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)計方法在不斷的演變和發(fā)展，由原來單一的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設(shè)計(中、小規(guī)模集成器件)、軟件邏輯設(shè)計(軟件組裝的LSI和VSI，如微處理器、單片機等)及兼有二者優(yōu)點的專用集成電路(ASIC)設(shè)計。目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計算機、自動控制、電子測量儀表、電視、通信等各個領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測量技術(shù)中，數(shù)字測量儀表不僅比模擬測量儀表精度高，功能高，而且容易實現(xiàn)測量的自動化和智能化。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)用范圍將會更廣泛地滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，并將產(chǎn)生越來越深刻的影響。
搶答器主要用于選手做搶答題時，選手進(jìn)行搶答，搶到題的選手來回答問題。搶答器不僅考驗選手的反應(yīng)速度同時也要求選手具備足夠的知識面和一定的勇氣。選手們都站在同一個起跑線上，體現(xiàn)了公平公正的原則。
一、研究內(nèi)容
用AT89C51設(shè)計八位競賽搶答器，搶答的選手在主持人設(shè)定的時間內(nèi)答題，在規(guī)定時間內(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，重新開始新的一輪搶答。搶答過程中，主持人可隨時復(fù)位。
研究分析：
軟件部分：Proteus軟件是英國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，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。支持單片機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)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，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：通過八路按鍵配合程序來實現(xiàn)搶答功能。當(dāng)主持人按下?lián)尨疰I開始搶答后，此時任一路按下按鈕均閉鎖其它各路，由程序?qū)︽I盤譯碼并顯示最先按下?lián)尨疰I的路數(shù)及其當(dāng)前時間。
搶答限時：主持人按下?lián)尨疰I后，設(shè)置時間為搶答時間。若在規(guī)定的時間內(nèi)無人搶答，倒計時為0秒發(fā)出報警，說明該搶答作廢。此時閉鎖所有搶答按鍵，只有當(dāng)主持人復(fù)位時開始下一次搶答方可搶答。
答題限時：當(dāng)選手按下按鈕時，啟動倒計時，倒計時為0時發(fā)出報警，說明答題時間到。若在規(guī)定的時間內(nèi)沒有做答答題作廢！
二、總體要求
基本功能：
1、以單片機為核心，設(shè)計一個8位競賽搶答器：同時供8名選手或8個代表隊比賽，分別用8個按鈕S0～S7表示。
2、設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，開關(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，并把優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
擴展功能：
1、搶答器具有定時搶答功能，搶答時間為10s。當(dāng)搶答開始后，定時器
開始倒計時，并顯示在 LED 上，同時揚聲器發(fā)聲提醒。
2、闡述時間為60s，主持人可決定是否加時間或減時間，加減時間只決定闡述時間下降的速度。闡述時間到，揚聲器發(fā)聲提醒。
3、當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，定時器進(jìn)行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間為0.5s左右。
4、在規(guī)定時間內(nèi)，無人搶答時，電路報警提醒主持人，此后的搶答按鍵無效。
5、參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。
6、主持人可隨時復(fù)位。
三、研究方法
本次我們要設(shè)計的是一個8位競賽搶答器，可以同時供8名選手或8支隊伍比賽。搶答器要求能快速地鎖定搶答選手或隊伍的編號，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)行比賽時間調(diào)節(jié)與操作比賽的開始與結(jié)束，保證整場比賽的公平性與靈活性。考慮到比賽運營的費用與投入的成本，搶答器整套系統(tǒng)的成本也不能太高，所選用芯片的價格要求要適中，這樣才能保證搶答器系統(tǒng)的價格在可以普遍應(yīng)用的范圍內(nèi)。
3.1 方案設(shè)定
方案一：以 AVR 單片機為主控制芯片，顯示電路用LCD1602實現(xiàn)，用機械開關(guān)按鈕作為控制開關(guān)，實現(xiàn)搶答輸入信號的觸發(fā)。該電路的優(yōu)點是中小規(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AT89C51作為控制核心，該系統(tǒng)可以完成運算控制、信號識別以及顯示功能的實現(xiàn)。由于用了單片機，使其技術(shù)比較成熟，應(yīng)用起來方便、簡單并且單片機周圍的輔助電路也比較少，便于控制和實現(xiàn)。整個系統(tǒng)具有極其靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進(jìn)行功能的擴張和更改。
3.2 方案比較
方案一：由于我對AVR單片機不太了解，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，而對于我這樣的初學(xué)者，51使用起來更得心應(yīng)手一些。
方案二：51單片機是電子專業(yè)學(xué)生的必修課，對于我這樣的學(xué)生，比起方案一，更具有優(yōu)勢，與AVR相比，我對51單片機更熟悉了解。
3.3 方案選擇
綜上所述，對我來說，方案二比方案一更具有時效可行性，因此我們選擇使用AT89C51單片機為主控制器，外加LED顯示電路和報警電路、按鍵電路的組合，來完成我們 8 路搶答器的設(shè)計。
搶答器同時提供8名選手或8個代表隊比賽，分別用8個按鈕S0～S7表示。設(shè)置一個系統(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)，主持人將開關(guān)置“開始” 狀態(tài)， 宣布開始搶答器工作。 定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。 如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除” 和“開始” 狀態(tài)開關(guān)。 其框圖如圖1 所示：
五、工作計劃 搶答系統(tǒng)由按鈕、LCD顯示器、蜂鳴器和內(nèi)部芯片組成，其中十二個按鈕包括主持人操作的復(fù)位按鈕和開始按鈕，時間增、減按鈕，八個由參賽選手搶答時使用的搶答按鈕；LCD顯示器用來顯示搶答過程中搶答成功選手的編號和搶答時間；蜂鳴器為特殊的操作發(fā)出報警信號；內(nèi)部芯片為搶答的順利進(jìn)行服務(wù)。 當(dāng)主持人啟動開始搶答按鍵后，報警電路發(fā)出警報，搶答鑒別模塊進(jìn)入工作 狀態(tài)。選手可以進(jìn)行搶答，同時搶答定時器開始遞減；當(dāng)時間未減少到0秒時，有選手搶答，報警電路發(fā)出警報，則搶答鑒別模塊鎖存該選手的號碼，其他選手 搶答無效，同時，LCD顯示選手編號，定時器不再遞減；當(dāng)定時器時間減少到0 秒時，表示搶答時間到，發(fā)出警報，選手搶答無效。搶答選手的號碼和搶答時間 的倒計時分別通過譯碼電路顯示在LCD上。若有選手選中,則選中后開始答題，并由答題倒計時剩余答題時間LCD顯示，規(guī)定時間內(nèi)答完題，選手按鍵；若規(guī)定 時間內(nèi)選手未答完題,答題定時結(jié)束輸出報警。 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“開始”鍵后，又開始新一輪的搶答過程。 圖10：搶答器框圖
硬件電路設(shè)計計劃根據(jù)各個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 該電路完成兩個功能：一是判斷出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置,“清除”然后再進(jìn)行下一次搶答。 時序控制電路設(shè)計 時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下功能： a.主持人將控制開關(guān)撥到"開始"位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)�！ � b.當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 復(fù)位電路設(shè)計 外部中斷和內(nèi)部中斷并存，單片機硬件復(fù)位端，只要持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復(fù)位，硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器以及存儲器的值都恢復(fù)到了初始值。 報警電路設(shè)計 報警電路用于報警，當(dāng)遇到報警信號時，發(fā)出警報。 軟件設(shè)計在目前單片機的發(fā)展中，其編程語言主要有 C 語言和匯編語言。C 語言是高級語言，編寫起來比較簡單易維護(hù)，匯編語言介于機器語言和高級語言之間， 更接近于硬件，但編寫起來比較冗長。所以我們這一組選擇的程序采用C語言來編寫。 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)定搶答的時間，因而在編開始搶答前的程序得先編寫設(shè)定時間的程序，當(dāng)時間設(shè)好了之后，主持人發(fā)布搶答命令按下s1按鍵，程序開始打開定時中斷開始倒計時，然后調(diào)用鍵盤掃描子程序，編寫鍵盤掃描程序。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。
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