段學(xué)濤 郭子洋 劉鑫 胡亮達(dá) 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(jì)主要采用了AT89C52單片機(jī)來作為數(shù)字搶答器的MCU，運(yùn)用按鍵I/O狀態(tài)采集，定時(shí)器的配置與使用以及數(shù)碼管的顯示。采用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，并通過Altium Designer完成了PCB板的制作，通過焊接完成了實(shí)物的制作，經(jīng)過軟件調(diào)試，完成了十路搶答器的設(shè)計(jì)

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(jìn)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(shí)現(xiàn)十路搶答，具有鎖存、清零和設(shè)定時(shí)間的功能。并且還加入了語音播報(bào)模塊，對選手的搶答順序進(jìn)行播報(bào)。利用該十路數(shù)字搶答器可以使知識競賽更加順利的進(jìn)行，使搶答比賽更加公平。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

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?yàn)橹骺豈CU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(shí)現(xiàn)搶答與時(shí)間的設(shè)定，完成人機(jī)交互，通過定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定時(shí)。通過兩位數(shù)碼管顯示設(shè)定的時(shí)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(jìn)行搶答，單片機(jī)反應(yīng)時(shí)間低于0.1ms，反應(yīng)時(shí)間短，一旦有選手按下?lián)尨疰I，系統(tǒng)將會對其進(jìn)行鎖存，直至裁判按下清零鍵，清零鍵可對系統(tǒng)進(jìn)行清零，裁判可重新設(shè)定時(shí)間，選手重新進(jìn)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(rèn)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(cuò)，為此務(wù)必要確保單片機(jī)的串口波特率保持正確，使得播報(bào)正常。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1最小系統(tǒng)

AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其最小系統(tǒng)由復(fù)位及時(shí)鐘電路組成。

2.2按鍵電路

AT89C52的I/O默認(rèn)準(zhǔn)雙向輸出，由于其具有32個(gè)通用引腳，故采用獨(dú)立按鍵的模式更加方便，SW1—SW10為選手進(jìn)行搶答的按鍵，UP1、DOWN1按鍵分別用于定時(shí)時(shí)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(gè)顯示部分，第一個(gè)NUM1是顯示搶答選手的編號，第二個(gè)是系統(tǒng)定時(shí)的時(shí)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(shí)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(fù)極直接加上額定電壓，就會發(fā)出響聲。由于單片機(jī)I/O輸出電流有限，不足直接以驅(qū)動蜂鳴器，故使用一個(gè)NPN的三極管對其進(jìn)行驅(qū)動，此時(shí)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(shí)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(jìn)行供電，電壓在7.2V左右，但單片機(jī)額度電壓在5V，故需要對電源電壓進(jìn)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(gè)10uf的鉭電容對其電源進(jìn)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(jì)

3.1軟件流程

軟件設(shè)計(jì)流程主要先對定時(shí)器進(jìn)行初始化、對系統(tǒng)的I/O進(jìn)行初始化，定時(shí)器采用10ms定時(shí)一次，之后在while（1）里面進(jìn)行按鍵的判斷，在設(shè)定好時(shí)間后按下啟動按鍵，蜂鳴器響0.5s，開啟定時(shí)器，即TR0置1，在設(shè)定時(shí)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(gè)選手進(jìn)行了搶答，此時(shí)立即停止計(jì)時(shí)，顯示搶答人的編號，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)一直沒有搶答，那么蜂鳴器會進(jìn)行報(bào)警，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，雙位數(shù)碼管顯示00，直至按下清零鍵。

3.2定時(shí)器設(shè)計(jì)

AT89C52采用12MHZ的晶振，由于其機(jī)器周期是（1/12M）*12為1us，采用10ms定時(shí)器中斷一次，即10ms溢出一次，當(dāng)其溢出次數(shù)達(dá)到一百次時(shí)計(jì)時(shí)1s。選用定時(shí)器0，定時(shí)模式，方式0，十六位自動重裝，此時(shí)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(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)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(shí)20ms左右再進(jìn)行一次按鍵的判斷，此時(shí)按鍵判斷為還是屬于按下時(shí)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(gè)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(jìn)行下一次的加減。

3.4數(shù)碼管顯示

本系統(tǒng)使用包括時(shí)間和選手的編號，通過P0口加上拉電阻，接數(shù)碼管的八個(gè)I/O，通過給不同的I/O賦值，來實(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)還需要對時(shí)間兩位數(shù)進(jìn)行取值，即分別取個(gè)位和十位來進(jìn)行顯示。

4 結(jié)束語

本次的搶答器設(shè)計(jì)與平常所用的普通搶答器設(shè)計(jì)相比，通過AT89C52內(nèi)置的定時(shí)計(jì)數(shù)計(jì)算搶答的時(shí)間更具可靠性，且可以檢測搶答時(shí)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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