8路智能抢答器的设计方案

.专业.专注.\8路智能抢答器的设计方案1引言智能抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。随着社会科技技术的不断发展，它的应用场合也随之增加；技术含量大大提升；更加方便可靠。目前,在电视台、商业机构、学校及企事业单位，广泛采用多种多样、功能齐全的智能抢答器用于各种竞赛，为竞赛增添了刺激性和娱乐性,人们的业余生活得到了一定程度的丰富和充实。用单片机进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，只要按按钮，便可改变竞赛抢答器的抢答方案。.专业.专注.1.1课题的背景和意义无论军队还是电视节目中，都会用到抢答器。目前市场上已经有很多类型的抢答器，但其中绝大多是早期设计的，采用模拟电路、数字电路或者模数混合电路的产品。这些已经相当成熟，但是随着功能的增多，人们要求的复杂和电路的高要求，成本普遍偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确的判断，也不便于参数的调节和功能的升级换代。近年来随着科技的发展，应用的不断的深入，单片机、PCLD、PCL的应用技术的成熟和准确性，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。本文就是利用单片机为核心部分的控制及信号的产生，单片机的性能优势必将使得竞赛真正达到公平、公正、公开。1.2本课题的主要任务本课题所设计和制作的智能抢答器具有如下功能：1)在主持人按下开始键后显示“FFF”。2)有8个抢答按键，在开始倒计时后可进行抢答。3)抢答成功后进入回答时间倒计时。4)如若选手违规抢答，则显示选手号并报警。5)可以自由调整抢答时间和回答时间。.专业.专注.2智能抢答器的整体设计2.1硬件设计图2.1系统框图如图2.1所示，智能抢答器由单片机、八段数码管显示电路、选手抢答按扭电路、主持人控制电路、时间调整电路和蜂鸣器报警电路组成。2.1.1单片机本设计所用的单片机为STC89C52单片机，STC89C52单片机采用40Pin封装的双列直插DIP结构，如图2.2所示，40个引脚中，电源Vcc和接地GND各一根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口和P3口复用。.专业.专注.图2.2STC89C52的引脚图2.2.2最小系统图2.3STC89C52最小系统图.专业.专注.如图所示为最小系统图。1）复位电路：电容取10u，电阻R取8.2K2）晶振电路：典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）或者12MHz(产生精确的方波便于12分频，方便定时操作)。3）电源为4.5V，用3节5号电池2.1.3选手抢答电路键盘有两类：独立键盘和矩阵键盘。独立键盘的特点是每个按键单独占用一个I/O口，每个按键工作不会影响其它的I/O口线的状态，多用于按键不多的场合。可采用JNB或JB来查询是哪一个按键按下，并转向相应的功能处理程序。当按键较多时，就用到了矩阵键盘。矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键，这样键盘上按键的个数就是4*4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。但由于本设计的按键只有八个，所以采用独立键盘方式，编写程序比较简单，运行速度也较快。如图2.4所示。图2.4选手抢答电路图2.1.4八段显示电路本次设计采用了LG3641AH共阴数码管完成电路的显示工作，该数码管利用了BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。并且具有低能耗、低损耗、.专业.专注.低压等特点。同时它还易于维护，精度高，操作简单。如图2.5：图2.5显示电路图2.1.5主持人控制电路主持人按开始抢答键时，选手开始抢答。主持人按停止/确定键时，禁止选手抢答，并且可以设置回答抢答，如图2.6所示。图2.6主持人控制电路图.专业.专注.2.1.6时间调整电路持人可自由设定每次抢答时间，本人设置的初始值是30s。若参赛选手在设定的抢答时间内进行抢答，抢答才算有效，数码管将显示选手号与答题时间，每次答题时间由主持人自由设定，本人设置的初始值是60s,如图2.7所示。图2.7时间调整电路图2.1.6蜂鸣报警电路当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响。参赛选手在设定的抢答时间内进行抢答，抢答才有效，数码管将显示选手号与答题时间。若抢答时间已到且无人抢答，则该次抢答无效，系统报警并禁止抢答，数码管显示选手号与“FF”，如图2.8所示。图2.8蜂鸣报警电路图.专业.专注.智能抢答器的总电路图见附录一2.2软件设计本程序采用子程序设计，在主程序中调用子程序来完成特定的功能，这样程序会通熟易懂，同时也有利于程序的调试和修改，本程序流程如图2.9。图2.9程序流程图从流程图上可以看出，启动时显示出“FFF”然后按下抢答键，若非法抢答则显示犯规，正常抢答则显示抢答号并倒计时。按下时间调整加一键可调整抢答时间，减一键则调整回答时间。目前，单片机的编程语言主要有C语言和汇编语言两种。C语言是高级语言，编写起来比较简便且易维护，汇编语言介于机器语言和高级语言之间，更接近硬件，但编写起来比较冗长，所以本次运用的为汇编语言，源程序见附录一。.专业.专注.3智能抢答器的设计实现3.1原理图绘制3.1.1protel软件介绍PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计功能：它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式。特点：专题数据库管理环境，对设计文档采取统一的管理机制网络设计组，可以实现基于异地设计的全新设计方法具有在线库编辑的库管理强大的设计自动化功能智能化的基于形状的自动布线功能及交互式手工布线更丰富的PCB设计规则可靠的设计校验，使电路板的可靠性得到保证具有良好的兼容性和开放性3.1.2原理图绘制过程第一步，创建ddb文件，首先打开protel99SE软件，新建一个工程项目即执行菜单命令【FILE】/【NEW】，在弹出的对话框如图3.1所示中将文件格式设置为MSAccessDatabase，文件名改好，然后点击“OK”就创建了一个后缀名.专业.专注.为DDB的文件，我所做的所有内容都会在这个文件里面了。我的工程中我将它命名为“抢答器.ddb”。图3.1创建ddb文件第二步，新建原理图文件，在上一步之后显示的有DesignTeam，RecycleBin，Documents，双击Documents，进入后执行菜单命令【FILE】/【NEW】/【SCHEMATICDOCUMENT】，这样原理图文件就建立在“彩灯”工程项目的文档下了，将其命名为“抢答器原理图.sch”在以后的制作PCB电路板的过程中我也把PCB图建立在该文档下，这样就可以保持文件的有序。.专业.专注.图3.2新建原理图文件第三步，载入元件库，装入所需元件库就是将用户设计中需要用到的元件库载入当前系统，以便在绘图过程中随时查找和取用库中的元器件。如图3.3所示。图3.3载入元件库例如在本设计任务中我需载入sim仿真库，如图点击“Add”，此元件库便添加到工作界面。如果要移除此库，点Remove即可。.专业.专注.图3.4元件表如上图，便可直接在元器件列表中寻找所需的元器件。此外，为更加方便地找寻元件，还可点击左边的“BrowseSch”下的“Find”可直接搜索，打开直接输入RES系统自动在所有库中寻找到目标元件（如图3.5，之间加入这个库并且点击就可以放置这个元件到所需要的位置。.专业.专注.图3.5搜索元件第四步，放置元器件，从装入的元件库中选定所需的各种元器件，将其注意防止到以建立好的工作平面上。然后根据美观清晰的设计要求，调整元件位置。并对元件的序号、封装形式和显示状态等进行定义和设置，以便为下一步的布线工作打好基础。总原理图如下.专业.专注.图3.6总原理图3.2PCB图生成PCB板生成步骤如下：第一步，定义元件封装，双击元件如图3.7所示的框图，在FootDrint后面的框中输入该元件的封装。.专业.专注.图3.7元件封装第二步，电气法则测试，打开菜单命令【TOOL】中的【ERC】出现如图3.8所示的框图。图3.8电气测试规则设置.专业.专注.第三步，生成网络表，在菜单栏Design中选择createNetlist命令，出现如图3.9的框图。图3.9生成的电路原理图网络表第四步，装入网络表，单击菜单栏Design中LoadNets命令，出现如图3.10。.专业.专注.图3.10装入网络表对话框第五步，选择网络表文件，在装入网络表的对话框中，点击Browes,出现如图3.11所示。图3.11选择网络表文件对话框第六步，生成无错误网络表宏信息，如图3.12..专业.专注.图3.12网络表宏信息第七步，装入网络表与文件，自动布局,如图3.13。.专业.专注.图3.13PCB板4智能抢答器的制作4.1智能抢答器的安装首先是对照清单表核对零件，然后用识环法认出各个阻值的电阻并且分类归好。依据实现绘制成的电气原理图开始排版，然后焊接。然后再此次焊接过程中遇到了问题，做出了以下归纳一般来说，造成硬件问题的首要原因就是焊接失误，即焊接的好坏直接影响到产品的正常与否，在本次设计制作的焊接过程中遇到了一些问题，通过查找资料，找到了相关原因：1）焊锡用量过多导致焊点的锡堆积；焊锡过少又不足以包裹焊点；2）冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足，焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮，有细小裂纹。.专业.专注.3）焊锡连桥。指焊锡量过多，造成元器件的焊点之间短路。这对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。4）焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少，以及烙铁离开焊点时角度不当造成的。.专业.专注.表1元器件清单表位号名称规格数量位号名称规格数量RP19脚排电阻1K1S1-S15按键开关6X6X516RP29脚排电阻10K1DSP1数码管四位0.56共阴1RP37脚排电阻10K1Q1三极管S90121R1色环电阻10K1LS蜂鸣器无源蜂鸣器1R2、R3色环电阻0欧2X1接线座2P接线座5.081R4色环电阻1.5K1X2排针4PIN1R5色环电阻4.7K1CY1晶振12M1C1、C3电解电容10uF2LED1发光二极管5MM红色1C2瓷片电容104P1IC1单片机STC89C52RC1C4、C5瓷片电容20P2单片机IC座DIP40标准座1PCB板8X7.6CM1.专业.专注.4.2智能抢答器的测试1）启动电源后系统自动复位，数码管显示“FFF”。这次设计中，电源用的是3节5号电池，以下为调试运行时的实物拍摄如图4.1：图4.1调试开始显示“FFF”2）抢答开始后,抢答器倒计时状态本次设计的八路抢答器可同时供八名选手进行比赛，分别用八个按钮S1~S8表示。该系统还设置一个系统清除键S9和一个抢答器开始键S10，并由主持人自由控制。下图是抢答开始后,抢答器进入5秒倒计时状态实物拍摄如图4.2：.专业.专注.图4.25秒倒计时3）8号选手抢答后42秒倒计时状态主持人启动开始键后，定时器进行减计倒计。下图便是8号选手成功抢答后42秒倒计时状态如图4.3：图4.38号抢答后倒计时42秒4）3号选手犯规状态.专业.专注.主持人按清除键时，禁止抢答，若某选手犯规抢答，数码管将显示选手号与“FF”。下图是主持人禁止抢答后,3号选手犯规抢答时的实物拍摄如图4.4：图4.43号犯规5）抢答和回答时间的调整主持人可以根据现场的具体情况自由调节抢答和回答时间上限，下图为加减时间的实物图4.5：图4.5