基于8051 单片机的电子抢答器硬件电路设计研究

周航，陈艳玲，龚浩，陶玉宁，田元，张忠德

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌，443000）

0 引言

本设计完成一个8 路抢答器,同时提供不少于3 名参赛选手的抢答控制和显示,通过主持人的开始按键对抢答进行倒计时5s,数码管显示倒计时时间,此时如有选手抢答系统报警并显示犯规选手编号,主持人按下复位键才能重新开始,准备倒计时结束后,进入15s 的抢答倒计时,此期间有选手抢答,数码管显示选手编号,系统自动使其他选手按键无效,抢答倒计时清零,选手答题完毕,由主持人按下复位键复位,实现抢答器控制[1-5]。

1 整体设计原理

（1）设计原理：设计完成一个8 路抢答器，同时提供不少于3 名参赛选手的抢答控制和显示。

（2）主控芯片介绍：AT89C51 是一款带4K 字节FLASH 储存器，亦称低电压、高性能的CMOS8 位微处理器，俗称单片机。

（3）附有设计空间。AT 硬件电路的设计应考虑到将来修改和扩展的方便性。

（4）为了使电路精简化，平常所用的几种普通芯片可以被功能强大的芯片所代替。

（5）程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，方便单片机读取，输出及最后的运行，本设计采用AT89C51 单片机。

（6）RAM 空间：如果软件数据处理功能得到加强，AT89C51 的RAM 空间和内置RAM 往往不足，如果系统由外部RAM 组成，建议预留更多空间。

（7）I/O 端口：在试用机开发后的现场测试中，通常会显露出一些被忽视的问题，并且这些问题无法通过简单的软件措施来解决。本次设计总体硬件电路原理图如图1 所示。

图1 硬件电路系统原理图

2 分电路设计

■2.1 时钟频率电路的设计

微控制器只能在时钟打开时运行。在微型计算机内部有一个时钟电路，为了确定单片机的运行速度，只需要一个外部振荡器源就可以产生时钟信号并将其发送到每个单元单片机。电路如图2 所示。

图2 外部振荡源电路

一般来说，选择石英晶体振荡器。此部分电路使用的振荡器在10ms 的导通延迟后开始振动，振幅为3V 左右的正弦时钟信号且该信号被放置在XTAL2 引脚上。振荡频率主要由晶体振荡器的频率决定。该电路有两个电容器C1 和C2，一个用于振荡振荡器，另一个用于调整振荡器的频率。电路中微调电容C1、C2 的值均为22PF。

■2.2 复位电路的设计

AT89C51 单片机有一个引脚RST，它作为施密特触发器的输入，其输出位于复位电路的入口处，这个复位信号在高电平有效，其有效时间会持续24 个振荡脉冲周期。

复位电路分为手动复位和上电复位，它提供了两种手动复位模式：电平模式和脉冲模式。本设计采用手动复位的电平复位，便于操作，如图3 所示。

图3 复位电路

■2.3 显示电路的设计

在单片机应用系统中，通常需要直观、交互式地运行系统及其结果，微控制器应用系统中最常用的显示器是LCD和LED，两个显示屏都可以显示数字、字符和系统状态。LED 和LCD 数字显示器是最常见的,这种设计使用了更环保的4 位LED 显示器，如图4 所示。

图4 共阴极数码管显示电路

■2.4 发声电路的设计

声音的频谱大约有几千个赫兹，如果单片机控制“高”或“低”电平的程序，则在口线上会产生特定频率的方波，并且通过连接扬声器会产生特定频率的环路。“高”和“低”电平持续时间由延迟程序控制，音调取决于输出频率，进而扬声器可能会产生不同的音调。

图5 中的蜂鸣器的一端连接到单片机的17 引脚RD，其输出具有复杂的功能，并使用单片机RD 引脚的IO 端口功能，单片机提供交流波形输出，该输出将扬声器与内置计时器结合在一起。

图5 发声电路

■2.5 抢答按键电路的设计

键盘是我们在使用单片机时必不可少的设备。通常可以通过相关文献和书籍中描述的各种方式来使用该硬件电路中的键盘放置方式。从系统监视软件设计的角度来看，键盘扫描程序并不完整，键盘扫描仅仅完成了当前键盘的扫描和状态读取。它还有许多问题要解决，除了在操作键盘时，人们很容易误用和控制。在单片机应用中最常见的应用形式分为独立键盘和矩阵键盘两种。

它们各具特色，其中独立键盘的硬软件切换容易，编程方便简洁，通常用于对硬件电路要求不高的简单电路中。矩阵键盘与独立键盘差异较大，首先，在硬件电路上，它的程序算法比独立键盘更加复杂，但它具有节省端口资源的优点，适用于多按键电路。其次，在按下按钮的过程中容易出现“毛刺”现象，在此采用延时重复扫描法对其进行消除，该方法的原理是：由于“毛刺”脉冲通常持续时间短暂，约为几毫秒，而且按下按钮的时间通常比这个时间更长。因此，如果微控制器在一定时间段（通常为10ms）内检测到按钮的运动，它将评估电平是否保持其原始状态。如果是则该按钮有效，否则无效。

本设计使用的是单独键盘，主要分为抢答选手响应键（8 人按键）的输入电路和主持人按键输入电路（开始键和结束键）。选手抢答按键输入电路如图6 所示。

八个响应键K1～K8 连接到单片机的P1.0～P1.7，并且微计算机识别P1.0～P1.7 的值，确定是八个抢答键中哪一个按键输入。

■2.6 控制按键电路的设计

主持人控制（开始、复位键）电路如图7 所示。

图6 选手抢答按键输入电路

开始键和结束键分别与微型计算机的10 脚和12 脚连接，此处用到了单片机的10 脚、12 脚RXD 和INT0 的IO端口功能，然后读取引脚10 和12 的P3.0 和P3.2 的IO 端口值，以查看它们当前是处于抢答响应还是结束状态。

3 结论

本设计是采用单片机设计的8 路多功能电子抢答器，这个抢答器具有抢答功能和控制回答问题时间等功能。它利用了单片机系统的特点，结构简单，功能强大，可靠性和功能性强。

图7 主持人控制电路