嚴(yán)成駿 錢莊 王曉菲 黃維 王定洋 萬美琳

摘要：隨著各類知識競賽的興起，結(jié)合51單片機(jī)開發(fā)的搶答器引起大量研究者的興趣。通過對近年來相關(guān)文獻(xiàn)的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前市面上所提出的搶答器大多功能簡單，實(shí)用價(jià)值較低。文章提出了一種基于51單片機(jī)的復(fù)雜功能八路搶答器，功能包括搶、作答兩部分倒計(jì)時，時間均可調(diào)、自由對選手進(jìn)行加減分操作的評價(jià)系統(tǒng)，對分?jǐn)?shù)進(jìn)行鎖存、復(fù)位查分顯示所有選手得分情況，并使程序回到初始狀態(tài)以重復(fù)使用、報(bào)警提示電路。電路通過proteus仿真并焊接了實(shí)物圖，軟件仿真和硬件調(diào)試均驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：STC89C51單片機(jī)；多功能搶答器；定時；報(bào)警；proteus仿真；C51語言

中圖分類號：TP368.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0102-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

近年來，隨著各類答題競賽的興起，搶答器被廣泛使用。傳統(tǒng)以數(shù)字、模擬電路為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的搶答器方式簡答，但布局布線復(fù)雜、可靠性和穩(wěn)定性較差、成本較高[1]。故結(jié)合51單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)的搶答器引起大量研究者的興趣。通過對近10年來相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)市面上所提出的基于51單片機(jī)的搶答器，大多停留在簡單功能的實(shí)現(xiàn)，難以運(yùn)用在實(shí)際復(fù)雜的生活場景。文獻(xiàn)[2-3]分別提出三路、四路搶答系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，僅具有教學(xué)實(shí)踐意義；文獻(xiàn)[1]提出一種基于51單片機(jī)的智能搶答器實(shí)現(xiàn)了八路搶答，但不具備計(jì)分功能故僅能單次使用；文獻(xiàn)[4]提出的八路搶答器具備搶答、作答兩階段的倒計(jì)時功能和相應(yīng)報(bào)警電路，但不能通過硬件直接修改搶、作答時間；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的搶答器具備對答題者進(jìn)行評價(jià)的計(jì)分系統(tǒng)，但不能手動設(shè)置選手分?jǐn)?shù)，在出現(xiàn)誤操作時必須重啟電路，且缺少實(shí)物驗(yàn)證。

文章提出一種基于51單片機(jī)的復(fù)雜功能八路搶答器：具備搶、作答兩階段且時間均可調(diào)；增加設(shè)置按鈕，可根據(jù)選手答題情況進(jìn)行分?jǐn)?shù)修改并鎖存；具備復(fù)位查分功能，能夠隨時回到初始狀態(tài)并顯示選手得分；添加報(bào)警電路，能夠在答題開始以及作答時間結(jié)束時，進(jìn)行指示燈和蜂鳴器的雙重報(bào)警；電路通過proteus仿真并焊接了實(shí)物。

1 整體設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)的核心控制是51單片機(jī)，CPU的型號為STC89C51；可同時支持8名選手參與比賽，對應(yīng)8個搶答按鍵K1 ～ K8；主持人控制電路按鍵有5個。分別是：開始/暫停鍵、設(shè)置鍵、加鍵、減鍵、復(fù)位/查分鍵；搶答器具有定時搶答功能，系統(tǒng)默認(rèn)的搶答時間為30秒（搶答時間可以修改）。當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，定時器進(jìn)行倒計(jì)時，進(jìn)入搶答環(huán)節(jié)。搶答器對搶答選手號碼具有鎖存顯示功能。系統(tǒng)進(jìn)入搶答環(huán)節(jié)后，第一個搶答的選手編號將被鎖存顯示。即選手按搶答鍵后，搶答器鎖存選手編號，蜂鳴器發(fā)出聲響提示，LED指示燈亮，并在顯示屏上顯示選手編號與答題時間；搶答器具有答題限時功能。選手搶答成功后，進(jìn)入答題限時環(huán)節(jié)。此時主持人按開始鍵，進(jìn)入答題限時環(huán)節(jié)。系統(tǒng)默認(rèn)時間是60秒（可通過設(shè)置，修改答題時間）；搶答器具有給選手成績加分、減分等操作的功能。參賽選手在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，在答題限時內(nèi)進(jìn)行答題，最后，主持人根據(jù)答題情況對選手進(jìn)行加分或者減分操作；搶答器具有對選手查分的功能。在默認(rèn)狀態(tài)下，按查分鍵，系統(tǒng)進(jìn)入逐屏顯示每路選手的得分情況；搶答器具有搶答時間、答題時間和加減分分值修改功能。在系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)下，按設(shè)置鍵，再按加鍵或者減鍵，能修改當(dāng)前狀態(tài)下的數(shù)據(jù)；通過電池盒供電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體電路

總體電路包括主持人控制電路、選手搶答電路、報(bào)警電路、顯示電路、晶振電路、復(fù)位電路。采用內(nèi)部時鐘信號，在時鐘電路中通過外接石英晶振和電容組成并聯(lián)諧振回路[6]。為兼顧單片機(jī)運(yùn)行速度和功耗，兩電容值均選取30pF，可獲得約12M的晶振頻率。復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式，已知復(fù)位條件為在RST引腳出現(xiàn)滿足復(fù)位時間的高電平狀態(tài)。通過阻容充電電路，在上電瞬間，RST電位與VCC相同，隨后逐步衰減。衰減時間由RC時間常數(shù)決定，只需大于復(fù)位時間即可。

2.2 選手搶答電路

采用獨(dú)立式鍵盤，即每個按鍵對應(yīng)一條I/O口[5]。電路由8個搶答按鍵組成，對應(yīng)連接P1.0-P1.7，分別代表8位搶答選手。當(dāng)搶答開始后，P1口均處于高電平狀態(tài)。此時若有選手按下按鍵，P1對應(yīng)口將會下拉至地，單片機(jī)接收信號后在顯示器上輸出選手編號。鍵盤掃描采用查詢方式，在第一位選手搶答后，其他選手的按鍵將被屏蔽。

2.3 主持人控制電路

由五個獨(dú)立按鍵組成，加、減鍵分別連接P3.1、P3.0，開始/暫停鍵連接P3.2，設(shè)置鍵連接P3.7，復(fù)位/查分鍵連接P3.6。按鍵的觸發(fā)方式均為查詢方式，當(dāng)單片機(jī)接收到相應(yīng)I/O口由電平的變化時，執(zhí)行相關(guān)程序。

2.4 報(bào)警電路

報(bào)警電路由指示燈報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警兩部分組成[7]，前者通過P3.4輸出低電平，利用LED單向?qū)纯牲c(diǎn)亮。后者的蜂鳴器需大電流驅(qū)動，采用共射極BJT，當(dāng)P3.3為低電平時，進(jìn)入放大狀態(tài)，驅(qū)動蜂鳴器。

2.5 顯示電路

顯示屏采用LCD1602，RS端（數(shù)據(jù)/命令選擇）接P2.0，RW端（讀寫選擇）接P2.1，E端（使能）接P2.2，數(shù)據(jù)口D0-D7接P0端，由于P0口輸出MOS管漏極開路，需外接上拉電阻，此處選擇10k排阻。RS為低時，可對LCD進(jìn)行初始化設(shè)置，如光標(biāo)是否閃爍、寫入字符后地址指針+1、顯示清零等；RS為高時，即輸入顯示的具體內(nèi)容。本電路中，RW大多處于低電平狀態(tài)，即進(jìn)行“寫”操作。當(dāng)按鈕觸發(fā)后，單片機(jī)內(nèi)的程序計(jì)算出相應(yīng)二進(jìn)制代碼，通過P0雙向I/O口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD中，并通過對應(yīng)其內(nèi)部的ASCII碼顯示出相應(yīng)字符。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 流程圖

整個程序運(yùn)行的流程如圖2所示，能夠發(fā)現(xiàn)程序中涉及數(shù)量較多的按鍵操作。傳統(tǒng)通過硬件消抖需額外添加電路，操作復(fù)雜且成本提升。本設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件消抖，在代碼中添加延時函數(shù)，當(dāng)按鍵按下時，產(chǎn)生約15ms延時以消除抖動。

3.2 程序初始化

在單片機(jī)上電后，軟件端主要涉及的初始化程序設(shè)置為LCD1602、搶答時間定時器T0、作答時間定時器T1。上電后，LCD設(shè)置為光標(biāo)顯示且閃爍，以表示通電成功。在復(fù)位顯示選手得分時，進(jìn)行16×2的顯示（上下兩排），光標(biāo)不顯示不閃爍，第一行字符輸入完畢后指針清零以進(jìn)行第二行的輸入。T0、T1中斷函數(shù)均選擇工作方式1，即16位定時/計(jì)數(shù)器。結(jié)合外掛晶振的頻率，通過設(shè)置相應(yīng)初值，每次產(chǎn)生1s的時間，定時時間一到，倒計(jì)時將會減1，通過循環(huán)運(yùn)行和設(shè)置運(yùn)行次數(shù)，可獲得所需要的搶答、作答時間。

4 仿真與實(shí)物驗(yàn)證

電路通過在Visual Studio Code進(jìn)行C51代碼的編譯與調(diào)試，較之傳統(tǒng)Keil的編譯模式，Visual具備更加強(qiáng)大的代碼糾錯和擴(kuò)展能力，通過添加C51擴(kuò)展程序生成.hex文件。在proteus 8中繪制出相應(yīng)原理圖，并進(jìn)行仿真，電路所有功能均正常運(yùn)行。購置相應(yīng)電子元器件后焊接出實(shí)物，并將程序燒錄至51單片機(jī)中并成功運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。圖3為部分仿真結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文所提出的基于51單片機(jī)的復(fù)雜功能八路搶答器，經(jīng)過實(shí)際電路焊接后的調(diào)試，功能均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，適用于靈活多變的應(yīng)用場景。除了傳統(tǒng)搶答器具有的限時搶、作答功能，額外增加了報(bào)警電路、設(shè)置電路（可修改限時時間，選手得分）、復(fù)位查分電路（可重復(fù)使用，鎖存顯示所有選手得分[8]） 。較之當(dāng)前市面的大多數(shù)搶答器，本設(shè)計(jì)具有硬件電路簡單、實(shí)用價(jià)值高、功能完整等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】