基于单片机的多路抢答器设计

目录I绪论研究背景随着人们生活水平的提高，我国已进入到全民教育时代，学习不再是少数人的事，而是每个人都必须要面对的问题。然而，在我国学习过程中存在着一个现象：学生喜欢在老师的讲解下学习，而不喜欢自己独立思考和学习，这种现象在一定程度上影响了教学效果。同时，由于我国教育资源分配不均，导致许多地区无法接受到优质的教育资源，因此各地区教育水平存在着较大差异[1]。在我国社会中广泛应用的抢答器基本上都是依靠按键来控制抢答进度的。传统抢答器采用单片机作为控制核心，由于其价格昂贵、体积较大、使用不方便等缺点而逐渐被淘汰。但是单片机虽然具有价格便宜、体积小、使用方便等优点，但是其性能并不完善。随着科技的发展与社会进步，人们对抢答器提出了更高的要求。在人们对抢答器性能要求不断提高的同时，也促进了对抢答器控制方法的研究。目前比较流行的控制方法主要有两种：一种是采用单片机作为控制器，另一种是采用单片机和其它功能模块相结合。本文针对目前传统抢答器存在的问题和不足之处，提出了一种基于单片机控制的多路抢答器设计方案。该方案采用STC89C52单片机为控制核心来实现对抢答器的控制和管理，由于采用了STC89C52单片机作为控制核心可以使系统具有较高的可靠性、稳定性、准确性和实时性。本课题设计一个以STC89C52为控制器的多路抢答器电路系统，同时该系统还可以实现多路抢答功能[2]。论文的目的和意义抢答器是一种用于判定是否有人先一步抢答的电子设备。由于其能够根据讯息的传导，对抢答成绩作出判定，因而被广泛用于文娱类比赛，如知识竞赛，智力抢答等。伴随着时代的发展与技术的飞速发展，原有的有线抢答器已经暴露出许多弊端，比如接线复杂、受空间的制约等等。因此，有必要研制出一种能同时满足上述要求的手机，即无线手机抢答器。在有线抢答的前提下，将消息的传输由一个无线收发模块完成，从而使抢答器不需要与电缆相连，并且具有布局灵活、快速的特点。因此，开发一款多向无线抢答系统就显得十分重要。此外，如今的选拔活动和竞赛比赛等活动越来越多，经济实用、操作方便、性能良好的无线抢答器肯定会有很大的市场，因此，无线抢答器有着很大的市场潜力，具有一定的现实意义[3]。课题的发展概况当今社会是一个信息社会，信息的传送和获得已经逐步从有线技术向无线技术转变，伴随着无线传输技术的不断发展，无线技术已经被更多的人所熟知[4]，与此同时，无线技术也已经融合到了很多行业的产品当中。而在实际比赛中，用来代替裁判的抢答设备也必须跟上时代步伐。于是，将其与无线传送技术相融合，自然而然就诞生了，而无线多路抢答也在向着更加方便，更加快速的传送的方向发展。目前，国内外对抢答器的研究主要有以下几个方面：（1）按下抢答器抢答键时，抢答器控制电路首先要进行扫描，然后由程序判断是否为抢答按键。如果抢答按键的有效时间内没有人抢答，系统就会发出提示信息，提示人们进行下一步的操作[4]。（2）当有人按下抢答器上的抢答键时，系统首先会判断是否为抢答键按下，如果是则系统就会发出提示信息，提示用户进行下一步的操作。如果不是则系统就不会进行相应的提示信息。（3）当用户按下抢答器上的抢答键时，系统会自动对当前的时间进行计时，然后根据用户所按下的时间来确定是否开始抢答。如果用户在规定的时间内没有抢到答题，系统就会发出提示信息告诉用户抢到了吗？需要重新再抢答一次。（4）在对抢答器进行控制时，有两个主要的部分：一个是对系统进行控制的核心部分，另一个是对抢答按键进行控制的部分。但是目前我国在这两个方面都存在着较大的不足，因此在这两个方面上还需要进一步提高[5]。在对抢答器进行研究时，主要采用了单片机控制方法和软件控制方法两种。单片机控制方法是采用单片机作为核心芯片来实现对抢答器进行控制，由于单片机具有价格便宜、体积小、使用方便等优点，因此得到了广泛应用。但是单片机在某些方面还是存在着不足之处：一是如果在某一次考试中有人没有抢到题的话，他就会对该考生产生不好的印象；二是如果抢答器出现了故障的话，人们不知道该如何操作；三是如果有多个用户同时抢答的话，会导致系统出现混乱[6]。论文的研究思路首先要对目前市场上的几款多路多道机有一些认识，然后按照任务书上的要求去做，把所有的多道多道机都做出来之后，再选择最适合自己的一款去做。本设计需解决的主要问题（1）单片机芯片的挑选；（2）选手电路和主持人电路的设计；（3）能显示倒计时时间和设定时间的数码管的实现；（4）定时控制要求在定时结束时蜂鸣器能够进行自动提示。无限多路抢答的基本功能和总体方案无线多路抢答器的运行和过程介绍本文介绍了一种基于STC89C52的无线多路抢答系统，并对其进行了详细的分析。其工作运作流程是：首先，利用USB数据线对选手电路和主播电路进行供电，当开启电源开关后，指示灯会变成红光，并且蜂鸣器会鸣响提醒。在数字大厅里，还会有一个数字大厅，里面有一个数字，这个时候，参赛者的动作就会被传送到主持人的STC89C52单片机那里，然后做出相应的反应。整个比赛流程是这样的：首先，在主持人按下“起跑”按钮后，数字显示屏上会出现一个数字，然后，参赛者就可以进行比赛了。当有一名参赛者抢答成功时，数字管会出现对应参赛者的号码，并会进入倒计时，而在倒数5秒的时候，会有一只蜜蜂发出警报。第一次竞答结束后，司仪会再次点击“重置”按钮，进入下一次竞答[7]。无线多路抢答器的功能设计在此基础上，提出了一种新的多通道抢答系统，该系统具有如下功能：定时设定，重置，倒计时，违规提示等。设定时间：当您想要设定的时候，请点击设定键。当你第一次点击设定按钮时，屏幕上就会显示一个“A”，然后进入一个倒计时，然后你可以点击重置按钮，也可以点击重置按钮，也可以点击重置按钮。设定好后，在数字管内的数字上显示一个“B”，并显示出正确的答案，其加法与减法是相同的。当您完成设定后，请再次点击“重置”按钮[8]。重置：在第一次抢答结束或计时结束后，点击重置按钮，再次点击重置按钮，再次点击重置按钮，即可进行下一次抢答。倒数功能：当主播按下按钮，抢答时间将自动进行倒数。若有参赛者按下抢答键，则数字管将会出现参赛者的号码，并将答案进行对应的倒计时，并在倒计时结束前5秒钟响起铃声。警告：当参赛者点击了第一个回答键后，参赛者没有按下第一个回答键，就会被认为是犯规，数字屏幕上会出现“FF”字样和参赛者的号码，并会有警告声。无线多路抢答器总体方案设计总体系统框图设计本论文所实现的无穷多路径抢答程序由两个模块组成。第一个是从机电路，这个电路中包含了很多的从机电路，这些从机电路中的节点可以根据需要进行调整，每一个从机电路中都包含了一个主控电路，一个显示电路，一个供电电路，一个键盘，一个无线收发电路。第二个是支撑人的主控板，这个主控板包括了主控板，显示板，电源，键盘，无线收发器等[9]。总体框图如图2-1所示：图2-1系统总体框图系统方案的选择电源的选择方案一：USB供电优点是安全简便，基本上每个家庭都有USB供电线。方案二：电池盒供电缺点是比较浪费，同时电池的废弃会造成环境污染。综上分析，选择方案一。主控电路选择方案一：采用通用的数字集成电路，按照所述的方法，设计出一种与所述系统相匹配的控制电路。数位积体电路是以数位运算为基础，以数位运算为基础，来进行数位讯号的运算与运算。几乎在任何的电路系统中，都会使用到数字集成电路，尽管这个方案并不需要对程序的撰写与设计有所影响，但要实现本系统的这么一个功能需求，就需要进行一系列的复杂的功能设计，因此，整个流程十分的繁杂，并且具有很高的设计难度。另外，在完成了硬件设计后，其功能难以更改，给整个系统的优化与扩充带来了极大的不便[10]。数字集成电路控制系统框图如图2-2所示。图2-2数字集成电路控制系统框图方案二：通过计算机程序来实现系统的功能，计算机的作用是充当上位机，通过USB接口或串行编程技术来实现，电路上面的逻辑判断和处理都是通过程序来完成的。而且，这个抢答装置还可以与强大的操作性能相结合，形成一个非常好的搭配。不过，以他现在的技术，想要做到这一点，并不是一件容易的事情[11]。电脑控制系统框图如图2-3所示。图2-3电脑控制系统框图方案三：以STC89C52为核心，设计了一种以STC89C52为核心的控制器。在STC89C52单片机中，将设计好的程序预先输入到STC89C52单片机中，来进行软件的设计，进而对系统的各个模块进行控制，来实现抢答器的各种功能。而且，该方法所要求的控制功能比较简单，所以不需要进行复杂的线路设计。因此，STC89C52单片机的性能价格比是比较高的，而且有着很好的市场前景。STC89C52单片机控制的系统框图如图2-4所示。图2-4单片机控制系统框图综上分析，采用第三种方案，既合理性价比又是最高的。（3）无线收发模块的选择方案一：NRF905无线收发模块该NRF905的无线发送和接收模块由3.3V的电源提供动力，并在433MHz的ISM波带上工作。它包括了一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器。使用ShockBurst技术，可以完成数据的发送与接收。ShockBurst工作模式的特征是：自动产生前时码和CRC检验，可以很方便地通过SPI接口进行编程配置。NRF905单片机以其低功耗和低成本的特点，成为了无线多工抢答器中最适合使用的一种无线发送和接收电路。方案二：NRF24L01无线收发模块该系统具有收发模式、组态模式、空闲模式、关闭模式四种工作模式。它的工作方式是通过PWR_UP,CE,CS三管脚来确定的。在此基础上，提出了一种基于FIFO芯片的堆栈区的接收与接收两种方式，一种是基于FIFO芯片的FIFO，因此可以在较低的速度下，较高的速度下，以较低的速度传输，减少了系统的能耗。NRF24L01的无线发送和接收电路具有很强的信号传送能力，很好地满足了该系统的要求。综上分析，以上两种方案都适合与本设计，此次选择方案二。（4）显示和语音提示模块方案一：使用LCD屏幕来展示内容，语音部分使用语音芯片来完成真人的语音提示和播报，比如“哪号先回答”、“几号违规”、“回答完毕”等。该方案具有很好的显示和声音，但会使系统很复杂，编程很麻烦，费用也很高。方案二：数字管内有一种动态的数字显示器，它可以显示序号及倒数时刻。声音显示是利用一种简易的蜂叫声，经过编程设定，对对应的讯息进行判定并进行处理，以产生声音，起到提示作用。采用了这种方法，不仅减少了系统的复杂性，而且还减少了系统的编程困难[12]。综上分析，采用第二个方案。电路硬件设计STC89C52单片机最小系统电路单片机最小系统电路，是保证单片机在正常工作情况下所必须具备的最基本电路REF_Ref16376\w\h[4]。本设计采用的单片机最小系统电路图如图3-1所示：图3-1单片机最小系统电路图本系统采用STC89C52单片机作为主控芯片，STC89C52单片机的特点是功能强大，资源丰富，并且价格低廉。其内部集成了多种外设接口，并且通过引脚配置芯片内部寄存器来实现对外部硬件资源的操作。此外，还采用了8位高速处理器、大容量可编程存储器、通用高速I/O口、可编程定时/计数器和多种串行外设接口等，因此本系统的开发也是十分方便的[13]。图中单片机最小系统电路如图3所示。单片机的最小系统电路主要由复位电路、晶振电路和供电电路组成。复位电路：采用“看门狗”复位方式，当单片机上电后，复位信号由输入端1(S0)输入，同时从单片机输出端1(S3)输出一个高电平；复位信号由输出端2(S1)输入，同时从单片机输出端2(S2)输出一个低电平。由于本系统采用的是8位单片机，所以没有使用带复位的芯片[14]。晶振电路：STC89C52内置1MHz晶振，该晶振采用2MHz的晶振频率。供电电路：由于本系统对电源要求不高，因此采用了3.3V、5V和3.3V三种电源，3.3V电源经12脚接单片机电源地；5V电源通过15脚连接到单片机的5脚；3.3V电源通过22脚接单片机的地；3.3V电源通过24脚接单片机的地。STC89C52内部具有8个看门狗定时器（WriteTime）和两个定时/计数器（Timer），当有外部事件发生时可以在5s内产生相应的定时/计数器值并进行相应的处理。关于STC89C52单片机最小系统，必须具备晶振这种元器件，以保证使单片机起振，从而使之工作在一定时钟周期下，同时，又必须具备复位电路，这样方可使整个系统电路能恢复至初始工作状态。整个系统电路必须可以随时复位，这样可以保证电路工作的有效性，故采纳按键复位方式，一旦按下复位键，电路立刻复位，系统处于待机状态[15]。时钟频率电路的设计如果单片机要想进行良好的工作，就需要有时钟的驱动。在单片机的内部，有一个时钟振荡电路，如果从外面接一个振荡源，就可以产生与之对应的时钟信号，并将其传递到单片机内的各个单元，因此，单片机的工作速度会受到此因素的影响。图3-2外部振荡源电路通常情况下，MCU采用的是石英水晶振荡。该振荡器电路在上电大约延迟10ms之后，开始起振，在XTAL2管脚处会产生一个幅值为3V左右的正弦波时钟信号，它的振荡频率以石英晶振的频率为主。其中，两个电容器C1和C2分别起到两种功能：一种是辅助振荡器起振；二是精细地调节振子的频率。C1、C2的代表性浓度在30PF左右[16]。复位电路的设计单片机的第九管脚RST是一个硬件复位端，要想要复位，这个端必须在4个机器周期内保持高电平，在复位之后，单片机的各个状态都会被还原到初始化，它的电路图如下：图3-3复位电路图应当指出，在本设计中，采用了硬件复位和软件复位两种方式，从以上的硬件复位后的各个状态可以看出，寄存器及存储器的值都已经回复到了最初的值，而在之前的功能介绍中，还提及了倒计时时间的记忆功能，这个功能的实现的先决条件就是不能对单片机进行硬件复位，因此设置了软复位。所谓的“软重置”，其实就是在一个程序完成以后，用一个跳跃指令把一个程序指针跳跃到一个开始运行的地址[17]。显示电路的设计显示电路主要是为了在比赛中，对抢答和答题的情况进行实时的展示，利用键盘电路来进行抢答，还可以将抢答者的号码显示出来。在该方案中，选择了数字管作为显示器，该显示器具有使用方便，功耗低，价格低廉等特点。在图3-4中示出了一个显示电路：图3-4显示电路图键盘扫描电路的设计在人类与微型计算机进行交互时，最重要的工具就是键盘。此外，在一些相关的文件和图书中，还可以发现一些有关键盘硬件电路的设计方法，同时，在一些相关的文件和图书中，通常都有对应的键盘扫描程序。从系统监督软件设计的角度来考虑，光是对键盘进行扫描，并在目前的时间点进行读取是远远不够的，仍然存在着很多问题，如果没有得到适当的处理，那么，人们在对键盘进行操作的时候，就很可能会导致误操作和操作失控的情况发生。在MCU系统中，使用最广泛的两种键盘是独立键盘和矩阵键盘[18]。当一个键盘上有很多键时，把这些键以矩阵的方式排列，以节省输入输出端口的空间。在矩阵的键盘上，水平和竖直的线条并不会在相交点上直接相连，只会由一个键相连。因此，一个端口（如P1口）就可以组成1乘8的8个按键，与直接使用端口线用于键盘相比，多出了一倍之多。并且，线数越多，差别也就越大。例如，多加一条线就可以组成20键的键盘，而直接使用端口线，就只能多出一键（9键）。因此，当要求按键数量很大时，可以使用矩阵方法进行设计。蜂鸣器电路我们都知道，声波的频段在数十至数千Hz之间，如果能够通过编程，对单片机中的某条端口进行“高”或低的调节，那么在这条端口上就会出现一种特定的方波，连接到扩音器上，就会出现一种特定的声波，并通过延迟编程，对“高“”和低”信号的作用时间进行调节，就会出现一种新的声波，进而引起扩音器的共鸣[19]。系统的程序设计在单片机系统中，程序是最活跃的部分，它将决定整个系统的性能。从系统的需求分析，可以知道该系统需要完成抢答、计时、显示、控制等功能，因此，在程序设计中，首先要考虑这几个模块之间的接口问题。对于本系统来说，主要是由抢答模块和计时模块组成。由于抢答模块和计时模块的通信是通过I/O口来完成，因此，程序要实现对I/O口的读写操作。这一步我们采用了外部中断方式来实现。这样做的好处是：可以在抢答结束时将当前的时间记录下来，如果出现了多名选手都抢到了题却没有回答问题的情况，就可以根据时间记录来确定哪一位选手抢答成功，从而避免了出现多名选手同时抢答成功但没有回答问题的情况。计时模块和抢答模块之间采用串行通信方式来实现连接。串行通信是以中断方式进行的，如果在某一位选手抢答完毕后再执行中断程序的话，由于该位选手已经抢答成功并且在完成抢答之前就已经有了一个记录时间的过程了，因此，这时执行中断程序会影响到其他选手抢答的准确性。因此我们采用了在时间允许的情况下自动中断的方式。另外为了防止该位选手没有将题目正确回答完就离开答题区而出现漏答的情况，我们可以在该位选手抢答结束后执行中断程序来记录下该位选手回答问题的时间。对于显示模块来说，如果出现多名选手同时抢答成功却没有回答问题的情况时，我们可以通过比较他们在倒计时结束时所占时间来判断谁抢到了题。因此，本系统程序主要实现了这些功能[20]。软件设计的总思路在该系统中，使用了一个无线发送和接收模块，因此，在编程过程中，只要考虑到控制器的作用即可。该软件的主要工作包括了两个方面，一是参赛者的工作流程，二是主持人的工作流程。整个编写过程在keil软件环境下完成。我们首先将各模块进行任务划分，并依次处理。抢答模块主要包括抢答程序、中断程序和显示程序；计时模块主要包括计时器和计数器，计时器的设计思路是：通过定时器来定时，当系统进行计时时，从定时器中读出当前的时间值并将其存储到计数器中，同时把计数器的值存入中断向量中，当抢答结束时，将计数器的值取出并存入中断向量中。如果在当前时间内没有选手抢答成功则显示当前的时间并判断他们是否已经抢答成功，如果是则继续计时；否则如果没有选手抢答成功则显示当前的时间。在判断抢答是否成功时，需要先判断计时器是否处于正常状态，如果计时器处于正常状态，则继续计时；否则根据计时器所占的时间来判断该位选手是否抢答成功。根据上述思路我们可以得到整个程序的流程图如图5所示：整个程序分为四个部分：1)初始化，主要包括看门狗复位、I/O口初始化和中断服务程序；2)抢答模块程序设计，主要包括键盘中断处理程序、液晶显示中断处理程序和LED灯显示驱动程序；3)计时模块程序设计，主要包括定时器中断处理程序和计数器中断处理程序；4)显示模块的设计。在本系统中我们采用了中断方式来处理各模块之间的数据交换。同时为了防止抢答成功后由于选手没有及时回答问题而出现漏答的情况发生，我们设计了中断优先级来保证在每个选手抢答完毕后，该位选手都能得到正确答案并记录时间，只有在最后一个选手回答完问题后才能继续进行下一步工作。程序流程图该设计包含了8个程序：主程序，非法抢答程序，抢答时间调整程序，倒计时程序，正常抢答处理程序，犯规处理程序，显示及发声程序。主流程图如图所示：图4-1程序流程图无线多路抢答器的调试实物制作对于一个学生来说，调试是非常重要的。系统的调试主要包括了硬件和软件两部分。在进行软件调试之前，需要对keil软件操作流程有一定的了解，对C语言编程也有一定的了解。然后，进行编译链接，对编译错误进行持续的修正，直到能够完成。最后，经过安装，可以产生一个HEX文件，并将该文件烧录入STC89C52单片机中。而对硬件调试，需要用AltiumDesiner进行PCB板子的制作，然后进行元件的焊接与安装，为电路上电，这时系统在初始工作状态，根据工作过程进行工作，如果不能工作，就继续对实物进行调试，直到正常工作为止。系统的调试因为这个系统包含了五个模组，所以每一个模组都需要单独的进行调试才能达到所需要的功能。对于控制回路的测试，主要是测试回路能否使其它回路正常工作；对于供电线路的测试，其重点在于线路的电压能否达到工作电压的稳定；对键盘的电路进行调试，以保证它的工作性能；对显示器电路进行调整，使数字管能够准确地反映出电路的工作状况；对于报警器的调整，主要是为了能够在运动员的违规行为以及比赛倒计时只剩下5秒的时候，报警器可以发出警报。本次调试过程中作品初步工作状态如图5-1所示：图5-1实物图在实际的测试中，我们会碰到很多的问题，比如：不亮的电灯，不响的蜂鸣器，不能正确的显示数字，等等。在这两种情况下，电表不亮是由于虚焊，补焊后，电表就会亮。至于其他的问题，则是因为流程上的问题，暂时还没有解决。设计结论该设计是一款无线多路抢答器，其无线收发模块使用NRF24L01无线收发模块，整个电路的使用STC89C52单片机运行，并使用数码管作为显示屏。该方案在各类比赛中具有广阔的应用前景。由于本设计采用了NRF24L01无线收发模块，因此具有功耗低、成本低等优势，而采用了硬件与软件相结合的方式来控制电路，则使整体系统十分简单，并且利用了无线技术，从而避免了抢答器的线路布置。根据对无线抢答器的具体应用以及对系统的仿真研究，本设计不但具有方便、价格较低等优点，而且工作性能非常稳定，属于一种实用的电子产品。并在此基础上，进行了无线多道抢答器的电子化制造，使其与时代同步，将无线传送技术应用于日常生活的各个领域。然而，与此同时，在这个设计中，也有很多有待进一步改善的地方，比如，没有一个完美的语音播报功能，只有一个简单的蜂鸣器提醒，此外，数字管的显示也会出现稍微有点滞后的情况。因此，在未来的日子里，本设计可以增加语音播报功能，并使用液晶显示器来显示信息和数据。总体而言，本作品具有成本较低，线路容易扩展，性能很稳定等特点，可以满足各种知识竞赛的需要，有一定的市场需要，有较好的推广应用价值。参考文献[1]李唐.基于74LS175的四人抢答器设计仿真[J].科学技术创新,2021(3（3）:78-80.[2]刘厚锐,李宗平,王少坤.基于LabVIEW的8路抢答器设计与实验[J].物理通报,2021(09)