竞赛抢答器的研究与设计

摘要：本设计的竞赛抢答器核心控制器件是单片机STC89C52为，利用单片机的定时器或计数器定时和计数的原理，将硬件与软件有机地结合在一起，使得系统能够正确地进行计时，在同一时间使数码管能够正确地显示时间和选手号码。本文主要围绕竞赛抢答器的硬件电路和软件程序的设计思路和具体过程进行探究。 关键词：竞赛抢答器；设计；机械设计 前言

随着时代的发展，各类竞赛和选秀节目层出不穷，而参赛者的素质也不断提高，这不但迫切要求着一个更加公平公正公开的赛制更要求我们推出一个能够支持公平公开公正的赛制的硬件设备。单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。

1.竞赛抢答器的硬件与软件的设计与实现 1.1方案的确定 1.1.1方案一

各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，但是由于系统功能要求较高，所以电路连接集成电路相对较多，而且过于复杂，并且制作过程工序比较烦琐，使用不太方便。 1.1.2方案二

采用52系列单片机STC89C52作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于使用单片机作为控制核心，其技术比较成熟，应用起来方便、简单，并且周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩展和更改。

经过比较，显然方案二比方案一简单的多，不但从性能上优于方案一，而且在使用上及其功能的实现上都较方案一简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使其工作速度更快、效率更高。另外STC89C52单片机可以采用12MHz的晶振，提高了信号的测量精度，并且使该系统可以通过软件改进来扩展功能。而方案一采用了中小规模集成电路，由于其复杂的电路性能，可能会使信号的输入输出产生延时及不必要的误差。因此选择方案二比较适合。 1.2 设计步骤

（1）根据要求，设计出比较合理的方案，选取合适的硬件器件，熟悉各个器件的性能。

（2）编写程序，根据设计的要求，编制主程序以及各子程序模块。 （3）通过Keil、Proteus等软件进行仿真。

（4）仿真成功后开始搭建实物电路，并且进行调试。 （5）进行PCB设计。 （6）实验总结。 （7）撰写研究报告。 1.3 电路原理图的设计

根据设计功能的要求和各器件工作环境的要求，电路设计遵循可行性和可操作性来设计，具体应该包括控制电路，按键电路，以及用来显示裁决结果的显示电路。除了用数码管显示目前的动作情形，同时也需要用声音提醒或者警告操作

人员，因此也在电路设计时加入了报警电路。经过不断的仿真和比较最终确定的竞赛抢答器的电路主要电路硬件包括：单片机最小系统（即控制电路）、按键电路、显示电路、报警电路、时钟电路、复位电路。 2.制板

2.1 设计原理图

创建一个新项目；创建一张新的原理图图纸；查找元件；在原理图中放置元件；设置元件属性；放置电源和接地符号；绘制原理图。 2.2 定义元件封装

原理图设计完成后，元件的封装有可能被遗漏或有错误。对于用户自己设计的元件或者是某些特殊元件，必须由用户自己定义或修改元件的封装。 2.3 设置PCB图纸

可以设定PCB电路板的结构及尺寸，板层数目，通孔的类型，网格的大小等，既可以用系统提供的PCB设计模板进行设计，也可以手动设计PCB板。 2.4 生成网表和加载网表

网表是电路原理图和印刷电路板设计的接口，只有将网表引入PCB系统后，才能进行电路板的自动布线。

2.5 布线调试及故障分析系统软件的设计

设置布线规则后，先自动布线，然后手工调整。在元件很少且布线简单的情况下，也可以直接进行手动布线。制成的电路板如图1所示：

图1：抢答器的PCB电路图 3.系统软件的设计

众多软件的联合使用对应用系统的设计起到了很重要的作用，在实物制作之前对设计进行仿真，可以检验程序的执行结果是否与设计的功能相同，这样可以对程序进行改进。在这里用到了Keil C和Proteus，同时在电路制板时用到了Altium Designer Winter 09绘制PCB板。 3.1 主流程

主流程图如图2所示

图2：主流程图

3.2编译及仿真软件软件 3.2.1 Keil C的使用

Keil C是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时支持汇编和C语言的程序设计，本设计使用它作为C编译器，使用方法如下：

首先建立一个工程，然后将C程序文件添加到工程下链接编译，接着设置生成并输出HEX文件，如果程序编译后有错误就进行调试。 3.2.2 proteus7.4的使用

PROTEUS软件是英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件。它是一个集模拟电路、数字电路、模/数混合电路以及多种微控制器系统为一体的系统设计和仿真平台。是目前同类软件中最先进、最完整的电子类仿真平台之一。它真正实现了在计算机上完成从原理图、电路分析与仿真、单片机代码调试与仿真、系统测试与功能验证到PCB板生成的完整的电子产品研发过程。 4.总结语

与普通抢答器相比，本设计有以下几方面优势：

（1）具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人提前抢答违反规则。 （2）具有定时功能，在规定时间内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权。

参考文献：

[1]刘真，等.数字逻辑原理与工程设计[M].北京：高等教育出版社，2003. [2]刘征宇.最新74系列IC特性代换手册[M].福州：福建科学技术出版社，2002.