鄭辰瑛

【摘? 要】隨著競賽活動(dòng)的日益豐富，人們對(duì)智能搶答器的需求不斷增加。為更深入地研究搶答器并對(duì)其功能進(jìn)行改善，論文采用89C51單片機(jī)及外圍接口設(shè)計(jì)了一個(gè)八路搶答器，用按鍵模擬選手搶答，并結(jié)合單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的功能實(shí)現(xiàn)搶答計(jì)時(shí)。論文介紹了搶答器的總設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其工作原理和功能進(jìn)行了探討。該多功能搶答控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)搶答器參數(shù)修改、搶答倒計(jì)時(shí)、搶答結(jié)果顯示、搶答報(bào)警指示等功能。

【Abstract】With the continuous enrichment of competition activities， people's demand for smart answering device continues to increase. In order to study the answering device more deeply and improve its function， this paper uses 89C51 single chip microcomputer and peripheral interface to design an eight-way answering device， using buttons to simulate the player's answering， and combining the timer/counter function of the single chip microcomputer to realize the answering timing. This paper introduces the general design scheme of the answering device， and discusses its working principle and function. The multi-function answering control system can realize the functions of answering device parameter modification， answering countdown， answering result display， answering alarm indication and so on.

【關(guān)鍵詞】搶答器;多功能;51單片機(jī);功能模塊

【Keywords】answering device; multi-function; 51 single chip microcomputer; functional module

【中圖分類號(hào)】TP368.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）11-0191-03

1 引言

搶答器可以提高比賽的質(zhì)量和效率，并且保障比賽的公平開展。隨著人們對(duì)搶答器功能需求的增加，需要對(duì)其功能進(jìn)行完善，使搶答器向集成化、智能化方向發(fā)展，即采用一種基于單片機(jī)的智能搶答器設(shè)計(jì)方法，這樣不僅能使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造規(guī)?；材苁箵尨鹌鞴δ芏嘣?，從而得到廣泛應(yīng)用。搶答器是被廣泛用于各種競賽活動(dòng)的通用工具，但使用搶答器的頻率相對(duì)較低，所以長期存放會(huì)使搶答器內(nèi)部電子器件損壞。為避免采購帶來的成本損失，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的多功能搶答器。

2 搶答器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本文簡要介紹了一種多功能數(shù)字搶答器顯示電路的基本結(jié)構(gòu)及其基本組成、設(shè)計(jì)和使用功能，該數(shù)字搶答器電路除了應(yīng)當(dāng)具有基本的數(shù)字搶答顯示功能外，還應(yīng)當(dāng)同時(shí)具有快速計(jì)時(shí)和自動(dòng)報(bào)警2種功能。主持人可通過搶答時(shí)間的預(yù)置自動(dòng)開關(guān)來設(shè)置每次搶答的持續(xù)時(shí)間。隨即系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)模式，若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有人進(jìn)行本次搶答，則計(jì)時(shí)器將自動(dòng)停止，自動(dòng)進(jìn)入答題模式。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有人進(jìn)行搶答，則系統(tǒng)的蜂鳴器將會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示本次搶答失敗，即時(shí)間超出本次搶答的規(guī)定時(shí)間則報(bào)警表示本次搶答失敗。

本設(shè)計(jì)將硬件功能代入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景，即有八組搶答選手以及一位裁判員。裁判員按下倒計(jì)時(shí)的清零復(fù)位按鍵，使得單片機(jī)負(fù)責(zé)倒計(jì)時(shí)部分的功能清零復(fù)位，隨即倒計(jì)時(shí)部分程序啟動(dòng)，通過一個(gè)數(shù)碼管提示倒計(jì)時(shí)，提醒參賽者進(jìn)行搶答。倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，搶答部分的程序就會(huì)開始執(zhí)行，選手在倒計(jì)時(shí)結(jié)束前進(jìn)行搶答才被視為有效。選手搶答瞬間其信息將被鎖存，搶答成功后由蜂鳴器警報(bào)提醒，同時(shí)，數(shù)碼管上會(huì)顯示當(dāng)前搶答成功的小組組號(hào)。如果小組在非法時(shí)間內(nèi)按鍵搶答，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出警報(bào)。下一輪的開始由裁判員控制，循環(huán)往復(fù)。

主程序工作流程如圖1所示。

3 51單片機(jī)的功能

51單片機(jī)是對(duì)兼容英特爾8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。51單片機(jī)的指令系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、工業(yè)測控、通信設(shè)備。89C51是一種具有4kB閃爍可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦永久存儲(chǔ)器可擦寫1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和輸出引腳兼容。由于多功能8位CPU和閃存結(jié)合在一個(gè)芯片中，89C51 ATMEL微控制器是一個(gè)高效的微控制器，而89C2051是一個(gè)簡化版本。單片機(jī)為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活且廉價(jià)的解決方案。其結(jié)構(gòu)如下：

①8位CPU;②片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路;③32根I/O線;④外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K;⑤2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;⑥5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí);⑦全雙工串行口;⑧布爾處理器。

4 搶答器功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本文中的多功能搶答系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，其基本工作原理為在搶答過程中有多個(gè)信號(hào)同時(shí)或不同時(shí)送入主電路時(shí)，內(nèi)部響應(yīng)者寄存器工作并識(shí)別和記錄響應(yīng)第一個(gè)請(qǐng)求的玩家的數(shù)量。同時(shí)，內(nèi)部定時(shí)器開始運(yùn)行，記錄相應(yīng)的時(shí)間并產(chǎn)生超時(shí)信號(hào)。在答錄機(jī)、顯示電路、語音電路等整個(gè)工作流程中，還要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況輸出相應(yīng)的信號(hào)給外部電路。其控制系統(tǒng)主要組成包括：復(fù)位清零模塊、倒計(jì)時(shí)模塊、選手搶答鎖存模塊、數(shù)碼顯示模塊、搶答結(jié)束報(bào)警模塊。

4.1 復(fù)位清零模塊

復(fù)位清零端的主要功能是在人為按下按鍵后，單片機(jī)內(nèi)部鎖存信息清零，與搶答有關(guān)程序復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪搶答，并使單片機(jī)內(nèi)部倒計(jì)時(shí)功能相關(guān)程序執(zhí)行，正式開啟下一輪搶答。

實(shí)現(xiàn)方法：外部中斷和內(nèi)部中斷并存。硬件復(fù)位端只要保持4個(gè)機(jī)器周期就可以復(fù)位。硬復(fù)位后，寄存器和內(nèi)存值被恢復(fù)到原始值。本設(shè)計(jì)使用機(jī)械彈性開關(guān)來實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零功能，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)連接狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于其彈性作用，在轉(zhuǎn)換瞬間會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。為避免該現(xiàn)象，就需要進(jìn)行按鍵消抖。按鍵的抖動(dòng)對(duì)于人類來說是感覺不到的，但對(duì)單片機(jī)來說，則是一個(gè)很“漫長”的過程，因?yàn)閱纹瑱C(jī)處理的速度在“微秒”級(jí)，而按鍵抖動(dòng)的時(shí)間至少在“毫秒”級(jí)。如果單片機(jī)在抖動(dòng)期間發(fā)生誤判，即按鍵按下或斷開將被誤認(rèn)為是進(jìn)行了多次操作，從而引起整個(gè)程序的錯(cuò)誤（見圖2）。所以，為確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何消除按鍵抖動(dòng)的影響。

進(jìn)行按鍵消抖的關(guān)鍵即提取一段穩(wěn)定的電平狀態(tài)，濾除電平穩(wěn)定前后的抖動(dòng)。當(dāng)按鍵次數(shù)較少時(shí)可使用硬件方法對(duì)按鍵消抖。硬件消抖的一種典型做法是：使用R-S觸發(fā)器進(jìn)行雙穩(wěn)態(tài)消抖或使用RC積分電路進(jìn)行濾波消抖。由于復(fù)位清零端單獨(dú)獨(dú)立于選手按鍵端，且為使布線更方便，可以選擇應(yīng)用RC積分電路進(jìn)行濾波消抖。根據(jù)RC積分電路積分時(shí)長估算得出能消除機(jī)械抖動(dòng)的電阻與電容值。圖3為硬件電容消抖初步電路圖，KeyIn1接入單片機(jī)9號(hào)引腳RESET端，用來實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零功能。

4.2 倒計(jì)時(shí)模塊

倒計(jì)時(shí)模塊的主要功能為在復(fù)位清零按鍵被按下后自動(dòng)進(jìn)入10s倒計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確固定搶答開始時(shí)間，同時(shí)可以進(jìn)行修改搶答時(shí)間。有小組搶到后直接進(jìn)入30s倒計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確固定回答開始時(shí)間，同時(shí)也可以修改回答時(shí)間。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)電路的倒計(jì)時(shí)最后5s，程序會(huì)讓蜂鳴器發(fā)出響聲作為倒計(jì)時(shí)將要結(jié)束的提示。

實(shí)現(xiàn)方法：本電路使用計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)中斷法實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能。

為提高系統(tǒng)效率，AT89C51單片機(jī)設(shè)置了中斷系統(tǒng)。在CPU與外設(shè)交換信息時(shí)，存在一個(gè)快速的CPU與慢速的外設(shè)之間的矛盾。為解決這個(gè)問題，發(fā)展了中斷的概念。CPU在處理特定事務(wù)時(shí)，如果發(fā)生外部或內(nèi)部緊急情況，CPU必須暫停處理以應(yīng)對(duì)緊急情況。處理完成后，返回原中斷位置，恢復(fù)原中斷操作，這個(gè)過程被稱為中斷。AT89C51有3個(gè)片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷TF0-TF2，/INT0和/INT1外部中斷，1個(gè)TI或RI片內(nèi)串行口中斷。

該系統(tǒng)的晶振頻率為12MHz，每個(gè)計(jì)時(shí)脈沖為1μs，設(shè)定中斷每次移除時(shí)間50ms，循環(huán)20次即1s。晶振主要用于為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。為使整個(gè)系統(tǒng)各部分保持時(shí)鐘同步，經(jīng)常在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)使用同一個(gè)晶振。晶體有一個(gè)很重要的特性即機(jī)電效應(yīng)，如果給它通電，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給它機(jī)械力，它又會(huì)產(chǎn)生電。即晶振可以將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化，在單頻共振的狀態(tài)下得到穩(wěn)定振蕩。由于搶答器電路設(shè)計(jì)較簡單，所以可以選擇較為簡單的無源晶振。無源晶體振蕩器是一種晶體，它本身不能振蕩，并與其他IC的內(nèi)部振蕩電路一起工作。本電路應(yīng)用內(nèi)部晶振，選擇振蕩頻率為12MHz石英晶體。

4.3 選手搶答鎖存模塊

搶答鎖存模塊的主要功能為將選手搶答結(jié)果準(zhǔn)確及時(shí)保存，為小組回答問題提供基礎(chǔ)。5s倒計(jì)時(shí)結(jié)束，開始回復(fù)會(huì)話后，參與者可以通過按下按鈕進(jìn)行回復(fù)操作。當(dāng)其中一組成功按下接聽鍵時(shí)（例如，第2組按下S2鍵），AT89C51單片機(jī)P0口對(duì)應(yīng)的P0.2口線由高變低。當(dāng)CPU檢測到端口線為低電平時(shí)，將P1.0端口線從原來的高電平狀態(tài)切換為低電平，DS1發(fā)光二極管亮，P1.7端口線也從原來的高電平狀態(tài)變化，切換到低電平狀態(tài)，蜂鳴器會(huì)響起，提醒主持人和觀眾部分玩家已成功完成響應(yīng)，同時(shí)，用數(shù)碼管將當(dāng)前搶答題目的題號(hào)、搶答成功小組的組號(hào)顯示出來。

實(shí)現(xiàn)方法：選手搶答鎖存模塊的重點(diǎn)為8個(gè)參賽小組搶答按鍵互相干擾，這些問題可以通過“自鎖”與“互鎖”操作解決，即當(dāng)一個(gè)小組搶答成功后，搶答器控制系統(tǒng)及時(shí)將其按鍵信息進(jìn)行保存，并且在有一組搶答成功后將其他組的按鍵信息屏蔽，從而保證每次的搶答環(huán)節(jié)只會(huì)有一組搶答成功。

搶答器中選手搶答信息輸入電路用S1～S8這8個(gè)獨(dú)立按鍵和8個(gè)上拉電阻組合來模擬選手搶答按鈕。P0.0～P0.7的初始狀態(tài)均為高電平，當(dāng)沒有搶答鍵被按下時(shí)，便保持高電平狀態(tài)，而當(dāng)有小組按下其搶答按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的口線就會(huì)轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)。單片機(jī)通過對(duì)按鍵輸入口的電平采樣判斷選手搶答情況。

4.4 數(shù)碼顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊通常有2種顯示方式，一種是靜態(tài)的，一種是動(dòng)態(tài)的。靜態(tài)顯示的一個(gè)特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，編程簡單，但占用的端口資源較多;動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定性不如靜態(tài)，編程難度大，但相比靜態(tài)顯示，占用端口資源少。

實(shí)現(xiàn)方法：本設(shè)計(jì)使用BCD編碼在6位共陽7段數(shù)碼管上通過查表法動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前題目號(hào)、搶答成功小組號(hào)、搶答時(shí)間和回答時(shí)間等信息。主持人預(yù)設(shè)搶答時(shí)間后，按下STA鍵宣布搶答環(huán)節(jié)開始，選手即可開始搶答。初始狀態(tài)數(shù)碼管前2位顯示當(dāng)前回答題目的題號(hào)，中間2位無顯示，最后2位數(shù)字顯示回答問題的時(shí)間和回答問題的時(shí)間。如果玩家在回答倒計(jì)時(shí)期間按下了回答按鈕，數(shù)碼管第3位就會(huì)顯示選手編號(hào)，后2位數(shù)碼管開始顯示回答問題倒計(jì)時(shí)，本設(shè)計(jì)中回答時(shí)間初始值設(shè)為30s。當(dāng)選手在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成作答，然后主持人按下重置按鈕手動(dòng)重置。如果響應(yīng)時(shí)間結(jié)束，沒有人回答，則本輪搶答視為無效，程序?qū)⒆詣?dòng)復(fù)位準(zhǔn)備下一輪搶答。

4.5 搶答結(jié)束報(bào)警模塊

在主持人按下開始按鈕和選手按下?lián)尨鹌靼存I時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲。除此之外，在搶答倒計(jì)時(shí)和回答倒計(jì)時(shí)最后5s，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，并且在非規(guī)定時(shí)間內(nèi)選手按下?lián)尨鸢存I時(shí)蜂鳴器也會(huì)發(fā)出警報(bào)聲提示非法搶答。考慮到諸多因素對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行完善后使搶答器仿真更加直觀逼真。倒計(jì)時(shí)最后5s發(fā)出報(bào)警聲，與實(shí)際生活中的搶答器更加契合，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

實(shí)現(xiàn)方法：通過芯片引腳輸出的高低電平來控制蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行和關(guān)閉。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器的工作電流一般相對(duì)較大，所以單片機(jī)無法將其直接驅(qū)動(dòng)。最簡單的喇叭驅(qū)動(dòng)方式就是利用達(dá)林頓晶體管，或者以2個(gè)常用的小晶體管連接成達(dá)林頓架勢。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路中，電阻R為限流電阻，在此利用晶體管的高電流增益，以達(dá)到電路快速飽和的目的。如果要由P0輸出到此電路，還需要連接一個(gè)10k的上拉電阻。在本電路程序設(shè)計(jì)中使用放大電路來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，即使用1個(gè)NPN三極管來放大電流，從而使蜂鳴器可以正常工作。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

5 搶答器的實(shí)現(xiàn)及結(jié)果驗(yàn)證

利用Keil軟件進(jìn)行程序的檢查調(diào)試，調(diào)試完成后在仿真器中設(shè)置生成hex文件，編譯無錯(cuò)誤后進(jìn)行Proteus仿真。所用的元器件有：15個(gè)機(jī)械按鍵、12MHz石英晶體、5V直流電源、2個(gè)22pF電容、1個(gè)1uF電解電容、9個(gè)10kΩ上拉電阻、共陽4位7段數(shù)碼管、蜂鳴器。

本搶答器系統(tǒng)工作流程為：比賽開始，當(dāng)主持人按下開始按鍵后搶答倒計(jì)時(shí)模塊開始運(yùn)行，系統(tǒng)默認(rèn)的初始搶答時(shí)間為10s，而該時(shí)間可由主持人根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。在搶答時(shí)間內(nèi)如果有選手搶到該題目，蜂鳴器則會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒該組選手進(jìn)行作答，系統(tǒng)默認(rèn)答題時(shí)間為30s。仿真模擬情景為：當(dāng)前搶答題目為第13題，數(shù)碼管顯示“13”。當(dāng)?shù)?組在搶答時(shí)間內(nèi)按下按鍵時(shí)，數(shù)碼顯示器會(huì)顯示該組組號(hào)“2”，并且顯示所?；卮饐栴}的時(shí)間“30”。仿真結(jié)果如圖5所示。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多功能八位轉(zhuǎn)發(fā)器，采用Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過程的仿真。得益于強(qiáng)大的仿真系統(tǒng)，對(duì)開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，以確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。硬件圖是根據(jù)仿真原理圖制作的，這種設(shè)計(jì)具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)方法無法比擬的優(yōu)勢。設(shè)計(jì)整體性好、人性化強(qiáng)、可靠性高，實(shí)現(xiàn)了數(shù)顯控制的智能化，該搶答器不僅可以實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)、數(shù)顯等基本功能，還可以自定義響應(yīng)倒計(jì)時(shí)和倒計(jì)時(shí)時(shí)間，讓選手可以根據(jù)不同的游戲場景答題，有效判斷選手非法搶答并給予警告。系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證工作穩(wěn)定，保證了比賽中搶答的公平性。

【參考文獻(xiàn)】

【1】黃育雁.智力競賽搶答器邏輯電路的設(shè)計(jì)[J].硅谷，2012（6）：56+33.

【2】段德功，丁瑩亮.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2010.

【3】牛甲，熊剛.基于單片機(jī)的的搶答器設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（4）：240-241.