基于单片机的无线抢答器设计

目录

摘要 (2)

ABSTRACT (3)

第1章绪论 (4)

1.1 单片机抢答器的背景 (4)

1.2单片机对抢答器的意义 (5)

1.3 抢答器的应用 (5)

第2章系统方案与论证 (7)

2.1基本要求 (7)

2.2 系统方案框图 (7)

2.3系统方案的选择 (9)

2.3.1 无线模块 (9)

2.3.2微控制器模块 (11)

2.3.3 显示和语言提示模块 (12)

第3章硬件设计 (13)

3.1AT89S52简介 (13)

3.2无线发射电路 (15)

3.3 无线接收电路 (16)

3.4 输出控制模块 (17)

第4章软件设计 (19)

4.1抢答器流程图 (19)

4.2主程序 (21)

4.3中断程序 (24)

4.3.1什么是中断 (24)

4.3.2中断所用到的寄存器 (25)

第5章系统仿真 (27)

5.1proteus软件的介绍 (27)

5.2抢答器proteus软件的仿真 (27)

第6章调试功能说明 (30)

6.1系统的调试 (30)

6.2软件调试问题及解决 (31)

第7章总结 (33)

7.1结论 (33)

7.2心得体会 (33)

7.3工作展望 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

附录1 (37)

附录2 (39)

摘要

当今社会竞争日益激烈，知识竞赛等各项比赛、活动愈加频繁，因此抢答的应用与需求也越来越普遍，在生活中扮演的角色越来越重要。同时，智力竞赛是一种生动活泼、寓教于乐的活动形式，而抢答是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。在进行智力竞赛时，往往都是几个组抢答问题，这就要求在时间上严格的区分先后。若是仅凭主持人的主观判断，则很容易造成错判、误判。为此，我们需要设计一种具备自动锁存、置位、清零等功能的智能抢答器来解决这些问题。

传统的抢答器都是导线布线，受现场环境影响很大。本文介绍了一种用52系列单片机的数码显示无线抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有计时和报警功能。主持人通过时间预设开关计算抢答时间。系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。

关键词：无线抢答，定时抢答，无线发射和接收，PT2262/PT2272

ABSTRACT

At present, award winning, knowledge contests and other activities become more frequently, so the Application of Answer and demand will become increasingly common.At the same time,it is a lively competition, fun activities in the form of, and vies to answer first is very common in the quiz answer a way. In intelligence contest, often are several group vies to answer first problem, it is required in time in the strict distinction between successively. If only with the host of the subjective judgment, it is very easy to create the falsely accused, misjudgment. For this, we need to design a kind of have to be automatic lock to save, buy a, reset function of intelligent vies to answer first device to solve these problems.

The traditional vies to answer first vessels were wire wiring, the environment by influence. This paper introduces a kind of 51 series microcontroller with the digital display wireless road 4 is composed of the circuit, vies to answer first design idea and function. This is in addition to the basic vies to answer first vies to answer first function outside, still have time and alarm function. By the time the switch calculation vies to answer first time. The system will complete automatic countdown. If the stipulated time someone vies to answer first, the timing will

automatically stop; If the stipulated time no contest, the system will send the buzzer rang, indicating that the host this contest null and void, realize the alarm function.

Key words: wireless Answer，timing answer，wireless transceiver，PT2262/PT2272

第1章绪论

1.1单片机抢答器的背景

早期的竞赛器只由几个过三极管、可控硅、发光二极管等组成，能通过发光二极管的指示辨认出选手号码，现在大多数竞赛器单片机或数字集成电路组成。

在科技高速发展的今天，人才成为最重要的社会资源之一。竞争日益激烈，人才选拔，评选择优的活动越加频繁，而在这些活动当中，往往分为几组选手参加，针对主持人提出的问题，如果用举手的方式抢答，往往会因主持人判断的误差，造成比赛的不公平性，人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。其中抢答器的作用也就显而易见。因此数字竞赛器应运而生，由于其准确性高、实用性强，所以得到迅速推广，从最初的益智类节目，广泛应用到各类活动、娱乐节目中。目前很多抢答器基本上采用小规模数字集成电路设计，使用起来不够理想，因此设计一款易于使用和区分度高的抢答器成了非常迫切的任务。现在单片机已进入各个领域，以其功耗小、智能化而著称，所以若有单片机来设计抢答器，更使以上的问题得以解决。这种基于单片机设计抢答系

统，通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的功能。单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。

1.2单片机对抢答器的意义

本系统采用单片机作为整个控制核心。控制系统的四个模块为：显示模块、存储模块、语音模块、抢答开关模块。该系统通过开关电路四个按键输入抢答信号；利用一个数码管来完成显示功能；用按键来让选手进行抢答，在数码管上显示哪一组先答题的，从而实现整个抢答过程。在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。

本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。系统工作原理本系统采用AT89s52单片机作为核心。控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、语音模块、抢答开关模块。该抢答器系统通过开关电路四个按键输入抢答信号；利用一个数码管来完成显示功能。工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，单片机控制的智能抢答器设计。

1.3抢答器的应用

随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等,因此出现了抢答器。抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。因此我们设计了以单片机为核心的新型智能的抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系

列的实用功能并简化其电路结构。抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。传统普通抢答器主要存在以下缺陷：（一）在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效抢答信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。

（二）现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的位置不同，每个选手与控制台之间有长长的连线。选手越多，连线就越多、越乱，这些连线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装难度。而本设计对于参赛选手采用无线抢答器，减少了不必要的费用、劳动力，同时更为方便、美观。

第2章系统方案与论证

为完成竞赛抢答任务，该系统采用无线通信。主持人控制电路采用交流供电，选手电路采用蓄电池供电，基本做到自由移动无线通行。各部分都采用单片机作为控制核心；采用无线收发模块，作为无线通信器件，具有电路简洁可靠的优点。数据的传输，采用帧结构对要传输的数据进行打包。帧结构的起始位采用特殊实用的结构，既可包含发送对象的地址信息，又具有很强的抗干扰能力，使已传送的数据显示十分稳定可靠。抢答器的显示部分可倒计时。

2.1基本要求

（1）系统容量：为满足竞赛抢答的要求，系统容量定位为4路。

（2）系统能完成：倒计时指令发送与接收；对抢答信息发送与接收；

（3）所有信息交换都采用无线通信。

2.2 系统方案框图

图2-2-1 基本结构框图

由于主持人控制电路主要是实现电路的开始和复位，而选手的控制电路的实现主要通过无线传输模块的发射和接收实现，则基本机构图根据需要功能，也可衍生出基本功能框图。如图2-2-2。

图2-2-2 基本功能框图

抢答器的工作过程是：接通电源后，节目主持人置于“复位”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答节目后，发出“抢答开始”指令，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器倒计时3秒。当计时时间到，完成抢答并锁存输入电路。当选手在定时时间内按动抢答器时，抢答器要完成以下几项工作。

(1) 首先把选手的编号锁存，然后优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，然后由译码显示电路显示编号。

(2) 控制电路要对输入电路进行封锁，避免其他选手进行抢答。 (3) 控制电路要使定时器停止工作，时间显示器显示剩余的抢答时间，并保持到主持人系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮的抢答。

无线发射模块 无线接收模块

单片机系统

显示

按键开始

按键复位

2.3系统方案的选择

根据该课题设计的要求，本系统可以划分为以下几个基本模块，针对各个模块的功能要求，分别有以下一些不同的设计方案：

2.3.1无线模块

方案一：JZ863微功率无线数传模块

JZ863微功率无线数传模块，是一种短距离无线数据传输产品，JZ863模块实物图如图2-3-1所示。它体积小，功耗低，稳定性及可靠性极高，能方便为用户提供双向的数据信号传输、检测和控制。适合水电气三表、停车场咪表、智能卡、电子衡器、门禁考勤、无线排队、楼宇控制、货场物流、防盗报警、智能仪器仪表、无功补偿、智能教学设备、体质检测智能设备、测量设备、汽车黑匣子、自动控制、家居智能化等领域的数据控制和数据抄录。

图2-3-1JZ863模块实物图

JZ863功能特点：

（1）微发射功率；

（2）低功耗；

（3）ISM频段工作频率，无需申请频点；

（4）高抗干扰能力和低误码率；

（5）传输距离远；

（6）透明的数据传输；

（7）多信道，多速率；

（8）高速无线通讯和大的数据缓冲区；

（9）智能数据控制，用户无需编制多余的程序；

（10）高可靠性，体积小、重量轻；

（11）看门狗实时监控。

虽然JZ863性能很好，功能强大，但是其成本及使用难度较大。对于本设计来说实现起来有一定的困难。

方案二：J05R、F05P无线收、发

F05P微功率无线发射模块采用SMT工艺，小体积，低功耗，声表稳频，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输，F05P具有较宽的工作电压范围，ASK方式调制，单片机的数据可直接通过串口进入数据输入端。F05P 在无数据输入时单片机为低电平状态，数据信号停止，发射电流为零。F05P 发射模块如图2-3-2所示。

图2-3-2 F05P发射模块

J05R是一款超外差接收模块。该模块超采用高频无线通信技术，低噪声RF集成芯片，具有极高灵敏度及性价比，完善的抗静电保护，可靠性高；是工业控制、通讯、遥控安防、滚动码遥控、电动门控系统及远距离传输等领域及复杂环境要求较高系统的理想选择。J05R带解码如图2-3-3所示。

图2-3-3 J05R带解码

主要特点：

（1）小体积、灵敏度高、接收距离远；

（2）具有很强的同频抑制能力，抗干扰能力特强，适应各种环境；

（3）良好的集散辐射抑制能力，易通过各种检测标准； （5）采用SAW 本振,性能稳定一致性好，适用温度范围广； （6）接收内部无燥声输出，无数据输出时为零电平； （7）单片机直接接口容易实现(传输速率最高可达20kbps)。

以F05P 、 J05R 为发射和接收电路，并配以PT2262、PT2272构成发射和接收模块，对于本设计来说均能满足要求。此模块总体结构简单、外观尺寸较小、成本不高，所以对于本设计来说，容易实现。

综上分析，选用第二种方案。 2.3.2 微控制器模块

方案一：此方案采用普通数字集成电路设计符合要求的控制电路。这种方案不涉及程序的编写设计，但是要达到这样一个控制要求，就必须进行复杂的一系列功能设计。其过程繁琐，条理混乱，设计的难度大大的增加了，同时，一旦电路设计成功，便很难进行功能更改，不利于系统的优化和功能的扩展。数字芯片控制系统框图如图2-3-4所示。

图2-3-4 数字芯片控制系统框图

方案二：以电脑作为上位机，利用USB 端口或者串口编程技术实现，逻辑上面的判断以及处理均由程序来完成。这种抢答器可以在电脑上面显示并且可以与相应的设备构成功能更为强大的系统，配合单片机控制能力强的优势，将会是完美的结合，这也是我们追求的目标。但是本系统的设计难度较大，对于现目前的自身的水平来说，实现起来还有一定的困难。PC 控制系统框图如图2-3-5所示。

通信电路

数字芯片信息处理

电路

信息反馈电路

通信电路

电脑上位机信息处

理电路

信息反馈电路

图2-3-5 PC 控制系统框图

方案三：此方案采用AT89S52单片机进行系统控制，由于本设计所要求的控制功能较为单一，不涉及复杂的结构和电路，所以相对来说AT89S52足以满足本设计的要求，以最小系统作为基础，再加上接收模块以及显示和语音提示模块，可很好的实现对整个系统的控制。单片机控制的系统框图如图2-3-6所示。

图2-3-6 单片机控制系统框图

综上所述，采用第三个方案，即AT89S52单片机系统控制。 2.3.3 显示和语言提示模块

方案一：采用液晶字符显示的方式进行信息显示。语音提示采用音乐程序并在外围用功放电路进行功率放大。此方案整体效果较好，但系统的比较复杂，程序也较为繁琐，总体成本也较高。LCD 显示系统框图如图2-3-7所示。

图2-3-7 LCD 显示系统框图

方案二：采用四位数码管动态显示的方法，进行抢答组数和倒计时的信息显示实现提示功能。此方案节省单片机接口，外围电路的复杂程度大大的降低了，蜂鸣器的使用也在一定程度上简化了系统程序。数码管显示系统框图如图2-3-8所示。

图2-3-8 数码管显示系统框图

通信电路

单片机 信息处 理电路

信息反馈电路

控制系统

液晶字符显示 功率放大电路

扬声器

数码管显示

蜂鸣器提示

控制系统

综上分析，采用第二个方案。

第3章硬件设计

为了满足系统功能和系统的灵活性，本系统各部分均采用单片机作为核心器件。为了使电路结构简单，性能可靠，无线部分均采用性能良好的收发模块PT2262/PT2272（PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片，其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁）。硬件系统是一个数、模、单片机混合电路。

3.1AT89S52简介

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S52引脚图如图3-1-1所示。

图3-1-1 AT89S52引脚图

主要性能：

（1）与MCS-51单片机产品兼容；

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；

（3）1000次擦写周期；

（4）全静态操作：0Hz-33MHz；

（5）三级加密程序存储器；

（6）32个可编程I/O口线；

（7）三个16位定时器/计数器；

（8）六个中断源；

（9）全双工UART串行通道；

(10)低功耗空闲和掉电模式；

(11)掉电后中断可唤醒；

(12)看门狗定时器；

(13)双数据指针；

(14)掉电标识符。

单片机最小系统就是能让单片机工作起来的一个最基本的组成电路。以单片机AT89S52为核心，AT89S52的18、19引脚端外接石英晶体振荡电路，9引脚外接S17、R2、C1组成的复位电路，20脚接地，40、31脚接电源Vcc，就构成了AT89S52单片机的最小系统如图3-1-2。在单片机最小系统的基础上外接相关的工作电路，并让这些电路按程序设计要求工作，就组成了单片机应用电路。

图3-1-2单片机的最小系统图

3.2无线发射电路

无线发射电路由抢答按键，编码电路，发射电路组成。由于F05P对直流电平及模拟信号是不能发射的，而在本设计中无线发射电路发用蓄电池供电，故结合PT2262使用。PT2262的数据无论怎么变但频宽不变，计时出现一点突发性的外界干扰，它的宽容性也会解码输出高点品。

PT2262/PT2272 是台湾普诚公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗、低价位的通用编解码电路，可靠性及稳定性较好。PT2262外观如图3-2-1所

示。

其中PT2262 最多可有6 位（D0~D5）数据引脚，通常使用8位地址，4

位数据的组合。在TE端为低电平的情况下，只要有1位为高电平即有编码发出，因此本电路设计成4路抢答，使用全部6位数据端时可设计成6路抢答，在超过6路需扩展编码、译码电路。设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，触发无线发射模块F05P 工作。F05P采用SMT工艺，树脂封装，小体积，声表谐振器稳频，内部具有一级调制电路及限流电阻，适合单片机短距离无线数据传输。FO5P基本满足抢答器的传输距离要求，不需另加天线。单片机的数据可直接进入F05P的数据输入端，以315MHz向外发射无线信号。F05P 需要输入数据才能发射，数据信号停止，发射电流为零。本电路使用9V电池供电。按下S1-S4，PT2262给出对应的脉冲编码信号，按键动作转化为无线遥控信号发出。无线发射原理图如图3-2-2所示。

图3-2-2无线发射电路原理图

3.3 无线接收电路

无线接收电路由接收电路、解码电路组成。无线接收电路原理图如图3-3-2所示。无线接收电路采用与FO5P配套的J05R，工作频率315M，以及与PT2262

配套使用的PT2272。J05R是一款超超高频无线数据传送超外差接收模块，具

有灵敏度高、抗干扰能力强，与单片机直接接口容易实现的特点，使用中无需调整频点，特别适合多发一收的无线遥控系统。与F05P配套使用可实现无线数据的稳定传输。J05R接收解调信号送PT2272 解码。PT2272外观图如图3-3-1所示。PT2272 有L4/M4/L6/M6 等4 种不同功能的芯片，这里选用M4即非锁存4路并行数据输出。PT2272 接收有效信号时，VT（17 脚）端由低电平转变为高电平经与非门倒相后触发中断，D0-D3 将编码信息送入AT89S52 处理。

图3-3-1 PT2272外观图

图3-3-2无线接收电路原理图

3.4 输出控制模块

控制及输出电路由AT89S52，共阴极LED 数码管，蜂鸣器组成。触发端受脉冲触发后立即输出信号，直接驱动蜂鸣器发出声音。控制电路以AT89S52

为核心，当有键按下时，通过外部中断1向单片机申请中断。单片机响应中断后，判断出发射电路，并通过P0、P2 口输出显示抢答组号，从P3.5输出低电平，使蜂鸣器发出有按键按下的提示音，同时封锁中断，屏蔽其它按键响应，需手动复位后方可进行下一轮抢答。输出控制图如图3-4-1所示。

图3-4-1 输出控制图

第4章软件设计

4.1抢答器流程图

流程图是使用图形表示算法的思路是一种极好的方法，不论采用何种程序设计方法，程序总体结构确定后，一般以程序流程图的形式对其进行描述。总体框图中的各个子模块或各个子任务也应该结合具体的教学模型和算法画出较详细的程序流程图，供后面编写具体程序和阅读程序使用。

流程图是由一些图框和流程线组成的，其中图框表示各种操作的类型，图框中的文字和符号表示操作的内容，流程线表示操作的先后次序。流程图的基本结构为顺序结构，分支结构（又称选择结构），循环结构。为便于识别，绘制流程图的习惯做法是：

方框表示：要执行的处理（Process）

平行四边型表示：代表资料输入（Input）

不规则图形代表资料输出（Output）或报表输出（Print）

菱形表示：决策或判断（例如：If...Then...Else）

同时，由于发射电路及接收电路采用了集成编码解码模块，软件设计只需考虑控制电路控制功能的实现。主要涉及中断响应及输出控制两个部分，软件设计较为简单。显示程序采用动态显示方式。上电后，单片机复位，显示输出“0 –20”，同时开启外部中断，当按下开始键后，便等待抢答信号。若抢答端口有信号送来，则调用中断程序。中断程序首先关闭中断，这样屏蔽了对后来抢答信号的响应，然后查表判断抢答者对应的组号并转换为七段显示编码后经P1、P2 输出显示，同时从P3.4 输出低电平，触发提示音电路工作。由于在中断程序返回时并没有开放中断，需重新手动复位后才能进行下一轮抢答，这也方便主持人对现场的掌控。程序流程图如图4-1-1所示。

图4-1-1抢答器主程序流程图

图4-1-2 抢答器定时器中断流程图

定时器0中断

1秒时间到？

中断返回

N

秒加1

数码管显示秒值

Y 初始化部分

抢答开始

启动定时器，数码管显示倒计时

若有选手抢答

计时停止，数码管显示选手的标号及所用的时间

结束

开始 N

Y

Y

N