【《基于单片机的数显记分抢答器系统设计》5300字（论文）】

基于单片机的数显记分抢答器系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u2003摘要 122084引言 2157351.抢答器的整体方案 242862.抢答器的硬件设计 3150972.1STC89C52单片机简介与特性 4215102.2NRF24L01无线模块 6301612.3LCD12864显示 7279132.4电源模块 8182442.5WTD588D芯片 8143003.系统软件设计 9275023.1系统流程图 9304893.2无线连接流程图 10321683.3屏幕显示流程图 11223243.4抢答流程图 1212964.系统调试 1313914.1硬件调试 13312804.2软件调试 15161995.总结 15摘要：随着社会的发展，人们更加注重在知识领域的追求，知识竞赛也越来越普及，抢答器也应运而生。当今市场上抢答器的种类繁多，都可实现抢答的功能。但大部分抢答器存在成本高，产品携带不方便，功能不齐全等问题。针对以上问题，本文设计了一款基于STC89C52单片机的无线数显记分抢答器，可以实现显示抢答状态、无线连接、语音警示及按键选择的功能。该设计成本低、速度快、方便携带，具有一定的实用性。关键词：STC89C52单片机；数显；无线连接引言抢答器应用于各种知识比赛和抢答竞争的场合。抢答器出现之前，由选手举手回答问题，主持人进行判断。但此类抢答存在一定的局限性，在场地或个人的限制下主持人会产生判断误差，从而导致不公平现象的发生。为了满足人们竞赛的需要，抢答器随之产生。早期的抢答器主要是由三极管、可控硅、发光二极管等各种原件组成，主持人通过观察发光二极管，来辨认首先按键的小组，记录选手分数等功能。但此类抢答器功能还是不够完善，无法远距离传输、对主持人的主观意识也比较依赖。随着时代的发展，出现了传统抢答器，竞赛也更加规范。传统抢答题主要是由模拟电路、数字电路结合，这一类型的抢答器的技术比较成熟，但也存在一些问题。如：抢答器的设计成本比较高，电路结构繁琐，运行时比较容易出现故障，且显示方式比较简单[1-3]。随着科技高速发展，单片机的运用也逐渐成熟[4]，本文采用STC89C52单片机作为核心处理器，并运用NRF24L01无线模块，实现近距离无线传输信号，使设备使用更加便捷。此外，数码管可显示各组分数，并由主持人提前设置答案。此抢答器结合单片机拥有方便携带，操作灵活、可靠性高、功能多、实用性强、较高的性价比、便于维修等特点。可以满足大多数竞赛场合的需要，降低了竞赛公平的成本，减少了人工的干扰，提高观众的观赏性，让组织方和选手方的拥有更好的游戏体验，也让观众有了更好的观感。1.抢答器的整体方案整体方案框图如图1所示，抢答器模块可分为抢答模块、显示模块、时序控制和复位模块、语音模块、无线模块、按键模块八个模块。抢答器的主要硬件设备有单片机、按键、电源、显示屏幕、语音芯片、无线接受器。图1硬件框图本抢答器由STC89C52单片机对信息进行处理，并按照逻辑程序完成步骤。主控板通过按键设置主控板基础分和倒计时，再利用NRF24L01对选手板和主控板进行无线信号传输，由单片机确定选手是否回答正确进行加减分，并在数码管上显示选手的得分情况、排名和操作步骤。本设计会按照分数的高低进行排名，如果两组分数一样，会按照组别靠前的，排名靠前的原则。结束时喇叭可播报前三组选手的记分，可用充电宝为抢答器提供电源，实现多功能抢答器。2.抢答器的硬件设计本抢答器由STC89C52单片机、NRF24L01无线模块、WTD588D语音、按键、电源、显示屏、发光二极管等各种元器件。主控板电路图如图2所示。图2主控板电路图发送板电路图如图3所示。图3发送板电路图2.1STC89C52单片机简介与特性引脚包括有：主电源、外接晶振、I/O口及控制、选通、复位等四类[5]。如图4所示。单片机工作电压在3.3V到5.5V，不需要升压，可以直接连接电源模块。工作温度范围在零下40度到零上85度（工业级），所以抢答器适用于我国各地区都可以工作运行。单片机运行拥有多种运行模式。在空闲模式时，停止CPU工作，允许RAM、定时器/计数器、串口和中断继续工作，从而减少空闲时的功耗。在掉电保护模式下，工作内容将被保存并且不会丢失，振荡器将被冻结，抢答器的所有工作停止，直到下一次硬件复位，恢复掉电前抢答环节的时刻，不会出现数据的丢失[6]。此款单片机完全可以实现起抢答器的全部功能，并且拥有体积小，运行速度快，功耗低等诸多优点。图4单片机引脚图主电源引脚VCC、VSS。VCC接+5V电源，VSS接地[7]，5V电源完全可以实现抢答器的所有功能。时钟电路引脚XTAL1和XTAL2。外接晶振，构成自激振荡器产生时钟脉冲信号。晶振振荡频率为12MHZ，可以在0.083微秒周期中检测到按键的按动，可立即识别出首先按下按键的小组。RST为复位输入。若检测到RST保持两个机器周期以上的高电平，则单片机复位。当触发复位时，可以直接进行下一轮的比赛。引脚ALE/PROG：访问外部存储器，对外输出时钟或定时。当作为输出脉冲时，锁存低8位字节的地址。引脚PSEN：用于读取外部程序存储器单元，在内部ROM读取时，PSEN不动作，在外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次。引脚EA/VPP：外部程序存储器选择信号。当引脚处在复位时，若引脚为高电平，从片内程序存储器读取，引脚为低电平时，从外部程序存储器中读取指令。P0口(P0.0-P0.7)可作为扩展数据总线和地址总线，加上拉电阻作通用I/O口使用，连接显示屏幕的引脚，在经过单片机处理后，输出显示信号，更加清晰明确的输出。P1口(P1.0-P1.7)只做I/O使用。与按键相连，从而接受按键信号，对单片机的指明方向，按照逻辑进行下一步操作。P2口(P2.0-P2.7)拓展外部储存时，做为地址总线用；做I/O使用。P3口(P3.0-P3.7)具有特殊功能：串行数据输入输出口，外部中断，定时/计数外部输入，外部数据存储器读写脉冲。连接无线传输模块，对无线传输的信号进行接受[8]。2.2NRF24L01无线模块NRF24L01是一种单片射频收发器，实物图如图5所示。工作电压1.9V到3.6V，工作频段在2.4GHz到2.5GHz，NRF24L01射频芯片自身没有集成任何协议，所以基于NRF24L01模块的无线通信需要自定义通信协议来使用，控制的方式也有很多种。自带调制器、内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器等功能模块，并配置了增强型ShockBurst技术，可通过程序配置输出功率和通信通道[9]。拥有多种工作模式：空闲模式、接受模式、发送模式。传输信号时最远距离为50米，距离越近，传输越稳定。NRF24L01具有低功耗，并且在传输at-6dBm功率时，运行电流为9毫安。接受时的电流为12.3毫安，各种低功耗工作模式使其使用更节能，环保。完全可以承担起抢答器中选手无线抢答的作用。图5NRF24L01实物图NRF24L01通信引脚，如图6所示。图6NRF24L01引脚图CE引脚控制信号的信号状态。NRF24L01作为无线传输模块，拥有接受和发送两种状态，通过CE引脚来定义的传输的模块是处于接受状态还是发送状态。MOSI和MISO引脚，MOSI和MISO是串口通信中信息传输的通道，MOSI用于发送端传送信息给接收端的口，MISO用于接收端反馈信息给接收端的口。SCK作为时钟引脚，传送端和接收端按照这个固定的周期有条不紊地收发信息。CSN为片选择引脚，当存在多个NRF24L01模块进行连接时，需要的通信的模块CSN引脚置0，这样可以区别与别的无关模块，不与其连接，让只有CSN值零的这两个无线模块可以进行信号的传输。2.3LCD12864显示抢答器的屏幕显示采用液晶LCD12864模块，实物如图7所示。此屏幕可显示汉字和字符，还可对图形完成显示。液晶显示对比其他数码管显示，其显示内容更加清晰、丰富，更具有人性化，并且可显示更多的数据信息。此液晶显示与其他的图形点阵液晶显示模块相比，在硬件电路结构和显示程序上要简洁得多，并且价格略低于相同功能的点阵图形液晶模块。LCD12864液晶显示在运行时电压低、功耗低，大大降低了抢答器的运行成本。图7LCD12864实物图LCD12864电源工作电压在+3.0V到+5.5V，时钟频率为2MHZ，工作温度在0到55度。具有4位/8位并行、提供串行和并行两种指令操作方式，两种接口模式。显示屏内部包含国家标准一级和二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，128*64显示分辨率，显示屏内部8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集[10]。利用显示屏灵活的界面方式及其简单性，方便的操作说明构成了全中文界面。屏幕显示8*4行的16*16点阵汉字。其引脚为图8所示：图8显示屏引脚图RS串口为片选信号口，R/W为串行数据口，两者配合选择决定控制界面的4种模式：MPU写指令进入到指令暂存器，读出忙标志及地址记数器的状态，MPU写入数据到数据暂存器，MPU从数据暂存器中读出数据。BF，忙标志。BF=1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据。BF=0时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据。DB接口与单片机相连，处理过后，显示单片机传输过来的信号。2.4电源模块采用DC直流接口和USB转DC3.5毫米电源插头，如图9所示。图9电源插头实物图此电源模块为抢答器直接提供3.3V的电压，不需要升压或降压。此插头USB端可以连接电脑USB插口，也可连接充电宝和充电器供电，3.5毫米侧接入到抢答器中，抢答器方便使用和携带，不用拘束于室内抢答。电源引脚接线图如图10所示：图10电源引脚图2.5WTD588D芯片WTD588D语音芯片是一款功能强大的单片机芯片。此款芯片拥有组合语音技术，不需要大量的语音编辑，内嵌DSP高速音频处理器，处理速度快。发送速度600微秒到2000微秒，芯片复位时间为5毫秒，并口控制模式可用8个I/O口进行控制[11]。WTD588D语音芯片在正常运行的的情况下，也可下载数据到芯片当中。此款芯片操作简单，可以让观众和参赛选手对比赛的情况更直观的了解，完全可以实现抢答器的语音播报功能。实物图如图11所示。图11WTD588D芯片实物图芯片引脚图如图12所示：图12WTD588D芯片引脚图PWM和DAC均为输出引脚。PWM外接扬声管，DAC为语音播放输出脚，外接功放电路。系统软件设计3.1系统流程图系统流程图如图13所示，先对主程序的进行设计。开始由主持人拿着中控模块，在设定抢答、答题的时间和答题的分值后，由主持人切换设置正确答案，主持人按下开始键，开始抢答计时，抢答剩余时间会显示在中控显示器上。抢答时间为零秒后进行下一轮问题的抢答。任意小组按动抢答按钮，选手抢答完成后，中控显示屏就会显示该选手编号，同时其他选手再抢答无效，根据选手答题是否正确进行加减分。然后进行下一题的抢答，直到所有答题的结束，进行小组成绩排行的播报。图13主程序流程图3.2无线连接流程图无线传输流程图如图14所示。开始时接收机进行初始化，开始答题。经过选手板单片机的处理，最快抢答的选手发送信号给主控板，其他选手再次按键抢答就失去作用。如果没有信号传输到主控板，主控单片机进行判断，抢答时间是否还有剩余，如果没有直接进入下一题的抢答，有的话不断接受选手板传输过来的信号，直到接受抢答选手的信号，并在主控板的显示屏上显示，再接受抢答选手的答题信号。如果开始下一题，则回到系统初始化阶段，若没有下一题，不再传输信号，程序结束。图14无线传输流程图3.3屏幕显示流程图屏幕显示流程图如图15所示。抢答器初始化，单片机与显示屏也初始化成功，单片机对输入信号进行处理，处理完以后把信号输入到显示屏当中，显示屏对输入过来的数据进行采集，采集完进行处理，然后在屏幕上进行显示。图15屏幕显示流程图3.4抢答流程图抢答流程图如图16所示。在主持人按下开始按键后，选手进行抢答，在规定的时间内若没有选手按下抢答按键，本轮比赛结束，若有选手按下抢答按键，谁先按下抢答按键，则由该小组对问题进行回答，其他小组再次按下抢答键无效，对抢答的小组进行加减分。若此后比赛要继续，则主持再次按下开始按键，进行下一轮比赛；若没有问题，比赛结束。图16抢答电路流程图系统调试4.1硬件调试仔细检查硬件电路，并按照硬件原理图焊接。抢答器可以正常运行。初始页面如图17所示。图17初始页面经过主持人对分值与时间的设置后进入到功能页面。开始页面如图18所示。图18开始页面按下开始键后，选手进行抢答，在规定的时间内进行抢答，如果没有人抢答则这一题跳过。并在屏幕显示抢答失败。如图19所示。图19抢答失败页面抢答成功该小组进行答题，给出答案后，抢答器经过判断看是否回答正确。并加减分,如图20所示。图20选手答题后页面所有答题完成后按下播报按键，抢答器播报前三名成绩，抢答器运行结束。如图21所示。图21播报页面4.2软件调试在经过硬件电路的检查后，发现所有的焊接和连线都不存在问题时，若还会出现一些故障，则就是软件编程出现了问题。首先