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智能搶答器電路控制板開發


搶答器作為一種電子產品,已被人們所熟知并廣泛應用于各種智力知識競賽。通過搶答器的指示燈顯示、數碼管顯示和警示揚聲器等手段,能準確、公正、直觀地判斷出優先搶答者。但是,目前使用的搶答器大多數為分立式元件設計,成本較高,隨著科學技術的發展和普及,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設計出全集成電路的多路搶答器。

一、智能搶答器整體方案設計

本智能搶答器以AT89C51單片機為控制核心,由復位電路、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,當倒計時為0時禁止搶答。在搶答時間最后5S倒計時時,系統每1S報警一次。參賽選手在設定時間內搶答有效,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,鎖存相應選手的參賽號碼,并在LED數碼管上顯示,同時揚聲器發出警鳴聲提示。其他按鍵者將不能響應。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”,系統會進入準備狀態,進入回答問題的倒計時。

二、智能搶答器硬件電路設計

系統的硬件電路由AT89C51單片機、8同相3態緩沖器/線驅動器74HC244、共陽極LED數碼管、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口為數碼管的段選口,P2口為數碼管的位選口。P3口為主持人按鍵設置和連接揚聲器。

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公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機,與MCS-51產品指令系統完全兼容,具有128×8字節內部RAM、32個可編程I/O口線?、2個16位定時/計數器和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,可靈活應用于各種控制領域。

2.2復位電路:復位電路采用的是按鍵電平復位方式,復位按鈕按下,產生高電平的復位信號送入9腳。電解電容充電放電使得復位高電平信號持續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位。程序從頭開始執行。

2.3時鐘電路:本設計中采用內部時鐘方式。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(內部時鐘方式),石英晶體和電容構成振蕩回路,產生時鐘送至單片機內部各元件。

2.4主持人按鍵電路:該智能搶答器共設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“犯規減分鍵”,其對應的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,對應的P3.0口變為低電平“0”,這樣P3.0口就從高電平變為低電平。所以只要在程序中判斷I\O口的狀態即可知道哪個按鍵處于閉合狀態。

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。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數碼管,該電路為動態顯示方式,動態顯示器可以節省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連接數碼管段選信號口,74HC244是8同相3態緩沖器\線驅動器,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路斯密特觸發器,其耗電量低、速度快,可將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號。數碼管左邊兩位(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。

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”,報警電路發生報警,提示主持人有參賽選手發生搶答;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,發射極接揚聲器的另一端。單片機的P3.7口負責發聲電路,當P3.7口為低電平時候,即三極管的基極為低電平,三極管導通,揚聲器工作,從而完成發聲電路。P3.6口通過發光二極管接揚聲器一端,揚聲器和發光二極管之間接+5v電源。當P3.6口為低電平時,發光二極管導通,則二極管亮。

三、智能搶答器系統程序設計

3.1主程序:在主程序中首先要對控制系統進行初始化,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,則執行倒計時子程序和顯示程序,并調用正常搶答子程序,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,則當倒計時剩余5s時,觸發報警程序,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,使其產生05ms的中斷。CPU響應中斷,執行中斷程序,使鍵盤每隔0.5ms掃描一次,這樣實現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”設置為15s,“回答時間倒計時”設置為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,并在數碼管顯示,再判斷到倒計時是否結束到0,沒有到繼續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,系統自動進行15s倒計時,數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,數碼管高兩位顯示搶答選手的編號,并且數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,六位數碼管則顯示“000000”。如果發生搶答,數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,表明有犯規現象,這時主持人按下“減分鍵”,該犯規選手則被扣分,數碼管的低兩位顯示犯規選手剩余分數。

總結

基于51單片機的智能搶答器具有結構簡單,功能強大,智能化程度高,故障率低的特點。經過系統調試運行,可廣泛應用于各種知識競賽搶答場合。

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