馬巍

【摘 要】本文是以單片機為控制核心的16路搶答器，它能根據(jù)不同的搶答輸入信號通過LED數(shù)碼管顯示，并具有自動鎖存優(yōu)先輸入信號和自動復(fù)位功能。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，功能強大，智能化程度高，故障率低的特點。

【關(guān)鍵字】AT89C51;動態(tài)顯示;搶答器

中圖分類號： TP368.1文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）05-0067-002

搶答器作為一種電子產(chǎn)品，已被人們所熟知并廣泛應(yīng)用于各種智力知識競賽。通過搶答器的指示燈顯示、數(shù)碼管顯示和警示揚聲器等手段，能準確、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，成本較高，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及，單片機也不斷走向社會的各個角落，本文則采用單片機技術(shù)設(shè)計出全集成電路的多路搶答器。

1 整體方案設(shè)計

本智能搶答器以AT89C51單片機為控制核心，由復(fù)位電路、時鐘電路、主持人按鍵電路、選手搶答按鍵電路、LED顯示電路、報警電路等組成。搶答器可同時供16名選手或16個代表隊比賽，分別用16個按鍵K1～K16進行搶答。當主持人啟動“開始搶答鍵”，定時器進行減計時，當?shù)褂嫊r為0時禁止搶答。在搶答時間最后5S倒計時時，系統(tǒng)每1S報警一次。參賽選手在設(shè)定時間內(nèi)搶答有效，則顯示選手的編號同時進入回答問題的倒計時。在回答問題倒計時期間選手如回答正確，主持人通過“加分鍵”給選手加分。如果當主持人未啟動“開始搶答鍵”時但有選手搶答，主持人則通過“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)選手的參賽號碼，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出警鳴聲提示。其他按鍵者將不能響應(yīng)。在搶答倒計時期間，如果主持人想終止倒計時，可以按下“搶答停止鍵”，系統(tǒng)會進入準備狀態(tài)，進入回答問題的倒計時。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路由AT89C51單片機、8同相3態(tài)緩沖器/線驅(qū)動器74HC244、共陽極LED數(shù)碼管、74HC14反相器、按鍵、揚聲器等組成。單片機的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，AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS？8位單片機，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個可編程I/O口線？、2個16位定時/計數(shù)器和6個中斷源，還具有低功耗空閑和掉電模式。AT89C51單片機功能強大，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)位信號送入9腳。電解電容充電放電使得復(fù)位高電平信號持續(xù)2個機器周期以上。當放起按鍵時，9腳緩慢達到低電平則退出復(fù)位。程序從頭開始執(zhí)行。

2.3 時鐘電路

本設(shè)計中采用內(nèi)部時鐘方式。其輸入端為XTAL1、XTAL2，通過這兩個引腳外并接石英晶體振蕩器和兩個電容（內(nèi)部時鐘方式），石英晶體和電容構(gòu)成振蕩回路，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(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，其中S1和S2分別“搶答開始鍵”和“搶答停止鍵”，其對應(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”，其對應(yīng)的I/O口為P3.2和P3.3。

該電路采用獨立式鍵盤，獨立式鍵盤是指各按鍵分別接通一條輸入I＼O口，例如當主持人要按下“搶答開始鍵”S1時，如果按鍵沒有按下時，CPU對應(yīng)的口P3.0由于有上拉電阻，其輸入為高電平“1”;當按鍵按下后，對應(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I＼O口的狀態(tài)即可知道哪個按鍵處于閉合狀態(tài)。

2.5 搶答鍵電路

因該智能搶答器需要16個按鍵，而P1口只有8個I＼O，所以該電路選擇行列式按鍵，按鍵設(shè)置在行列式的交點上。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。若檢測到所以的列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。當判別到有鍵被按下后，調(diào)用延時子程序去抖動，然后再次進行判別。當有鍵被按下時，轉(zhuǎn)入逐行掃描來識別鍵號。如當按鍵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”，則說明該列與第一行交叉的鍵被按下，當單片機掃描到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LED數(shù)碼管，該電路為動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示器可以節(jié)省I＼O口的資源，有利于降低成本。段控采用P0口，電路中P0口通過74HC244連接數(shù)碼管段選信號口，74HC244是8同相3態(tài)緩沖器＼線驅(qū)動器，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74HC14連接數(shù)碼管的位選信號口，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轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸出信號。數(shù)碼管左邊兩位（P2.0口、P2.1口）用來顯示搶答選手的編號，中間兩位（P2.2口、P2.3口）顯示倒計時時間，最右邊兩位（P2.4口、P2.5口）顯示參賽選手分數(shù)。

2.7 報警電路

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

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

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 主程序

在主程序中首先要對控制系統(tǒng)進行初始化，然后進行對“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)定時器中斷T0，每隔0.5ms對搶答按鍵進行掃描，若有搶答選手按下按鍵，則執(zhí)行倒計時子程序和顯示程序，并調(diào)用正常搶答子程序，顯示剩余答題時間，并顯示鎖存搶答選手號碼，并且伴隨提示音。此外同時要封鎖電路，禁止其他選手搶答。若無選手搶答，則當?shù)褂嫊r剩余5s時，觸發(fā)報警程序，即定時器中斷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，則進行非法搶答查詢子程序，確定非法搶答選手號碼，同時調(diào)用非法搶答子程序，最后返回;若無選手搶答則返回。

3.2 初始化程序

控制系統(tǒng)開始正常工作時要進行初始化，該智能搶答器的初始化主要是兩個定時器和兩個外部中斷初始化。兩個定時中斷分別是對搶答按鍵0.5ms的掃描和1s定時中斷。定時器中斷T0采用工作方式1定時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，這樣實現(xiàn)了對鍵盤的定時掃描。定時器中斷T1采用工作方式2定時0.2ms，運行5000次定時1s。兩個外部中斷分別是接“搶答開始鍵”和“搶答停止鍵”。

3.3 倒計時子程序

該智能搶答器的“搶答時間倒計時”設(shè)置為15s， “回答時間倒計時”設(shè)置為30s。用定時器中斷T1定時1s，如果1s定時時間到，倒計時自動減1，并在數(shù)碼管顯示，再判斷到倒計時是否結(jié)束到0，沒有到繼續(xù)1s倒計時減1，直到倒計時計為止，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)自動進行15s倒計時，數(shù)碼管中間兩位則顯示倒計時時間，如果有選手在倒計時過程中搶答成功，數(shù)碼管高兩位顯示搶答選手的編號，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)碼管高兩位自動進行回答時間30s倒計時的顯示，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，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，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)選手剩余分數(shù)。

4 結(jié)束語

基于51單片機的智能搶答器具有結(jié)構(gòu)簡單，功能強大，智能化程度高，故障率低的特點。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試運行，可廣泛應(yīng)用于各種知識競賽搶答場合。

【參考文獻】

[1]李海濱，片春媛，許瑞雪《單片機技術(shù)課程設(shè)計與項目實例》，中國電力出版社，2009.08.

[2]王會良，王東鋒，董冠強《單片機的C語言應(yīng)用100例》，電子工業(yè)出版社，2017.04.