多路竞赛数字抢答器

抢答器是一种为比赛选手答题时专门设计的一种优先器电路被大量使用在各类比赛活动中。早期我们比赛中常用的抢答器在设计上大部分都是由一系列的数字电路组成的，然而这种数字电路，不仅在设计上十分复杂，它的准确性和稳定性也很难保证。同时，成品的体积大，和使用等各个方面都是不利的。而设计的这款以51单片机作为其逻辑控制的抢答器，则有效地避免了这一些列的问题。近年来，因单片机研发水平和内部构造的提升，它所涉及的使用频率、生产模式也在迅速地加强，尤其在工业生产和家用电器等方面，单片机更发挥了独特的优势。笔者所设计的抢答器，利用STC89C51单片机作为其控制器实现了抢答的功能同时操作方便易于人们接受。：抢答器单片机STC89C51Responderisaspeciallydesignedforyersansweraprioritydecisioncircuit,iswidelyusedinallkindsofcompetitions.Earlygame,weusedtheresponderinthedesignmostlyconsistsofaseriesofdigitalcircuits,howeverthiskindofdigitalcircuit,notonlyinthedesignisverycomplicated,itsaccuracyandstabilityalsoisdifficulttoguarantee.Atthesametime,thevolumeofthefinishedgoods,transportationanduseofthevariousaspectsareunfavorable.Thedesignof puter51astheresponderthelogiccontrolcore,caneffectivelyavoidthesequestions.Inrecentyears,duetoupgradingofSCMR&Dlevelandinternalstructure,itinvolvestheusefrequency,modeofproductionalsoinquicklytostrengthen,especiallyinindustrialproductionandhouseholdappliances,suchasthemicrocontrollerhasyeduniqueadvantages.TheauthordesignstheresponderusingSTC89C51MCUasthecorecontroller,realizingtheresponderfunction,andsimultaneously,theoperationisconvenient,andiseasytobeacceptedbypeople.: 前 绪 设计相关背 选题目的及意 国内外研究现 抢答器的设计概 系统设计依 设计要 硬件设 单片机控制原 功能模块电 程序设 设计思 程序流程 系统软件的设 编译软件- 制图软件-Pro...................................仿真软件- 调试及故障分 程序调 硬件焊接及故障分 致 附 绪论设计相关背景，抢答器作为应用很广泛的一种设备，在多种不同的竞赛中，抢答等场所中，能够迅速并客观的辨别出哪位选手最先获得的发言权。不管电视，还是军队当中,都是经常会举办多种多样的竞赛,那自然会用到答题的抢答器。但如果让答题者用举手或其它的方法来进行答题仅靠视觉来辨别，会很容易导致误判，对抢答者也是非常的。在比赛场合中，为了更准确直观公正的辨别出首位抢答者，所以设计的抢答器普遍靠灯光、音响、数码显示等一些表明首位抢答者。为了使这种不发生，那就由高度准确性的电子产品来保障抢答者的公平公正性。初期的抢答器仅靠几个三极管、发光管、可控硅等构成，辨认抢答选手的号码凭靠发光管的指示。然而，目前为止，大部分的抢答器都是由数字集成电路、单片机所构成，同时，功能上面也有了很大的进步，例如，选手的得分显示、选手的号码显示、抢答前或抢答后的计时功能等等诸多功能。，本设计通过STC89C51单片机以及的接口实现抢答的控制系统并且通过单片机的定时器的计数和定时的原理，为了系统能够正确的进行计时功能，把硬件和软件有效的结合起来，同时数码管能够正确的显示选手的编号和时间。键盘的输出用轻触按键，扬声器发出提示。系统达到要求：在抢答中，抢答有效的条件为按了开始键，但是假设在按开始之前，有抢答者按键，则均视为规则，器的同时，选手的编号会显示在数码显示管上。抢答的时间和回答问题的时间都是可以自行的更改；选手的抢答是否有效也均有显示；抢答时间的倒计时显示和回答问题时间的倒计时显示。当计时停止时，如果没有抢答者抢答，或者抢答者并没有答题，系统将自动复位。选题目的及意义对本次抢答器的设计，我掌握了51单片机的原理，了解简单抢答器的工作原理。初步的掌握了抢答器调整以及测试的方式，提高了自己的手动实践能力和排除故障问题地能力。同时通过本次设计的装配、调试，加深了学习过的知识，建立了实践的结合和单片机的理论，明白了抢答器的各个单元电路之间的关系和彼此的影响，能够正确的设计和计算定时的单元电路。国内外研究现状随着我国电子市场快速发展业内企业对其相关生产技术的应用和研发的关注也逐渐提高。技术工艺也成为了判断一家企业是否具备前沿性，是否能够突破目前竞争激烈的市场的重要依据所在。对于国内外抢答器生产技术的主要研究方向、工艺流程、技术应用及科技发展趋势的了解，有利于企业提升产品技术规格，更是提高市场竞争力十分主要的因素。目前来说，市面上的抢答器品牌繁杂，功能各异，价格也不尽相同。因此，选择一款真正适合消费者的抢答器十分必要。市面上的抢答器大体有两种类型：一种电子抢答器，另一种为电脑抢答器。电子抢答器将数字电子集成电路作为其主要构造，主要的搭配配件为，语音记但抢答过程中是无记分显示屏的。第二种的语音记分抢答器的主要构成元件为抢答器的主机、主显示屏和专门为选手记分的显示屏，具有记分等功能。当学校或企事业单位举行简单的活动时，通常都用电子抢答器记分。电脑抢答器也可以分两种类型：一种是无线电脑抢答器，另一种是有线电脑抢答器。无限电脑抢答器的构成，是一个主机和抢答器的软件、一个无线按钮。利用电脑和投影仪的配合，活跃比赛现场的气氛，电台等大型的活动中通常选择无线电脑抢答器。相同的，有线电脑抢答器也同样是通过它们的配合，再通过专门研发的匹配软件帮助，完美的呈现了现场活跃紧张的抢答气氛。作为一种便捷的电子产品抢答器已经在各种趣味活动和竞赛场合中广泛应用，但根据笔者，目前市面上的抢答器在应用方面仍存在一些缺点。例如一部分抢答器电路设计复杂在生产方面具有较度实际应用型较低；还有一部分抢答器选择的制作材料为集成块,集成块数量较少，不易获得，这类难题又加大了抢答器生产上的难度。通过，我利用平时学习到的知识，制造了此款八路智能抢答器，其选择的元件普通,易于，价格合理，十分有效地地解决了在制造和 方面的难题。抢答器的设计概述系统设计依据抢答器对我们每个人都不陌生，它被广泛应用于各类比赛活动，能帮助参赛者最快获取主动权，真正实现先抢先答。我所设计的这款抢答器主要由计数器、寄存器、集成定时器和译码显示等组合构成。主要分为抢答，定时，电路三大部分。每个部分的电路分别处理在抢答竞赛中出现的不同问题。一方面，它的控制为51系列单片机STC89C51，此单片机运行控制、识别信息以及显示功能方面有巨大的优势。因为其控制的为单片机，成熟的技术使得该抢答器在应用上更加快捷高效。另一方面，因其只用了少量的辅助电路，所以在控制和运行方面速度大大提升。整个系统编程性十分灵活易操作，扩展和更改设备功能方面具有十分大的优势。单片机的高集成电路性的特点，使笔者设计的这款抢答器运行速度达到最佳，大大提高了工作效率。设计要点根据控制系统的工作原理和执行装置，可以将系统设计分为硬件部分、软件部分。硬件部分，包括了编写电路的原理图、合理的选用元器件和焊接各中元器件，然后对硬件性能进行调试、测试，从而达到设计的要求。软件的部分，首先，在开始设计之前，我们要先确定各个功能的模块，再完成系统的总体框图，然后接下来具体的进行设计，包括选择合适的编程语言，各个模块的流程图和软件的应用程序，进行编程设计等等。最后是通过软件对程序进行调试、测试，以及仿真，以达到性能的最优化。下面为这款抢答器的软硬件设计思路。在软件的选择过程中，能否有效利用有利的开发环境是取得成功的关键。此款抢答器因其应用的是51系列单片机，所以笔者选择了KeilC语言来操作。和其他的汇编语言比较起来，KeilC语言系统化高、对多种程序普遍使用，而且具有较高的可移植性。在设计此款抢答器的软件时，笔者采取了系统模拟化的程序设计方法，首先先将各个功能模块子程序编写出来，不断的整合处理，在调试完毕后就开始仿真测试，看是采用结构化系统设计方法设计了硬件电路，它能确保抢答器整个运行过程的合理和高效。在研究的过程中，选择能够合理控制的单片机，同时选定合适的外围是设计抢答器最关键的部分，她使整个机器设计合理，运行高效。在设计硬件电路时，焊接元器件前要画出详尽的电路设计图，同时标出个各个关键元件，最后根据所画图不断进行实验和调试，如果发现问题和隐患应该马上找出问题，不断修改。硬件设计单片机控制原理所谓的单片机，就是单片微型计算机的简称。它是在一块上集成了随机器RAM、处理器CPU、只读器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器，通过一系列的组装，构成的完整的微型计算机。它的优点有，体积很小，所以它能被能够被安装在某个仪表的内部，但另一方面，正是因为其体积较小，所以其量不高，使得输入输出的适配器也较简单，功能并不十分完善。总的来说，笔者通过单片微型计算机系统设计的此款抢答器，在使用的过程中，算各个参赛选手按住按钮抢答的时间相差微秒，抢答器也可以准确的判断出最先的抢答选手。STC89C51是一种高性能、低功耗CMOS8位的微控制器。在上，系统能编程Flash8CPU，所以，嵌入式的控制应用系统中，STC89C51提供灵活且有效的解决方案。功能为：8kFlash32I/O口线，512RAM，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，一个62级中断结构，三个16位定时器/计数器，全双工串行口。STC89C512种软件选择节电模式，可以降至0Hz静态逻辑操作。空闲模式是在CPU停止工作的时候，允许RAM、串口、定时器或计数器、中断继续工作。STC89C51的主要特性：·内置标准51内核·工作频率范围在·RCFlash·内部器为·316位定时器/计数器·通用异步通信口：1·中断源：8·I\O口：32\36个。·工作电压：3.8V--5.5V等。单片机的最小系统：单片机、必要电源、时钟、复位等部件。单片机能够运行的最基本条件，电源、时钟等电路将最小系统作为应用系统的部分。同时，为了使其能够完成各项复杂的工作，应对其器、A/D展开扩展。ROM/EPROM构成的最小系统既简易同时也具备较高的稳定性，因为其集成线路的限制它的最小应用系统只能作为一些小型的控制单元们应用，在采用STC89C51单片机构成最小应用系统时，接上复位、时钟电路便可以正常运行。功能模块电路抢答按键电路的设计选手抢答时的按键引脚为89C51P1口。18号分别为每一个抢答选手的编号，抢答选手按下抢答钮时，P1.0P1.7轮流输出低电位，P1口各个端口的电平变化从P1口输入，经由单片机处理后从P0口输出，抢答选手的编号开始显示。图1所示原理图：单片机判断8个抢答按键中的哪一个的抢答，通过当前输入P1.0～P1.7的值辨别。开关S1断开时，端口输入为高电平，相反，输入为低电平的条件为S1闭合时。设备运行时，经常会出现一种状况，就是触点的逻辑电平不稳定，发生这种情况的原因主要是，按键的触点在闭合和断开时都发生了轻微的抖动，这种抖动如果不及时处理，就会使按键命令反复操作或执行命令出现错误。在制作过程中，为了将这种抖动降到最低，笔者使用了当下最常用的软件延时的办法来解决，延时的时间通常>5ms，比如，我们设为15s附近。如果程序中的读键操作安排在主程序或键盘中断的子程序中，那么这个延时子程序便就可以直接插入读键的过程当中。如果设在定时中断子程序里，这样专门的延时子程序就可以直接被略去，可以通过两次定时中断时的时间间隔来完成抖动处理。1抢答模块原理图显示电路的设计2所示是共阳数码管和驱动电路。该电路里包含显示和驱动两部分，显示部分主要由数码管，驱动用P2口，犯规者号码、抢答设置30秒倒计时、正常抢答者的号码计时60秒倒计时组成，数码管动态显示。驱动电路P2口，查询显示程序利用P0口做段选码口输出P24位做位选码输出，当为低电平时，能驱动数码管显示各种数字。同时，为了确保设备能够正常的压降，我们需要在在+5V电压下接上1k的电阻。显示的功能主要与硬件关，在我们把硬件确定下来之后，我们要尽可能多的提供一系列数据信息让操作者尽快熟悉该系统，为了熟练的操作，我们要更加倾注于软件的设计方面。笔者所设计的抢答器是利用七段数码管作为其显示的仪器，在选择显示仪相对动态显示较稳定，它在程序的编写上十分容易，但美中不足的是是其占用但却占用了极少的端口资源。笔者根据此款抢答器的具体特点和操作实际综合考虑，最终选择了动态显示作为其显示的方法。数码管的显示，是通过查表法，其中P0口为字型码输入端，P24位为字选段输入端。查表后将字型码送给7段数码管显示的数字，4位七段数码管显示电路如图所示。图2中，数码管采用的是4位七段共阳数码管，其中A~H段分别接到单片机的P0口由单片机输出的P0口数据来决定段码值位选 2、4分别接到单片机的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7，当前该显示哪一位由单片机来决定。P0口的上拉电阻由图中81K的电阻连接在P0口上，用来保证P0口没有数据输出时候处于高电平的状态。2共阳数码管及驱动电路蜂鸣器电路设计通过控制不同频率的矩形脉冲来控制蜂鸣器。抢答开始后，抢答的时间结束回答的时间结束都有提示抢答器电路设计如图3所示。此处用到了单片机的P3.6脚，交替变换的波形输出驱动蜂鸣器是通过单片机内部定时器的操作实现的。3蜂鸣器驱动电路P3.6接三极管的基极输入端，当P3.6输出低电平“0”时,三极管即刻导通，蜂鸣器通电并发出声音。当P3.6输出高电平“1”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。本设计当中，当回答问题的时间不足10s时，子程序开始。程序设计设计思想在设计此款抢答器的过，笔者将软件和硬件综合起来，多方面考虑，把硬件的各种功能和软件的各项任务一一确定，最后再实际操作焊接实物，得以完成这款抢答器的设计。在软件设计环节，笔者先是为整体的设计流程做出详尽的规划。软件的功能分为两种，一种是执行软件，它主要帮助整个系统完成各项实际工作，例如，分析，测算，印刷，输入和传递信息等，第二种是软件，它被用来协助各个子模块和设备操作者的协调合作，它的主要角色是统筹调度整个设备。在设计方面，这两种软件各有千秋，都有利于整个系统的顺利运行。我们在对软件的任务进行具体的分析时，需要把各个执行模块一次排列出来，并为其进行功能定义和接口定义。在对他们定义的时候时，需要把相关的数据结构和相关问题考虑好。完成准备，接下来对程序进行监测。监测的第一点，选择合适的程序结构，由系统功能和键盘设置决定的。相比较而言，执行模块时我们的目的单一，相对较为容易，而程序比较复杂，十分容易出现。、此款抢答器设计时包含的功能子程序主要为：查询程序抢答处理程序、INT0（调抢答时间、INT1（调回答时间、倒计时程序、正常抢答处理程序、犯规抢答程序、显示程序、程序、T0溢出中断(响铃程序)、T1溢出中断(计时程序)。对于抢答器来说，最的设计思想和功能都在软件中得以体现，在编写程序时，我们要思路严谨，心思缜密，避免不必要的造成功亏一篑。同时，在整个设计流，单片机的I/O口和外设被广泛的涉及，因此要求我们能熟练地掌握单片机的4个I/O口的功能和单片机的程序执行周期等等多种基础知识。、程序流程图主程序流程图4，在正常工作的情况下，该抢答器率先初始化控制系统，对键盘进行扫描，判断参赛者是否按下了“抢答”按键，如果按键没被按下，系统自动开始执行抢答查询子程序；当按下开始抢答键，即刻执行倒计时子程序和显示子程序，并按照正常抢答处理子程序。其中倒计时程序包括抢答倒计时和回答倒计时。需要注意的是，一切控制系统开始正常工作前一定要进行初始化设置，确定其他应用程序后，要协调各程序相互的关系，为了使子系统能正常的进行运行，从而将程序进一步优化。开始开始初始化选手抢答？否是否是显示组号回答时间倒计时超时并超时并复4主程序流程图时间调整子程序流程图P3.2对应键的按下，便进入INT0中断过程。通过对P3.2（1s）P3.3（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间的进行调整。当发现P3.2按下，就对原抢答时间加1s；当发现P3.3下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。另外，在中断的过还需要对停止按钮进行查询，一旦发现其按下，立即中断返回。由于本中断过程在返回前一直是循环执行的，因此，只需要在每次循环末查询一次即可。抢答时间调整程序框图如图5所示：INT0INT0Y停止键按N中断返回显示当前抢答时Y按NN按NYYNY5时间调整子程序流程图系统软件的设计编译软件-Keil是非常优秀的软件，在多数的单片机应用开发软件当中。它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持汇编和C语言的程序设计，本次设计使用它作为C编译器，使用方法如下：首先建立一个工程，然后将C程序文件添加到工程下编译，设置生成并输出HEX文件，若有错误之处，还要对其进行调试。制图软件-PCB电路板的设计流程：设计原理图4所示。定义元件封装在原理图设计全部完成后，元件的封装也可能遗漏或有错误。在此，我们要重点注意，某些元件可能是使用者自己设计，对于这种特殊元件，一定要由使用者自己对元件的封装进行定义或者修改。PCB图纸可以设定PCB电路板的结构及尺寸，板层数目，网格的大小，通孔的类型等等，可用系统提供的PCB设计模板，也可手动设计PCB板。生成网表、加载网表网表是电路原理图和印刷电路板设计的接口，只有将网表引入PCB系统后，才能进行电路板的自动布线。布线在确定了布线规则后，需要先自动布线，然后在手动对需要改进的地方进行调整。如果某部分原件很少，且布线简单，也可以直接用手操作，进行布线。仿真软件-Proteus作为一款常用的与Keil并行使用的仿真软件，是完成本次设计的重点，也对硬件的搭建提供了连线依据。Proteus的操作很容易，在库中，只要找到相应电路所需的元器件，然后放置在原理图纸上，再用导线连接得以完成。在选用元件后，可以在原理图纸上双击某元件，更改它的属性。此次设计当中如要加载程序文件，因为使用了单片机。由于已经生成了所需要的HEX文件利用KeilC，直接加载即可。这时就可以运行仿真了。但是，最后尽量要检查好电路的在进行仿真之前，运行一定要再确定正确之后，以免运行结果与实际设计的不符。仿真图如图6所示：6Proteus仿真图调试及故障分析程序调试程序调试：需要分步调试，要对所有子程序进行编译，再将整个程序全部编译，生成HEX文件加载到单片机上进行仿真。出现错误和警告时要进行分析，解决问题。仿真分析：当启动后，数码管显示H-30当按键，开始抢答，时间即刻倒计时，抢答者有30s的抢答时间。如果有选手抢答，会显示选手编号并且有60s的回答问题时间，需再次进行按键方可答题，当答题时间倒计时10s时，蜂鸣器则会一直间断性响提示音。，如果第一位抢答的选手没有回答问题可以再次按键，其他选手继续抢答，同初次抢答一样，抢答的时间为30s，答题时间为60s。，如果没有人抢答，抢答时间达到0时，蜂鸣器响提示音，抢答时间过后抢答器会自动进入复位状态，可以进行下一轮抢答。如果开始键未按下，有抢先回答问题的选手按下了抢答键，那么该抢答者属于抢答犯规，需重新复位。这与预期的效果是一致的。硬件焊接及故障分析常见故障大量的元器件和导线的连接形成了电子电路，而每个元件和导线的是否完好，连接的是否正确，都可能会导致故障的发生。有的复杂麻烦的故障是多种原因引起的而成的。下面几点就是一些常见的故障：电路的基本组装有错误或连接的不紧密牢固，导致实际的电路与原理电路不一致。电路元器件本身不是完整的或者是已经损坏的，的损坏尤为常见，其次便是电容的击穿、短路以及电阻的阻值与标称值不相符合。因此一定要进行严格的检查再电路组装之前，若没有进行检查，当电路组装完后，再查找错误原因会非常麻烦。各仪器连线是否正确，是否与电路共地；仪表的使用是否得当。若以上检查都正确，那么要考虑电路的设计，这也是实验中常常遇到的问题。硬件焊接关于硬件的焊接，要严格按设计的原理图进行电路搭建。在此 定要专心细心，否则焊接的过程非常容易跳错线。实物如图7所示。当实物电路搭建好以后，要再进行一遍检查，然后再进行上电检测。在硬件的制作中，下面出现了一些问题，但经过检查后很快的解决了：当接通电源后发现数码管没有显示。经检查后发现单片机的29脚悬空未接，实际应接在高电平上，这是单片机正常工作最起码的前提条件。单片机不进行工作。判定振荡电路不起振，其原因是用跳线将振荡电路连在了远离单片机的位置，影响了振荡电路的稳定。键盘的其中一个工作不正常，经检查后发现是虚焊。7抢答器实物焊接图结论本次研究设计的是多路竞赛数字抢答器，该抢答器由简便易得的电子元器件所构成，利用STC89C51单片机，及接口实现强大的系统，将软、硬件有机的结合起来，抢答器从而达到执行抢答的目的。在设计抢答器的实际操作中，我根据以往所学的理论知识，同时也与老师和同学探讨，借助了很多的资料文献，通过不断探索，实践操作，完成了此次毕业设计。在过去四年的大学学习中，我收获了很多知识，多数是通过书本所得，但是在这次的毕业设计操作，我学会了如何将的知识转化为实践经验，把握设计的要点，遇到问题坚持不懈的解决，并且做到活学活用。当然，再这次的设计过，我有很多错误的经验和不足之处，个人觉得在硬件的设计方面完成的较好，但是软件设计中的功能还不够完善。今后的生活中，我也会更加努力的学习，严格的要求自己，努力将这次设计做到最好。参考文献[1],单片机的原理与接术[M].:电子工业[2],微型计算机原理[M].西安:西安科技大学[3]纪宗南,单片机器件使用手册[M].:航空航天大学622-[4]余永权，单片机在控制系统中的应用[M].：电子工业，2013.[5]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M]：航空航天大学，2010.[6]唐俊翟,单片机原理与应用[M].：冶金工业[7].MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接术[M].北京航空航天大学，2010.[8]陆坤,奚大顺,李之权等,电子设计技术[M].:电子科技大学[9]胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].：京电子工业，2005.[10]林凌,李刚,丁茹,李小霞，新型单片机接口器件与技术[M].西安:西安电子科技大学,2005.[11]李朝青主编,单片机原理与接术[M].航天航空大学[12]主编,单片机应用与设计[M].航天航空大学邹逢兴编著,计算机硬件技术基础实验高等教育马忠梅等.《单片机的C语言应用程序设计》:航空航天大学出版社，1997.赵阳.电磁兼容工程 [M]．：机械工业，2009.[16]ItalianConferenceonSensorsandMicrosystemsDiNatale,C.Proceedingsofthe7thItalianConference:sensorsandBologna, Italy,4-6February2002[M].Singapore;RiverEdge,N.J.:WorldPowerIntegrationsTOPSwitch-HXProductApplicationGuide[J]．BehzadRazavi.DesignofogCMOSIntegratedGuiyunTian.FoundationandApplicationofHuHuiPrinciplesandApplicationsDesignBeijing:WaterPower致谢本次毕业设计是在我的指导老师孟老师的悉心指导和教授下完成的，从最初的选题、构