基于单片机的有色冶金企业八路无线抢答器设计

2020-12-25

世界有色金属 2020年19期

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃武威 733006）

抢答器是一种广泛用在各种知识竞赛、辩论比赛等抢答环节的电子设备。抢答器电路的实现既可以由比较复杂的数字电路来实现，也可以采用功能比较强大的单片机电路来实现。普通的抢答器电路复杂、价格昂贵、布线复杂且工作时受人为影响因素较大[1]。由单片机实现的抢答器电路具有电路结构简单、系统工作可靠性强、电路硬件成本低廉等显著优点并且减少了人工失误、减轻了主持人及参赛队伍的工作量从而得到了广泛的应用。以单片机作为数据处理核心单元的无线抢答器借助无线通信技术，参赛选手的抢答情况借助通信技术可实现实时传输，极大的减少了人工失误，减轻了现场工作人员的工作负荷。

1 无线抢答器控制系统功能分析

抢答器的主要功能是准确筛选出最先抢答成功的队伍号，其辅助功能是能够准确记录违规队伍号、能够准确记录各支参赛队伍的分数，并能将这些信息便捷的告知参赛队伍、主持人及场内所有参与人员。主持人可以通过红外遥控器给各支参赛队伍根据答题情况进行加减分操作。除此之外，抢答器控制系统还应具有违规抢答、超时作答提示等报警功能。

2 系统硬件设计

2.1 抢答器硬件系统总设计

无线抢答器控制系统的核心控制器件是STC89C52单片机，外围辅助电路由红外遥控电路、声光报警电路、无线接收与发射电路以及供电单元电路、复位电路和一些保护电路构成。无线抢答器硬件系统的电路设计如图1所示。

图1 硬件设计图

2.2 主控单元微处理器选择

抢答器控制系统主控模块选择了现在技术比较成熟、性价比较高、功耗较低的STC公司生产的STC89C52单片机。STC89C52控制器具有高达8K字节系统可编程Flash存储单元，采用了MCS-51经典内核，但是超出了传统51单片机许多不具备的功能。全双工串行接口，最高运行频率高达35MHz，可直接采用串口下载，片内自带4K字节的EEPROM存储空间。STC89C52为开发者提供两种节电模式，允许CPU挂起操作，同时中断服务、定时器等继续处于运行状态，掉电上可以对存储的数据进行锁存直到系统有硬件复位操作。

在此系统中，选择STC89C52与晶振电路、复位电路组成单片机最小控制系统。20pF的2只电容和晶振组成振荡电路，STC89C52的XTAL1、XTAL2上脚间跨接晶体振荡器与电容；抢答器的复位电路由10KΩ的2只电阻及1只10μF的电容及开关构成。

2.3 显示单元电路

抢答器的显示单元主要任务是显示抢答成功的参赛队伍队号、所得分数、抢答倒计时等信息。显示单元电路由数码管及LCD1602液晶显示单元组成。1602LCD采用标准的16脚接口，显示的内容为16＊2即32个字符，每行16个字符液晶模块，通过电压对其显示区域进行控制[2]。LCD1602的数据通过第7到14引脚双向数据端口与单片机STC89C52芯片的32脚到39脚连接。数码管单元电路采用动态扫描的方式，选用锁存芯片74HC573作为其段选与位选信号，段选与位选信号均定义在P0口，此电路主要完成抢答前有效时间的显示。

2.4 无线发射接收单元电路

抢答器无线发射、接收单元选择市面上比较流行的PT2272芯片作为主要控制单元，其工作电压均由单片机系统提供一个3V的工作电源。其发射地址的引脚全部置低电平，数据端通过跳线设定。PT2272通过判断接受信号的状态与完成抢答有效时间的组合逻辑来工作。

2.5 红外遥控单元电路

红外遥控单元电路由红外遥控发射电路与红外遥控接收电路两部分组成，其中红外装置主要由红外接收管和红外接收头组成[3]。红外接收管选择IR1838，主要功能是接收编码信息。

考虑到有色金属冶金企存在高频电源污染，使用的时候在IR1838的供电上引脚与电源之间接入330Ω电阻可进降低电源干扰。

2.6 声光报警电路

参加抢答的队伍违规抢答或者获得了抢答资格却抢答超时的队伍，设计声光报警电路向参赛队伍及场内所有参与人员发出报警，以提示其注意作答行为。

2.7 抗干扰电路

抗干扰能力是衡量抢答器性能的主要技术指标之一，尤其是存在强电磁污染的有色冶金企业。抢答器硬件系统在运行中电磁干扰降低至最小程度最佳方法就是依据电磁兼容原理，从硬件系统的可靠性及稳定性方面采取以下措施：

（1）在抢答器硬件系统器件选型时尽可能选择贴片封装元件，从而减少阻抗值，提高系统的电磁兼容性。

（2）设计滤波电路对杂波进行过滤。在无线抢答器的电源模块、收发模块和集成电路附近，采取USB口供电的方式通过三端稳压滤波电路过滤电磁磁声。

3 抢答器软件设计

抢答器软件部分的设计主要包括抢答流程图的设计及烧写程序。

抢答器主程序流程图介绍；

（1）此8路无线抢答器上电后首先对系统各单元进行初始化操作。

（2）抢答时间和抢答器重置均可由主持人完成。每次发题后默认的抢答时间可设置为23秒。

（3）每道题目宣读完毕，主持人按允许抢答按钮，各组参赛队伍方可进行抢答，否则抢答无效或者犯规。

（4）主持人按允许抢答按钮后在规定的时间内若无人抢答则宣布此道题作废，主持人只需按下复位键即可进行下一题的读题工作。

图2 抢答器程序流程图

4 系统软件设计

在系统的软件设计中使用PROTES软件和KEIL硬件仿真软件，KEIL软件可以将代码及BUG融入到一个视窗，还可提供硬件和软件仿真工作模式[4]。在PROTEUS环境中绘好电路原理图，调入编译好的代码文件，就可以得到抢答器的实物实验效果，根据实验效果再对所设计的抢答器硬件电路进行优化调整，最终使抢答器电路定型。利用这种仿真技术将极大的缩短设计时间、同时也极大的节省了硬件资源。