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摘 要： 设计了一种以单片机AT89S51为控制核心的8路抢答器，从硬件电路制作和软件程序编写两个方面详细介绍了8路抢答器的设计方法。实验结果表明，该8路抢答器的设计达到了预期的要求，具有反应快、操作简便、成本低廉、使用性强等特点，对于单片机产品的开发具有一定的参考价值。
关键词： 单片机； 抢答器； CD4068
中图分类号： TP 368.1 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2017）03-0089-03
0 引 言
随着当今社会的进步和科技的发展，各类比赛、娱乐活动层出不穷，其中抢答器的作用也就显而易见，它能快速准确、公平公正、直观地判断出抢答者的机器设备，并通过LED数码管、LED指示灯等手段显示出第一个抢答者。传统的抢答器采用模拟电路、数字集成电路、模数混合电路制作完成，这类抢答器往往线路复杂，成本偏高，操作不简便。本文以AT89S51单片机为系统控制核心设计了一款8路抢答器：首先进行硬件电路的设计与制作，然后进行相应软件程序的设计与编写，不断调试直至成功。
1 设计分析
使用8个按键作为参赛选手抢答的8路抢答信号，当主持人宣布抢答时，即按下开始键后，各路选手才可以抢答，对于第一个抢答的选手，通过一位LED数码管直观显示出该抢答选手的编号，如果主持人尚未宣布比赛活动开始，即没有按下开始键，就有某一路选手进行抢答，则这路的选手属于犯规，亮起红灯。本次设计中，用LED发光二极管来表示，并通过LED数码管显示出该犯规选手的编号，此时，按下复位键后重新开始抢答。
2 硬件电路设计
本设计以AT89S51单片机为系统控制核心制作8路抢答器，由于8路选手使用8个按键，假设采用8个独立按键，按键的识别是通过逐个查询每个按键的状态来判断是否按下的，如果有多个选手同时抢答，即几路按键同时按下，先查询的按键则被认为是第一个抢答的，显然就不公平了；假设采用4×4行列式按键，按键的识别如果采用输入输出线反转法，则无法识别多个按键，按键的识别如果采用逐行扫描法，此时有多个选手同时抢答，则先扫描到行的按键存在优先查询的情况，同样失去了公平性。因此，无论独立按键还是4×4行列式按键，都不能做到对多个按键同时按下作出判断。
为了解决这一问题，可以使用高速的数字电路芯片，但这增加了设计的成本和复杂性。本设计的思路是：使用单片机的外部中断，把8路上的按键信号作为外部设备，一旦有一个按键按下，立即进入外部中断服务子程序，先保存各路按键的状态，再确定是哪一路的按键引起的中断，在这期间，单片机的CPU不再响应其他任何中断。
由于8路抢答器的8个按键作为8个外部中断源，而MCS-51单片机只有两个外部中断源，这就需要扩展外部中断源来满足需要。本设计使用CD4068芯片来解决，结合中断和查询的方式来扩展外部中断源。CD406芯片是一个8输入的与门/与非门集成电路，管脚图和功能逻辑图如1所示。图1中：2，3，4，5，9，10，11，12是8路输入；1管脚是8路与门输出端；13管脚是8路与非门输出端；7管脚接地；14管脚接电源。
8路抢答器的电路原理图如图2所示。图2中，P3.2为外部中断0的中断请求输入端，将CD4068的1管脚接P3.2，8路抢答器的8个按键分别接CD4068的输入端，作为扩展的外部中断源。当没有抢答按键按下，根据与逻辑关系，P3.2端口为高电平，不响应。当8路中有一路或者多路抢答按键按下，P3.2端口为低电平，响应外部中断0的中断请求。然后，在外部中断0的服务程序中，确定究竟是哪路抢答的。S2为抢答开始按键，只有主持人宣布比赛开始，8位选手才能进行抢答。P3.1接红色发光二极管，当有选手违规时点亮。
3 軟件程序设计
3.1 主程序设计
在主程序main（）函数中主要完成外部中断的初始化，如打开中断、设置外部中断信号的触发方式等，不断地查询抢答开始键是否按下，即主持人是否宣布开始抢答，只有宣布开始抢答之后，各路按下的按键才算有效，否则违规。一旦检测到抢答开始键按下，置抢答标志位keypress=1，否则等待，其流程图如图3所示。具体程序如下：
sbit key=P3^0；
bit keypress=0；
int main（） //主函数
{ IT0=0； //设置外部中断0为电平触发方式
EA=1；//打开中断
EX0=1； //打开外部中断0
while（1）； //死循环
{ if（！key）； //判断抢答开始键是否按下
{ delay（）；
if（！key） //再次判断抢答开始键是否按下
{ keypress=1； //设置抢答标志位
while（！key）；}}}}
3.2 外部中断0程序设计
当8路抢答器中有选手按下抢答键，自动转入外部中断0服务程序执行，首先关闭中断、保存各路按键的状态，再通过逐位查询获取按键编号，确定究竟是哪一路的按键引起的中断，最后判断抢答标志位keypress，如果keypress=1，说明抢答开始键已经按下，主持人已经宣布抢答开始，则数码管显示抢答选手的编号；如果keypress=0，说明主持人尚未宣布抢答开始，则属于犯规，亮起红灯并显示犯规选手的编号，其流程图如图4所示。具体程序如下：
unsigned char code seg[]={0xc0，0xf9，0xa4，
0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90}；
unsigned char state，number；
sbit led=P3^1；
void int0（） interrupt 0
{ EX0=0； //關外部中断0
state=P2；
switch（state） //switch语句获取按键编号
{ case 0xfe：number =1；break；
case 0xfd：number =2；break；
case 0xfb：number =3；break；
case 0xf7：number =4；break；
case 0xef：number =5；break；
case 0xdf：number =6；break；
case 0xbf：number =7；break；
case 0x7f：number =8；break；}
if（keydown）
{ P1=seg[number]；} //如果抢答标志位置1，显示按键编号
else
{P1=seg[number]；led=0；}}//如果犯规，亮起红灯并显示按键编号
4 结束语
本文以AT89S51单片机为主控制器设计了一款8路抢答器。实验结果表明，该8路抢答器的设计稳定可靠，达到了预期的要求，具有反应快、操作简便、成本低廉、使用性强等特点，对于单片机产品的开发具有一定的参考价值。
参考文献：
[1] 周向. 基于数字电路的四路抢答器优化设计[J]. 武汉交通职业学院学报，2016（1）：90-92.
[2] 程建峰. 基于Multisim的多功能8路抢答器的设计与仿真[J]. 工业仪表与自动化装置，2015（1）：31-34.
[3] 封伯燕. 8路抢答器的制作原理及制作过程[J]. 重庆三峡学院学报，2012（3）：3-5.
[4] 张翠云. 基于AT89C51的八路抢答器的设计[J]. 机电工程技术，2014（8）：25-28.
[5] 朱加顺. 竞赛抢答器系统分析[J]. 电子制作，2014（2）：90-91.
关键词： 单片机； 抢答器； CD4068
中图分类号： TP 368.1 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2017）03-0089-03
0 引 言
随着当今社会的进步和科技的发展，各类比赛、娱乐活动层出不穷，其中抢答器的作用也就显而易见，它能快速准确、公平公正、直观地判断出抢答者的机器设备，并通过LED数码管、LED指示灯等手段显示出第一个抢答者。传统的抢答器采用模拟电路、数字集成电路、模数混合电路制作完成，这类抢答器往往线路复杂，成本偏高，操作不简便。本文以AT89S51单片机为系统控制核心设计了一款8路抢答器：首先进行硬件电路的设计与制作，然后进行相应软件程序的设计与编写，不断调试直至成功。
1 设计分析
使用8个按键作为参赛选手抢答的8路抢答信号，当主持人宣布抢答时，即按下开始键后，各路选手才可以抢答，对于第一个抢答的选手，通过一位LED数码管直观显示出该抢答选手的编号，如果主持人尚未宣布比赛活动开始，即没有按下开始键，就有某一路选手进行抢答，则这路的选手属于犯规，亮起红灯。本次设计中，用LED发光二极管来表示，并通过LED数码管显示出该犯规选手的编号，此时，按下复位键后重新开始抢答。
2 硬件电路设计
本设计以AT89S51单片机为系统控制核心制作8路抢答器，由于8路选手使用8个按键，假设采用8个独立按键，按键的识别是通过逐个查询每个按键的状态来判断是否按下的，如果有多个选手同时抢答，即几路按键同时按下，先查询的按键则被认为是第一个抢答的，显然就不公平了；假设采用4×4行列式按键，按键的识别如果采用输入输出线反转法，则无法识别多个按键，按键的识别如果采用逐行扫描法，此时有多个选手同时抢答，则先扫描到行的按键存在优先查询的情况，同样失去了公平性。因此，无论独立按键还是4×4行列式按键，都不能做到对多个按键同时按下作出判断。
为了解决这一问题，可以使用高速的数字电路芯片，但这增加了设计的成本和复杂性。本设计的思路是：使用单片机的外部中断，把8路上的按键信号作为外部设备，一旦有一个按键按下，立即进入外部中断服务子程序，先保存各路按键的状态，再确定是哪一路的按键引起的中断，在这期间，单片机的CPU不再响应其他任何中断。
由于8路抢答器的8个按键作为8个外部中断源，而MCS-51单片机只有两个外部中断源，这就需要扩展外部中断源来满足需要。本设计使用CD4068芯片来解决，结合中断和查询的方式来扩展外部中断源。CD406芯片是一个8输入的与门/与非门集成电路，管脚图和功能逻辑图如1所示。图1中：2，3，4，5，9，10，11，12是8路输入；1管脚是8路与门输出端；13管脚是8路与非门输出端；7管脚接地；14管脚接电源。
8路抢答器的电路原理图如图2所示。图2中，P3.2为外部中断0的中断请求输入端，将CD4068的1管脚接P3.2，8路抢答器的8个按键分别接CD4068的输入端，作为扩展的外部中断源。当没有抢答按键按下，根据与逻辑关系，P3.2端口为高电平，不响应。当8路中有一路或者多路抢答按键按下，P3.2端口为低电平，响应外部中断0的中断请求。然后，在外部中断0的服务程序中，确定究竟是哪路抢答的。S2为抢答开始按键，只有主持人宣布比赛开始，8位选手才能进行抢答。P3.1接红色发光二极管，当有选手违规时点亮。
3 軟件程序设计
3.1 主程序设计
在主程序main（）函数中主要完成外部中断的初始化，如打开中断、设置外部中断信号的触发方式等，不断地查询抢答开始键是否按下，即主持人是否宣布开始抢答，只有宣布开始抢答之后，各路按下的按键才算有效，否则违规。一旦检测到抢答开始键按下，置抢答标志位keypress=1，否则等待，其流程图如图3所示。具体程序如下：
sbit key=P3^0；
bit keypress=0；
int main（） //主函数
{ IT0=0； //设置外部中断0为电平触发方式
EA=1；//打开中断
EX0=1； //打开外部中断0
while（1）； //死循环
{ if（！key）； //判断抢答开始键是否按下
{ delay（）；
if（！key） //再次判断抢答开始键是否按下
{ keypress=1； //设置抢答标志位
while（！key）；}}}}
3.2 外部中断0程序设计
当8路抢答器中有选手按下抢答键，自动转入外部中断0服务程序执行，首先关闭中断、保存各路按键的状态，再通过逐位查询获取按键编号，确定究竟是哪一路的按键引起的中断，最后判断抢答标志位keypress，如果keypress=1，说明抢答开始键已经按下，主持人已经宣布抢答开始，则数码管显示抢答选手的编号；如果keypress=0，说明主持人尚未宣布抢答开始，则属于犯规，亮起红灯并显示犯规选手的编号，其流程图如图4所示。具体程序如下：
unsigned char code seg[]={0xc0，0xf9，0xa4，
0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90}；
unsigned char state，number；
sbit led=P3^1；
void int0（） interrupt 0
{ EX0=0； //關外部中断0
state=P2；
switch（state） //switch语句获取按键编号
{ case 0xfe：number =1；break；
case 0xfd：number =2；break；
case 0xfb：number =3；break；
case 0xf7：number =4；break；
case 0xef：number =5；break；
case 0xdf：number =6；break；
case 0xbf：number =7；break；
case 0x7f：number =8；break；}
if（keydown）
{ P1=seg[number]；} //如果抢答标志位置1，显示按键编号
else
{P1=seg[number]；led=0；}}//如果犯规，亮起红灯并显示按键编号
4 结束语
本文以AT89S51单片机为主控制器设计了一款8路抢答器。实验结果表明，该8路抢答器的设计稳定可靠，达到了预期的要求，具有反应快、操作简便、成本低廉、使用性强等特点，对于单片机产品的开发具有一定的参考价值。
参考文献：
[1] 周向. 基于数字电路的四路抢答器优化设计[J]. 武汉交通职业学院学报，2016（1）：90-92.
[2] 程建峰. 基于Multisim的多功能8路抢答器的设计与仿真[J]. 工业仪表与自动化装置，2015（1）：31-34.
[3] 封伯燕. 8路抢答器的制作原理及制作过程[J]. 重庆三峡学院学报，2012（3）：3-5.
[4] 张翠云. 基于AT89C51的八路抢答器的设计[J]. 机电工程技术，2014（8）：25-28.
[5] 朱加顺. 竞赛抢答器系统分析[J]. 电子制作，2014（2）：90-91.