声光智能抢答器

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摘要：随着电子技术的飞速发展，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未有的速度被单片机智能化控制所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说智能化控制与自动控制的核心就是单片机。基于单片机的控制系统已广泛应用于各行业。

关键词：单片机；抢答器；智能

一、抢答器原理总体方框图

如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

二、设计要求

抢答器要具有快速响应、及时显示、截止时问、自动还原等功能，设计时要求如下：

（1）抢答器应具有数路扩充功能，满足于竞赛类节目参赛小组数量变化的要求。

（2）每次抢答仅有一个小组出线并以声光指示。

（3）竞赛时若有小组犯规，抢答器应能迅速作出判断并以灯光显示，同时取消犯规小组该次的抢答权。

（4）每次抢答完毕后、电路应具有复位功能，即回到电路的初始状态。

（5）抢答器应具有数码锁存、声光显示功能，抢答组以序号分组，优先抢答者按本组序号开关，组号立即锁存到LED显示器上，同时封锁所有组号。

（6）系统设置外部控制键，置于”清除”位置，LED显示器自动清零灭灯。

（7）抢答器定时为30s，外部控制键置于”启动”位置后，要求：

①30s定时器开始工作；

②扬声器要短暂报警；

③发光二极管亮灯。

（8）抢答者在30s内进行抢答，抢答有效，终止定时，30s定时到，无抢答者本次抢答无效，系统短暂报警，发光二极管灭灯。

三、硬件设计

（1）系统组成

抢答器硬件组成如图2所示 。其控制核心是89C51及其接口组成的基本系统=抢答键按矩阵结构连接.可有效地减少89C51I/O口的使用。在硬件资源不变的情况下，增加了可参与抢答的路数。系统采用8279键盘显示接口芯片用于系统功能设置.如开始抢答、加分、减分、答题时间调整等内容。系统采用APR9600语音接口芯片完成对抢答过程中的违例、抢答成功、答题时问到等情况进行语音提示。系统采用申行显示接口连接由74LS164驱动的数码管，用于显示各队得分情况。采用DS12887日历时钟芯片使抢答器在不用时作为一个电子表使用。

（2）抢答键矩阵

抢答键矩阵，可用于l6路抢答。当抢答路数增多时.只需适当增加I/O口线的数量或用89C51外扩一片可编程I/O接口芯片即可。由于单片机扫描I/O需用一定的时间.特别是I/O线数量多时，时间会更长一些。当单片机查询时问过长，抢答系统的抢答分辨率就会降低，对抢答裁决会有失公正。为了避免这种情况发生，我们采用了飞利浦公司生产的高速单片机89C51.其工作频率为33MHz.为普通单片机的3倍。

（3）时钟芯片接口

本系统采用DALLAS公司生产的DSI2B887日历时钟芯片.用于产生年月日时分秒的时钟信号井可和用该芯片的闹钟功能实现对抢答日历的答题时问设定，当答题超过规定时间时，给出控制信号进行报警.该芯片与89C51的连接。

（4）语音芯片接口

系统采用语音芯片APR9600进行提示与报警。当主持人没有按下抢答开始键而有人按下抢答键时，系统自动进行语音提示“抢答违例，重新准备”。当答题人在规定时问内没有回答完问题时，系统自动提示“抢答时问到，请停止答题” 等内容。该芯片与89C51的接口连接。

四、抢答器的工作流程

（1）电路初始状态抢答器接通电源后，主持人应先按下“复位”键，抢答预备指示灯点亮以红色显示，各小组抢答状态指示灯（Ln）处于熄灭状态，电路处于抢答预备状态。

（2）无犯规操作的抢答过程主持人按下“开始”键，“开始”的信号灯即刻点亮以绿色显示，表示各小组进入抢答状态。抢答开始后，指示灯立刻被点亮并闪烁，同时音响电路发音的小组表示抢答成功 而其余的指示灯仍处于熄灭状态的小组表示抢答失败。

（3）有犯规操作的抢答过程当“开始”信号灯（绿色）还未被点亮时，如有小组已经按下抢答键Kn（自恢复型按键），指示灯被点亮并处于常亮状态的，则表示此小组犯规，同时该次的抢答权被取消 而其余小组并不受此影响

（4）复位操作每一轮抢答结束后.主持人应再次按下”复位”键，使电路回到抢答预备状态。

五、界面的设计

抢答仲裁的基本原则是按抢答的时间先后顺序决定胜负，被首先扫描到的键应为优胜者。从概率上考虑，可能会出现多人同时按下抢答键的情况，特别是每次扫描键盘总需要一定的时间，尽管时间很短，也增加了同时按键的可能性。为了保证公平，在进行键盘扫描时不应只按一个顺序扫描，而是采用随机函数产生一个随机数进行随机扫描。这就使得每一个键都有被最先扫描到的可能。

六、显示电路的设计

显示功能与硬件的关系极大，显示电路有两种选择，液晶屏显示和传统数码管显示。液晶屏具有轻薄、无辐射危险、可视面积大、分辨率高和抗干扰能力强的特点，本设计中采用的是4位七段数码管显示。数码管显示通常显示分为动态显示和静态显示。其中，静态显示的特点是显示稳定不闪烁，编程简单，显示亮度高，但占用I/O口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。而动态显示的稳定性虽没静态显示的好，编程复杂，但是相对静态显示而言占用的端口资源少。本设计采用的是动态显示方法。通过查表法将值在数码管上显示出来。其中单片机的P0口为字型码输入端，P2口得低三位为字选段输入端。

七、键盘扫描电路的设计

键盘扫描电路由两部分组成：抢答电路和定时电路。键盘是人机交互的主要设备，键盘电路分为独立式和矩阵式。其中，独立式键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵式键盘硬件电路比独立式键盘电路复杂，而且程序设计繁琐，但它节省端口，适合于多按键电路。本设计基于简单硬件电路要求的基础上，采用的是独立键盘的方式。在定时电路的设计中，有1个抢答时间调整按键、1个回答时间调整按键、加一按键、减一按键和1个开始按键、1个结束按键。

八、报警电路的设计

我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个管脚的高低电平，则在该管脚上就能产生一定频率的矩形波，接上蜂鸣器就能发出一定频率的声音，若利用延时程序控制高低电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变蜂鸣器发出的音调。在本设计中此电路起到报警功能。它会在第一位选手按下抢答按钮时响一次，以提示有人抢答本题，并且在该选手的60秒抢答过程中或30秒等待过程中剩余最后5秒时响起，以提示到此题结束还有5秒钟。

参考文献

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[3] 郑 成.现代可编程序控制器原理及应用.北京：科学出版社，1999.

[4] 王 红.可编程控制器使用教程.北京：电子工业出版社，2009.