(bào)警電路:報(bào)警電路在該智能搶答器電路中的作用是引起人們的注意。例如當(dāng)主持人沒(méi)有按下“開始搶答鍵”時(shí),有選手按的下“搶答鍵”,報(bào)警電路發(fā)生報(bào)警,提示主持人有參賽選手發(fā)生搶答;且每道題的搶答時(shí)間和回答時(shí)間的倒計(jì)時(shí)最后5秒時(shí),每隔1秒報(bào)警一次,用以提示參賽選手倒計(jì)時(shí)時(shí)間即將耗盡。

報(bào)警電路選用P3.6口和P3.7口。P3.7口先連接電阻再連接一個(gè)PNP型三極管的基極,三極管的集電極接地,發(fā)射極接揚(yáng)聲器的另一端。單片機(jī)的P3.7口負(fù)責(zé)發(fā)聲電路,當(dāng)P3.7口為低電平時(shí)候,即三極管的基極為低電平,三極管導(dǎo)通,揚(yáng)聲器工作,從而完成發(fā)聲電路。P3.6口通過(guò)發(fā)光二極管接揚(yáng)聲器一端,揚(yáng)聲器和發(fā)光二極管之間接+5v電源。當(dāng)P3.6口為低電平時(shí),發(fā)光二極管導(dǎo)通,則二極管亮。

三、智能搶答器系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1主程序:在主程序中首先要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化,然后進(jìn)行對(duì)“開始搶答鍵”按鍵的掃描,判斷主持人是否按下“開始搶答鍵”按鍵,如果按鍵按下,則觸發(fā)定時(shí)器中斷T0,每隔0.5ms對(duì)搶答按鍵進(jìn)行掃描,若有搶答選手按下按鍵,則執(zhí)行倒計(jì)時(shí)子程序和顯示程序,并調(diào)用正常搶答子程序,顯示剩余答題時(shí)間,并顯示鎖存搶答選手號(hào)碼,并且伴隨提示音。此外同時(shí)要封鎖電路,禁止其他選手搶答。若無(wú)選手搶答,則當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)剩余5s時(shí),觸發(fā)報(bào)警程序,即定時(shí)器中斷1,每隔1s鳴叫一次。如果主持人未將“開始搶答鍵”按鍵按下,若有選手搶答時(shí),則進(jìn)行非法搶答查詢子程序,確定非法搶答選手號(hào)碼,同時(shí)調(diào)用非法搶答子程序,最后返回;若無(wú)選手搶答則返回。

3.2初始化程序:控制系統(tǒng)開始正常工作時(shí)要進(jìn)行初始化,該智能搶答器的初始化主要是兩個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)外部中斷初始化。兩個(gè)定時(shí)中斷分別是對(duì)搶答按鍵0.5ms的掃描和1s定時(shí)中斷。定時(shí)器中斷T0采用工作方式1定時(shí)0.5ms的編程,使其產(chǎn)生05ms的中斷。CPU響應(yīng)中斷,執(zhí)行中斷程序,使鍵盤每隔0.5ms掃描一次,這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍵盤的定時(shí)掃描。定時(shí)器中斷T1采用工作方式2定時(shí)0.2ms,運(yùn)行5000次定時(shí)1s。兩個(gè)外部中斷分別是接“搶答開始鍵”和“搶答停止鍵”。

3.3倒計(jì)時(shí)子程序:該智能搶答器的“搶答時(shí)間倒計(jì)時(shí)”設(shè)置為15s,“回答時(shí)間倒計(jì)時(shí)”設(shè)置為30s。用定時(shí)器中斷T1定時(shí)1s,如果1s定時(shí)時(shí)間到,倒計(jì)時(shí)自動(dòng)減1,并在數(shù)碼管顯示,再判斷到倒計(jì)時(shí)是否結(jié)束到0,沒(méi)有到繼續(xù)1s倒計(jì)時(shí)減1,直到倒計(jì)時(shí)計(jì)為止,然后退出。

3.4正常搶答子程序:在主持人按下“開始搶答鍵”后,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行15s倒計(jì)時(shí),數(shù)碼管中間兩位則顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間,如果有選手在倒計(jì)時(shí)過(guò)程中搶答成功,數(shù)碼管高兩位顯示搶答選手的編號(hào),并且數(shù)碼管的低兩位則顯示該選手的目前的得分。搶答成功后,主持人按下“搶答停止鍵”,數(shù)碼管高兩位自動(dòng)進(jìn)行回答時(shí)間30s倒計(jì)時(shí)的顯示,如果回答正確,主持人則按下“加分鍵”,數(shù)碼管低兩位則顯示搶答選手的最后的得分;如回答錯(cuò)誤,不能加分。

3.5非法搶答子程序:在主持人尚未按下“開始搶答鍵”時(shí),六位數(shù)碼管則顯示“000000”。如果發(fā)生搶答,數(shù)碼管高兩位顯示搶答選手的編號(hào),低兩位顯示搶答選手的得分情況,中間兩位顯示“FF”,并不斷處于閃爍狀態(tài),表明有犯規(guī)現(xiàn)象,這時(shí)主持人按下“減分鍵”,該犯規(guī)選手則被扣分,數(shù)碼管的低兩位顯示犯規(guī)選手剩余分?jǐn)?shù)。

總結(jié)

基于51單片機(jī)的智能搶答器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大,智能化程度高,故障率低的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行,可廣泛應(yīng)用于各種知識(shí)競(jìng)賽搶答場(chǎng)合。

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