基于单片机的数字抢答器的制作方法

本发明涉及数字抢答器技术领域，具体为一种基于单片机的数字抢答器。

背景技术：

对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。

抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。

技术实现要素：

本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、使用方便的基于单片机的数字抢答器。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

本实用新型的基于单片机的数字抢答器，其特征在于：包括单片机，以及与单片机分别连接的时钟振荡电路、复位电路、显示电路、抢答按键和调整按键电路、开始和结束按键电路、去抖电路、发声电路。

时钟振荡电路包括连接在单片机的18脚和19脚之间的晶体振荡器X1，连接单片机的18脚的电容C2和连接单片机的19脚的电容C1。

复位电路包括连接单片机9脚的电容C3、电阻R1、电阻R2、复位按键reset1,9脚经电阻R1接地，复位按键reset1与电阻R2先串联后与电容C3并联，并联后连接9脚。

显示电路包括连接单片机的共阴极数码管，共阴极数码管经电阻连接5V电源。

抢答按键和调整按键电路包括与单片机的若干个脚连接的若干个抢答输入按键，还包括连接单片机不同的脚的抢答时间调整按键、回答时间调整按键、加一按键、减一按键；单片机通过读取脚的数值来判断当前输入的是哪个抢答按键。

开始和结束按键电路包括与单片机的10脚连接的开始抢答/锦囊启用按键、与单片机11脚连接的停止按键；发声电路包括与单片机17脚连接的扬声器LS1，扬声器LS1分别连接开始抢答/锦囊启用按键、停止按键。

开始抢答/锦囊启用按键，在限定时间内使用作为锦囊启用按键。

去抖电路包括与单片机12脚连接的反相器U3A和与非门U2，与非门U2连接各个抢答输入按键。

本实用新型的有益效果是，是以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时，又增加一系列的实用功能，并简化其电路结构，结构简单、使用方便、成本低、运行可靠。

附图说明

附图为本实用新型的结构示意图。

图1为本实用新型的功能模块，图2为抢答器工作流程，图3为整体电路，图4为时钟振荡源电路，图5为复位电路，图6 为共阴极数码管电路，图7 抢答按键及调整按键电路，图8 为开始、结束按键电路，图9 为去抖电路，图10 为发声电路，图11 工作流程图，图12 INT0流程图。

具体实施方式

附图为本实用新型的一种具体实施例。

本实用新型的基于单片机的数字抢答器，包括单片机，以及与单片机分别连接的时钟振荡电路、复位电路、显示电路、抢答按键和调整按键电路、开始和结束按键电路、去抖电路、发声电路。

时钟振荡电路包括连接在单片机的18脚和19脚之间的晶体振荡器X1，连接单片机的18脚的电容C2和连接单片机的19脚的电容C1。

复位电路包括连接单片机9脚的电容C3、电阻R1、电阻R2、复位按键reset1,9脚经电阻R1接地，复位按键reset1与电阻R2先串联后与电容C3并联，并联后连接9脚。

显示电路包括连接单片机的共阴极数码管，共阴极数码管经电阻连接5V电源。

抢答按键和调整按键电路包括与单片机的若干个脚连接的若干个抢答输入按键，还包括连接单片机不同的脚的抢答时间调整按键、回答时间调整按键、加一按键、减一按键；单片机通过读取脚的数值来判断当前输入的是哪个抢答按键。

开始和结束按键电路包括与单片机的10脚连接的开始抢答/锦囊启用按键、与单片机11脚连接的停止按键；发声电路包括与单片机17脚连接的扬声器LS1，扬声器LS1分别连接开始抢答/锦囊启用按键、停止按键。

开始抢答/锦囊启用按键，在限定时间内使用作为锦囊启用按键。

去抖电路包括与单片机12脚连接的反相器U3A和与非门U2，与非门U2连接各个抢答输入按键。

本设计是以八路抢答为基本理念。考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。用开关做键盘输出，扬声器发生提示。同时系统能够实现：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键是无效的。单片机体积小价格低，应用方便，稳定可靠。单片机将很多任务交给了软件编程去实现，大大简化了外围硬件电路，使外围电路的实现简单方便。单片机用于抢答系统，使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。

控制要求:本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。主持人有开始和结束、复位键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为20s，回答问题时间为30s。通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、计时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。

参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抢答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。

系统的主要功能模块方框图如图1所示。

本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。

主持人有开始和结束键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为20s，回答问题时间为30s。通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后5秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用汇编语言编写。它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。

本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。主持人依次按下复位键（RESET），开始键后开始抢答。可以抢按：超时数码管显示“FFF”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“FFF”。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。

控制分析

1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。

2、抢答限定时间和回答问题的时间可以在1～99s设定。

3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。

4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。

5、抢答限定时间内使用锦囊回答时间将加到60s。

抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为：系统复位、正常流程、违例流程等几部分。

抢答器的工作过程

1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下“加1s”键，如果想减一秒按一下“减1s”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0—99s， 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

2、主持人按“抢答开始”键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设20s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设30s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。

4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下“停止”键为止。

AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。

时钟频率电路的设计

单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。时钟电路如图4所示。

单片机的第9脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图5所示。

图5中由复位按键RESET1以及电解电容C3、电阻R2构成按键及上电复位电路。由于单片机是高电平复位，所以当按键RESET1按下时候，单片机的9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从0000H开始执行。

显示电路的设计

在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口低3位为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字，4位七段数码管显示电路如图6所示。本设计中，有一个共阴的数码管组，包括四个数码管。其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。

图6中数码管采用的是4位七段共阴数码管，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，位选码COM1、COM3、COM4分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。在图中还有八个1K的电阻，连接在P0口上，用作P0口的上拉电阻，保证P0口没有数据输出时候处于高电平状态。

键盘扫描电路的设计

在本设计中采用了独立键盘的方式，本设计中有8个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。如图7所示。

在图7中8个抢答按键分别接入单片机的P1.0—P1.7端口，单片机通过读取P1.0—P1.7的值来判断当前输入的是8个抢答按键中的哪一个。抢答时间调整和回答时间调整接到单片机的P3.3和P3.4接口，加一及减一按键接到单片机的P3.5和P3.6接口。

在图8中，开始及结束按键接到单片机的10、11脚，这里用到了单片机10、11脚复合功能中的IO端口功能，单片机通过读取10、11脚的P3.0、P3.1的IO端口值来判断当前是否处于抢答开始状态或抢答结束状态。

K1～K8八个按键的输入电平靠74HC30输入与非门U2和74LS04反向器U3A组成的电路改变输入电平。图9中电路就是由一个74HC30输入与非门和74LS04反向器组成的去抖电路。

发声电路的设计

本文设计如图10所示。图中单片机的14脚输出具有复合功能，此处用到了单片机17脚的IO端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器LS1发声。

在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。出错处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。

有复位时系统的历史状况，可将复位分为“冷启动”和“热启动”。为了使系统能正确决定采用何种启动方式，常用上电标志来区分。

由设计的硬件部分看到，本设计采用P3.2、P3.3分别接抢答时间调节和答题时间调节按钮，即通过外部中断0、外部中断1分别控制抢答、答题时间的调整。因此，设计的软件部分可分为工作模块、外部中断0模块、外部中断1模块。对流程图的分析，也分三部分来介绍。

1、工作时（非调节时间时）的流程

平时正常工作时，程序的流程图绘制如图11。

初始化部分：包括对定时计数器的工作方式、初始化数值的设置，还包括对抢答时间与答题时间的预设，另外，还应对外部中断0、外部中断1进行开放。

犯规程序部分：包括对犯规选手号的显示、报警器的间断工作。

另外，由于在设计要求主持人能随时对工作过程终止，因此，要不断查询停止键的状态，一旦按下，便回到初始化后的状态；在倒计时过程中还要不断将与5S比较，当小于5S时，还需调用发声程序；小于5S后，又需要不断将与0比较，当其等于零时，立即返回。

2、外部中断0（抢答时间调整）流程

外部中断0（抢答时间调整）的流程图见图12。

一旦因P3.2对应键的按下，便进入INT0中断过程。通过不断对P3.4（加1s）和P3.5（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间进行调整：发现P3.4按下，就对原抢答时间加1s, 发现P3.5下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。

根据设计要求，当加至99s时，若再加1s，则时间变为0；当减至0s后，若再减一秒，时间变为99s。因此，流程中应该对当前时间于99s或0s比较，再作出相应处理。

3、外部中断1（答题时间调整）流程

外部中断1（答题时间调整）流程与外部中断1流程大同小异，但这里还是介绍一下。

与抢答时间调整类似，一旦因P3.3对应的按钮按下，便进入INT1中断过程。通过不断对P3.4（加1s）和P3.5（减1s）进行不断的查询，来对抢答时间进行调整：发现P3.4按下，就对原抢答时间加1s, 发现P3.5下，就对原抢答时间减1s并调用显示程序。当加至99s时，若再加1s，则时间变为0；当减至0s后，若再减一秒，时间变为99s。因此，流程中应该对当前时间于99s或0s比较，再作出相应处理。