數(shù)字技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的學(xué)科之一，數(shù)字邏輯器件已從20世紀(jì)60年代的小規(guī)模集成電路(SSI)發(fā)展到目前的中、大規(guī)模集成電路(MSI，LSI)及超大規(guī)模集成電(VLSI)。相應(yīng)地，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)方法在不斷的演變和發(fā)展，由原來(lái)單一的硬件邏輯設(shè)計(jì)發(fā)展成三個(gè)分支，即硬件邏輯設(shè)計(jì)(中、小規(guī)模集成器件)、軟件邏輯設(shè)計(jì)(軟件組裝的LSI和VSI，如微處理器、單片機(jī)等)及兼有二者優(yōu)點(diǎn)的專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)。目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子測(cè)量?jī)x表、電視、通信等各個(gè)領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中，數(shù)字測(cè)量?jī)x表不僅比模擬測(cè)量?jī)x表精度高，功能高，而且容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化和智能化。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，尤其是中，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)更廣泛地滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，并將產(chǎn)生越來(lái)越深刻的影響。
搶答器主要用于選手做搶答題時(shí)，選手進(jìn)行搶答，搶到題的選手來(lái)回答問(wèn)題。搶答器不僅考驗(yàn)選手的反應(yīng)速度同時(shí)也要求選手具備足夠的知識(shí)面和一定的勇氣。選手們都站在同一個(gè)起跑線上，體現(xiàn)了公平公正的原則。
一、研究?jī)?nèi)容
用AT89C51設(shè)計(jì)八位競(jìng)賽搶答器，搶答的選手在主持人設(shè)定的時(shí)間內(nèi)答題，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)如果有人搶答上，系統(tǒng)發(fā)出聲音提示，鎖存并禁止其他人員再次搶答，直到電路復(fù)位，重新開(kāi)始新的一輪搶答。搶答過(guò)程中，主持人可隨時(shí)復(fù)位。
研究分析：
軟件部分：Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。支持單片機(jī)51系列仿真，迄今為止是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，綜上所述，可用proteus軟件完成課題。
硬件部分：搶答器是典型的數(shù)字電路系統(tǒng)，是利用數(shù)字電子器件完成以下功能：
搶答功能：通過(guò)八路按鍵配合程序來(lái)實(shí)現(xiàn)搶答功能。當(dāng)主持人按下?lián)尨疰I開(kāi)始搶答后，此時(shí)任一路按下按鈕均閉鎖其它各路，由程序?qū)︽I盤(pán)譯碼并顯示最先按下?lián)尨疰I的路數(shù)及其當(dāng)前時(shí)間。
搶答限時(shí)：主持人按下?lián)尨疰I后，設(shè)置時(shí)間為搶答時(shí)間。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)人搶答，倒計(jì)時(shí)為0秒發(fā)出報(bào)警，說(shuō)明該搶答作廢。此時(shí)閉鎖所有搶答按鍵，只有當(dāng)主持人復(fù)位時(shí)開(kāi)始下一次搶答方可搶答。
答題限時(shí)：當(dāng)選手按下按鈕時(shí)，啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)為0時(shí)發(fā)出報(bào)警，說(shuō)明答題時(shí)間到。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有做答答題作廢！
二、總體要求
基本功能：
1、以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)8位競(jìng)賽搶答器：同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用8個(gè)按鈕S0～S7表示。
2、設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開(kāi)關(guān)S，開(kāi)關(guān)由主持人控制。
3、搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并把優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
擴(kuò)展功能：
1、搶答器具有定時(shí)搶答功能，搶答時(shí)間為10s。當(dāng)搶答開(kāi)始后，定時(shí)器
開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，并顯示在 LED 上，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)聲提醒。
2、闡述時(shí)間為60s，主持人可決定是否加時(shí)間或減時(shí)間，加減時(shí)間只決定闡述時(shí)間下降的速度。闡述時(shí)間到，揚(yáng)聲器發(fā)聲提醒。
3、當(dāng)主持人啟動(dòng)“開(kāi)始”鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間為0.5s左右。
4、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，無(wú)人搶答時(shí)，電路報(bào)警提醒主持人，此后的搶答按鍵無(wú)效。
5、參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
6、主持人可隨時(shí)復(fù)位。
三、研究方法
本次我們要設(shè)計(jì)的是一個(gè)8位競(jìng)賽搶答器，可以同時(shí)供8名選手或8支隊(duì)伍比賽。搶答器要求能快速地鎖定搶答選手或隊(duì)伍的編號(hào)，搶答的信息要能迅速顯示在數(shù)碼管上，并且要能為主持人提供方便的比賽操作，可以靈活地進(jìn)行比賽時(shí)間調(diào)節(jié)與操作比賽的開(kāi)始與結(jié)束，保證整場(chǎng)比賽的公平性與靈活性。考慮到比賽運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用與投入的成本，搶答器整套系統(tǒng)的成本也不能太高，所選用芯片的價(jià)格要求要適中，這樣才能保證搶答器系統(tǒng)的價(jià)格在可以普遍應(yīng)用的范圍內(nèi)。
3.1 方案設(shè)定
方案一：以 AVR 單片機(jī)為主控制芯片，顯示電路用LCD1602實(shí)現(xiàn)，用機(jī)械開(kāi)關(guān)按鈕作為控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)搶答輸入信號(hào)的觸發(fā)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，性能可靠，能方便地完成選手搶答的基本功能。
方案二：該系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)AT89C51作為控制核心，該系統(tǒng)可以完成運(yùn)算控制、信號(hào)識(shí)別以及顯示功能的實(shí)現(xiàn)。由于用了單片機(jī)，使其技術(shù)比較成熟，應(yīng)用起來(lái)方便、簡(jiǎn)單并且單片機(jī)周圍的輔助電路也比較少，便于控制和實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)具有極其靈活的可編程性，能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能的擴(kuò)張和更改。
3.2 方案比較
方案一：由于我對(duì)AVR單片機(jī)不太了解，AVR的編程一般需要gcc或者icc，有特定的環(huán)境，與51相比，稍微復(fù)雜一點(diǎn)，而對(duì)于我這樣的初學(xué)者，51使用起來(lái)更得心應(yīng)手一些。
方案二：51單片機(jī)是電子專業(yè)學(xué)生的必修課，對(duì)于我這樣的學(xué)生，比起方案一，更具有優(yōu)勢(shì)，與AVR相比，我對(duì)51單片機(jī)更熟悉了解。
3.3 方案選擇
綜上所述，對(duì)我來(lái)說(shuō)，方案二比方案一更具有時(shí)效可行性，因此我們選擇使用AT89C51單片機(jī)為主控制器，外加LED顯示電路和報(bào)警電路、按鍵電路的組合，來(lái)完成我們 8 路搶答器的設(shè)計(jì)。
搶答器同時(shí)提供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用8個(gè)按鈕S0～S7表示。設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制按鈕，該按鈕由主持人控制，搶答器具有鎖存與顯示功能。其工作原理為：接通電源后，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，主持人將開(kāi)關(guān)置“開(kāi)始” 狀態(tài)， 宣布開(kāi)始搶答器工作。 定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。 如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除” 和“開(kāi)始” 狀態(tài)開(kāi)關(guān)。 其框圖如圖1 所示：
五、工作計(jì)劃 搶答系統(tǒng)由按鈕、LCD顯示器、蜂鳴器和內(nèi)部芯片組成，其中十二個(gè)按鈕包括主持人操作的復(fù)位按鈕和開(kāi)始按鈕，時(shí)間增、減按鈕，八個(gè)由參賽選手搶答時(shí)使用的搶答按鈕；LCD顯示器用來(lái)顯示搶答過(guò)程中搶答成功選手的編號(hào)和搶答時(shí)間；蜂鳴器為特殊的操作發(fā)出報(bào)警信號(hào)；內(nèi)部芯片為搶答的順利進(jìn)行服務(wù)。 當(dāng)主持人啟動(dòng)開(kāi)始搶答按鍵后，報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)，搶答鑒別模塊進(jìn)入工作 狀態(tài)。選手可以進(jìn)行搶答，同時(shí)搶答定時(shí)器開(kāi)始遞減；當(dāng)時(shí)間未減少到0秒時(shí)，有選手搶答，報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)，則搶答鑒別模塊鎖存該選手的號(hào)碼，其他選手 搶答無(wú)效，同時(shí)，LCD顯示選手編號(hào)，定時(shí)器不再遞減；當(dāng)定時(shí)器時(shí)間減少到0 秒時(shí)，表示搶答時(shí)間到，發(fā)出警報(bào)，選手搶答無(wú)效。搶答選手的號(hào)碼和搶答時(shí)間 的倒計(jì)時(shí)分別通過(guò)譯碼電路顯示在LCD上。若有選手選中,則選中后開(kāi)始答題，并由答題倒計(jì)時(shí)剩余答題時(shí)間LCD顯示，規(guī)定時(shí)間內(nèi)答完題，選手按鍵；若規(guī)定 時(shí)間內(nèi)選手未答完題,答題定時(shí)結(jié)束輸出報(bào)警。 當(dāng)搶答結(jié)束后，主持人可以按下“復(fù)位”鍵讓搶答系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)主持人再次按下“開(kāi)始”鍵后，又開(kāi)始新一輪的搶答過(guò)程。 圖10：搶答器框圖
硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)劃根據(jù)各個(gè)部分的功能將總電路劃分成為晶振電路、搶答電路、顯示電路以及主持人控制電路。 搶答器電路設(shè)計(jì) 該電路完成兩個(gè)功能：一是判斷出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)；二是禁止其他選手按鍵操作無(wú)效。如有再次搶答需由主持人將S開(kāi)關(guān)重新置,“清除”然后再進(jìn)行下一次搶答。 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì) 時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下功能： a.主持人將控制開(kāi)關(guān)撥到"開(kāi)始"位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)。 b.當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 外部中斷和內(nèi)部中斷并存，單片機(jī)硬件復(fù)位端，只要持續(xù)4個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器以及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警電路用于報(bào)警，當(dāng)遇到報(bào)警信號(hào)時(shí)，發(fā)出警報(bào)。 軟件設(shè)計(jì)在目前單片機(jī)的發(fā)展中，其編程語(yǔ)言主要有 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。C 語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言，編寫(xiě)起來(lái)比較簡(jiǎn)單易維護(hù)，匯編語(yǔ)言介于機(jī)器語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言之間， 更接近于硬件，但編寫(xiě)起來(lái)比較冗長(zhǎng)。所以我們這一組選擇的程序采用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。 為了能夠達(dá)到搶答的公平、公正、合理，應(yīng)該在主持人發(fā)布搶答命令之前必須先設(shè)定搶答的時(shí)間，因而在編開(kāi)始搶答前的程序得先編寫(xiě)設(shè)定時(shí)間的程序，當(dāng)時(shí)間設(shè)好了之后，主持人發(fā)布搶答命令按下s1按鍵，程序開(kāi)始打開(kāi)定時(shí)中斷開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，然后調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序，編寫(xiě)鍵盤(pán)掃描程序。當(dāng)在掃描到有人按下了答題鍵，馬上關(guān)閉T0、調(diào)用顯示程序、封鎖鍵盤(pán)。
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