基于8051 單片機的電子搶答器硬件電路設(shè)計研究

周航，陳艷玲，龔浩，陶玉寧，田元，張忠德

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌，443000）

0 引言

本設(shè)計完成一個8 路搶答器,同時提供不少于3 名參賽選手的搶答控制和顯示,通過主持人的開始按鍵對搶答進(jìn)行倒計時5s,數(shù)碼管顯示倒計時時間,此時如有選手搶答系統(tǒng)報警并顯示犯規(guī)選手編號,主持人按下復(fù)位鍵才能重新開始,準(zhǔn)備倒計時結(jié)束后,進(jìn)入15s 的搶答倒計時,此期間有選手搶答,數(shù)碼管顯示選手編號,系統(tǒng)自動使其他選手按鍵無效,搶答倒計時清零,選手答題完畢,由主持人按下復(fù)位鍵復(fù)位,實現(xiàn)搶答器控制[1-5]。

1 整體設(shè)計原理

（1）設(shè)計原理：設(shè)計完成一個8 路搶答器，同時提供不少于3 名參賽選手的搶答控制和顯示。

（2）主控芯片介紹：AT89C51 是一款帶4K 字節(jié)FLASH 儲存器，亦稱低電壓、高性能的CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。

（3）附有設(shè)計空間。AT 硬件電路的設(shè)計應(yīng)考慮到將來修改和擴展的方便性。

（4）為了使電路精簡化，平常所用的幾種普通芯片可以被功能強大的芯片所代替。

（5）程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機，方便單片機讀取，輸出及最后的運行，本設(shè)計采用AT89C51 單片機。

（6）RAM 空間：如果軟件數(shù)據(jù)處理功能得到加強，AT89C51 的RAM 空間和內(nèi)置RAM 往往不足，如果系統(tǒng)由外部RAM 組成，建議預(yù)留更多空間。

（7）I/O 端口：在試用機開發(fā)后的現(xiàn)場測試中，通常會顯露出一些被忽視的問題，并且這些問題無法通過簡單的軟件措施來解決。本次設(shè)計總體硬件電路原理圖如圖1 所示。

圖1 硬件電路系統(tǒng)原理圖

2 分電路設(shè)計

■2.1 時鐘頻率電路的設(shè)計

微控制器只能在時鐘打開時運行。在微型計算機內(nèi)部有一個時鐘電路，為了確定單片機的運行速度，只需要一個外部振蕩器源就可以產(chǎn)生時鐘信號并將其發(fā)送到每個單元單片機。電路如圖2 所示。

圖2 外部振蕩源電路

一般來說，選擇石英晶體振蕩器。此部分電路使用的振蕩器在10ms 的導(dǎo)通延遲后開始振動，振幅為3V 左右的正弦時鐘信號且該信號被放置在XTAL2 引腳上。振蕩頻率主要由晶體振蕩器的頻率決定。該電路有兩個電容器C1 和C2，一個用于振蕩振蕩器，另一個用于調(diào)整振蕩器的頻率。電路中微調(diào)電容C1、C2 的值均為22PF。

■2.2 復(fù)位電路的設(shè)計

AT89C51 單片機有一個引腳RST，它作為施密特觸發(fā)器的輸入，其輸出位于復(fù)位電路的入口處，這個復(fù)位信號在高電平有效，其有效時間會持續(xù)24 個振蕩脈沖周期。

復(fù)位電路分為手動復(fù)位和上電復(fù)位，它提供了兩種手動復(fù)位模式：電平模式和脈沖模式。本設(shè)計采用手動復(fù)位的電平復(fù)位，便于操作，如圖3 所示。

圖3 復(fù)位電路

■2.3 顯示電路的設(shè)計

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常需要直觀、交互式地運行系統(tǒng)及其結(jié)果，微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的顯示器是LCD和LED，兩個顯示屏都可以顯示數(shù)字、字符和系統(tǒng)狀態(tài)。LED 和LCD 數(shù)字顯示器是最常見的,這種設(shè)計使用了更環(huán)保的4 位LED 顯示器，如圖4 所示。

圖4 共陰極數(shù)碼管顯示電路

■2.4 發(fā)聲電路的設(shè)計

聲音的頻譜大約有幾千個赫茲，如果單片機控制“高”或“低”電平的程序，則在口線上會產(chǎn)生特定頻率的方波，并且通過連接揚聲器會產(chǎn)生特定頻率的環(huán)路?！案摺焙汀暗汀彪娖匠掷m(xù)時間由延遲程序控制，音調(diào)取決于輸出頻率，進(jìn)而揚聲器可能會產(chǎn)生不同的音調(diào)。

圖5 中的蜂鳴器的一端連接到單片機的17 引腳RD，其輸出具有復(fù)雜的功能，并使用單片機RD 引腳的IO 端口功能，單片機提供交流波形輸出，該輸出將揚聲器與內(nèi)置計時器結(jié)合在一起。

圖5 發(fā)聲電路

■2.5 搶答按鍵電路的設(shè)計

鍵盤是我們在使用單片機時必不可少的設(shè)備。通常可以通過相關(guān)文獻(xiàn)和書籍中描述的各種方式來使用該硬件電路中的鍵盤放置方式。從系統(tǒng)監(jiān)視軟件設(shè)計的角度來看，鍵盤掃描程序并不完整，鍵盤掃描僅僅完成了當(dāng)前鍵盤的掃描和狀態(tài)讀取。它還有許多問題要解決，除了在操作鍵盤時，人們很容易誤用和控制。在單片機應(yīng)用中最常見的應(yīng)用形式分為獨立鍵盤和矩陣鍵盤兩種。

它們各具特色，其中獨立鍵盤的硬軟件切換容易，編程方便簡潔，通常用于對硬件電路要求不高的簡單電路中。矩陣鍵盤與獨立鍵盤差異較大，首先，在硬件電路上，它的程序算法比獨立鍵盤更加復(fù)雜，但它具有節(jié)省端口資源的優(yōu)點，適用于多按鍵電路。其次，在按下按鈕的過程中容易出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，在此采用延時重復(fù)掃描法對其進(jìn)行消除，該方法的原理是：由于“毛刺”脈沖通常持續(xù)時間短暫，約為幾毫秒，而且按下按鈕的時間通常比這個時間更長。因此，如果微控制器在一定時間段（通常為10ms）內(nèi)檢測到按鈕的運動，它將評估電平是否保持其原始狀態(tài)。如果是則該按鈕有效，否則無效。

本設(shè)計使用的是單獨鍵盤，主要分為搶答選手響應(yīng)鍵（8 人按鍵）的輸入電路和主持人按鍵輸入電路（開始鍵和結(jié)束鍵）。選手搶答按鍵輸入電路如圖6 所示。

八個響應(yīng)鍵K1～K8 連接到單片機的P1.0～P1.7，并且微計算機識別P1.0～P1.7 的值，確定是八個搶答鍵中哪一個按鍵輸入。

■2.6 控制按鍵電路的設(shè)計

主持人控制（開始、復(fù)位鍵）電路如圖7 所示。

圖6 選手搶答按鍵輸入電路

開始鍵和結(jié)束鍵分別與微型計算機的10 腳和12 腳連接，此處用到了單片機的10 腳、12 腳RXD 和INT0 的IO端口功能，然后讀取引腳10 和12 的P3.0 和P3.2 的IO 端口值，以查看它們當(dāng)前是處于搶答響應(yīng)還是結(jié)束狀態(tài)。

3 結(jié)論

本設(shè)計是采用單片機設(shè)計的8 路多功能電子搶答器，這個搶答器具有搶答功能和控制回答問題時間等功能。它利用了單片機系統(tǒng)的特點，結(jié)構(gòu)簡單，功能強大，可靠性和功能性強。

圖7 主持人控制電路