抢答器课程总结报告.docx
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抢答器课程总结报告
课题名称：
智力抢答语音报号器
学生：
学号：
指导老师：
专业：
通信工程
完成年月：
2012年12月~2013年3月
第一章绪论………………………………………………………………………………3
第二章整体设计方案………………………………………………………………3
2.1课题名称及设计要求………………………………………………………………3
2.2功能和技术指标分析………………………………………………………………4
2.3方案设计与论证…………………………………………………………………5
第三章硬件设计……………………………………………………………………8
3.1单元电路设计………………………………………………………………………9
3.2总电路原理图………………………………………………………………………15
3.3所需元器件…………………………………………………………………………15
第四章软件设计……………………………………………………………………17
4.1抢答器系统软件设计的流程图……………………………………………………17
4.2主程序………………………………………………………………………………17
4.3中断程序……………………………………………………………………………18
4.4语音程序……………………………………………………………………………19
4.5按键程序……………………………………………………………………………20
4.6数码管程序…………………………………………………………………………21
第五章组装调试…………………………………………………………………22
5.1系统调试方案………………………………………………………………………22
5.2具体调试步骤………………………………………………………………………22
第六章问题与分析…………………………………………………………………27
总结…………………………………………………………………………………29
参考文献…………………………………………………………………………………30
第一章绪论
智力竞赛是一种能锻炼人的头脑开发人的IQ的一种大众化游戏，也起到娱乐的作用。
现在智力竞赛越来越被多数人喜爱和娱乐，像中央卫视的三星智力快车、金苹果、幸运50等等多档智力竞赛节目都拥有大批的忠实观众。
而且国内外各地电视台、工厂、学校等单位也会常常举办类似的智力竞赛活动，在有些地方举行的各种智力竞赛游戏中我们经常看到有抢答的环节，举办方大多数采用让选手通过举答题板的方法或者是举手的方式判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。
所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。
早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辨认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢答前或抢答后的计时、复位清零等功能。
本设计利用AT89C52单片机以及外围界面实现的抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和组别号码。
第二章整体设计方案
2.1课题名称及设计要求
2.1.1课题名称
智力抢答语音报号器
2.1.2设计任务
设计一个可用于智力竞赛抢答语音报号器。
除了具有一般的智力抢答器的功能外，要求增加语音报号和提示功能。
2.1.2设计要求
（1）8路抢答按钮，有启动/停止按钮以及限时设置按钮；
（2）用数码管显示抢答号和回答限时的倒计时；
（3）采集按钮号码控制语音芯片输出语音信号；
（4）有抢答定时时间和回答定时时间的时间设置以及语音提示。
2.2功能和技术指标分析
在本次课程设计中，将主要设计一个供八人使用的定时抢答器。
主要功能有在保证优先抢答的前提下，有抢答时间和回答时间设置，有数码管倒计时显示和语音提示功能。
具体分析其要求，主要有以下几点：
（1）八路智力抢答器显示优先抢答者的序号，禁止显示其他抢答者序号；
（2）主持人预置抢答时间和回答时间（默认设置为30s），并控制抢答计时开始；
（3）抢答过程中，两位数码管显示倒计时时间；
（4）在规定抢答时间内，若无人抢答，语音提示抢答结束；
（5）当参赛者发出抢答信号时，一位数码管显示抢答成功者序号，并语音提示抢答成功，开始回答倒计时；
（6）回答问题过程中，两位数码管显示倒计时时间，一位数码管显示抢答成功者序号；
（7）当回答时间到，语音提示回答结束，程序初始化；
（8）通过开始/停止按键和复位按键能智能控制程序的停止/开始与复位。
由设计要求出发，该抢答器要实现以下功能：
（1）为8位参赛选手各提供一个抢答按钮，分别编号1~8；
（2）为主持人设复位键和开始/停止键，以控制系统的复位与抢答开始/停止；
（3）抢答器要有数据锁存与显示的功能。
抢答开始后，若有任何一名参赛者按动抢答按钮，抢答有效，定时器停止工作，一位数码管显示其编号，并且语音报号提示抢答成功，同时其他人再按对应按钮无效。
（4）抢答器要有抢答定时和回答定时功能，主持人可自行设置定时时间。
当主持人启动“开始/停止”键后，定时器自动减计时，并在两位数码管上显示，同时语音提示抢答计时开始；
（5）参赛者只有在设定时间内抢答方为有效抢答。
若设定时间内无选手进行抢答（按对应按钮），语音提示抢答结束，并封锁输入电路，防止选手超时抢答；
（6）抢答成功后，语音提示回答计时开始，程序进入回答倒计时状态，倒计时时间在两位数码管上显示；
（7）当回答倒计时为0时，语音提示回答时间到，程序进行初始化。
2.3方案设计与论证
2.3.1设计思想
框图见附录一。
2.3.2方案论证
（一）以89C52单片机作为控制核心
抢答器的实现方式有多种多样，通过纯电子器件搭建电路实现，如优先编码器，锁存器，555定时译码器等，川电子器件实现没有软件参与，调试简单，但是它不易于扩展和修改，而且电路复杂，电子器件管脚很多，实际搭建起来费时费力，焊接很容易出错。
于是，我们用单片机实现。
单片机体积小价格低，应用方便，稳定可靠。
单片机将很多任务交给了软件编程趋势线，大大简化了外围硬件电路，使外围电路的实现简单方便。
单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）,简称单片计算机.就是将CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机.
其主要特点如下:
（1）片内存储容量较小:
原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.
（2）可靠性高:
因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件（如:
程序指令,常数,表格）固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.
（3）便于扩展:
片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的（总线,并行和串行的输入/输出）管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.
（4）控制功能强:
具有丰富的控制指令:
如:
条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.
（5）实用性好:
体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
ATMEL公司的89C52单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。
89C52单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。
89C52单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化。
89C52的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.
由于单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。
例如当设计仅仅需要一个单片机定时器那么选择89C1051或89C2051即可，而不选择89C52,因为后者的价格较高一些。
当然若程序和数据区的要求较高那么选择的单片机还要满足程序空间的要求。
下面我们来比较89C51和89C52：
表2.189C51和89C52的比较
数据存储器
程序存储器
定时器
中断
51系列
128B
4KB
2
5
52系列
256B
8KB
3
8
在本课题中，我们选用现在较为流行的52系列单片机作为控制核心，完成运算控制,信号识别以及显示功能的实现，方便简单并且单片机周围辅助电路比较少，便于控制和实现。
另外，89C52单片机采用12MHz晶振，提高了信号的测量精度，并使该系统可通过软件来扩展功能。
（二）采用ISD4004语音芯片
相较于仅以蜂鸣器提示的普通抢答器，本设计采用语音芯片实现语音报号功能，减少了在竞赛过程中主持人的工作量，实现电子化，更加方便公正。
ISD4004是美国ISD公司制造的一种新款语音芯片。
与ISD其它系列语音产品不同的是，ISD4004是一种微控制器“从”设备，而“主”控制器可以是内置有SPI兼容接口的微控制器，也可以用I/O仿真SPI通信协议。
ISD4004系列工作电压为3V，单片录放时间为8～16分钟，音质好，适用于移动电话及其它便携式电子产品中。
该芯片采用CMOS技术，内含振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。
芯片的所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。
ISD4004采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能非常真实、自然地再现语音、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。
采样频率可为4.0，5.3，6.4，8.0kHz，频率越低，录放时间越长，音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年（典型值），反复录音10万次。
2.3.3系统框图
定时抢答器的系统框图如下图2.1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。
主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答按键时，能显示选手编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
扩展电路完成定时抢答、语音提示等功能。
图2.1定时抢答器系统硬件框图
第三章硬件设计
为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：
注意
原因
1
采用功能强的芯片
简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。
2
留有设计余地
在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。
因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
3
预留出一些I/O端口
在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。
如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。
如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时可能空着没用，那么用的时候就派上用场了。
3.1单元电路设计
八路智能抢答器由八大部分组成：
89C52单片机控制电路，按键电路，LED灯电路，数码管显示电路，蜂鸣器报警电路和语音提示电路。
下面分别详细介绍各个模块电路的设计原理。
3.1.189C52单片机控制电路
选用的单片机型号：
P89C52X2BN，封装DIP40，内涵8k字节FLASH；89C52单片机内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）,32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路；
设计原理：
将89C52单片机控制电路作为整个的项目的核心，通过控制I0口电平的高低，来驱动和控制其外围的设备，即控制发光二极管的亮灭，数码管显示不同的数字，蜂鸣器响，检测按键是否按下以及控制语音芯片进行录音和语音提示；
89C52单片机引脚说明：
VCC为89C52单片机的供电IO口，其供电电压为+5V；VSS为单片机的接地引脚；RXD/P3.0和TXD/P3.1为串行输入和输出口，主要用于电脑程序下载；XTAL1,XTAL2为内部时钟工作电路的输入和输出口，其主要是通过外接晶振电路，为单片机提供时钟信号；RST为复位输入端，当RST引脚保持四个机器周期的高电平时，单片机实现复位；P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，当作为输出口时需要外接上拉电阻，在本项目中P1.0~P1.7用于控制4位数码管的显示，为其提供位选信号和数据信号；P1.0~P1.7为内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，在本项目中用于设计16位按键；P2口为内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，在本项目中P2.1~P2.3引脚用于4位LED灯的设计，P2.4引脚用于控制语音芯片的片选信号，P2.5引脚用于驱动蜂鸣器，P2.6和P2.7引脚分别用于控制4位数码管的位选信号和段选信号；P3.6引脚在本项目中与ISD4004语音芯片的MOSI引脚相连，主要是为其提供录音和放音的地址信息；P3.7引脚在本项目中与ISD4004语音芯片的SCLK引脚相连，主要是为其提供时钟信号。
（尽量图表格式）
89C52单片机内部有一个时钟振荡器，只需外接一个振荡器就能产生时钟信号送到单片机内部。
图3.1.2电路通过将12M石英晶体以及2个30PF的极性电容C1、C2接在放大器的反馈回路（即89C51单片机的XTAL1、XTAL2口），构成并联振荡电路，并为XTAL2引脚产生大约幅度为3V，频率为12M的正弦波时钟信号。
电路中的两个30PF的极性电容的作用为：
一是帮助振荡器起振，二是对振荡器频率进行微调。
另外，89C52单片机的第9脚RST引脚为硬件复位引脚，当上电时或者RST引脚持续4个机器周期的高电平时即可如图实现单片机复位，复位后单片机恢复到初始状态。
值得注意的是,在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值,而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能,该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。
复位电路如图3.1.3，当上电时+5V电压立刻通过10UF电解电容充电，当达到3V左右时即可实现单片机复位，而后又通过R1放电，使得RST保持为低电平；当开关S0持续按下4个周期时，RST引脚即可获得+4.5V的电压，这样也可实现单片机的复位。
图3.1.189C52单片机控制电路
图3.1.2晶振电路图3.1.3复位电路
3.1.2按键电路
按键电路的原理：
（1）按键检测采用的方法是键盘扫描方法，即不断循环地按键进行扫描检测，以判断按键是否按下。
（2）由于线与线之间是逻辑与的关系，即只有当两个高电平相与结果才为高电平，而只要当其中有一个位为低电平的时候，相与的结果就为低电平。
故先给S0口赋值0电平，当键S1~S4有按键按下时，相应S5~S8口也被拉为低电平；接着再给S1口进行赋0，检测键S5~S8……,这样一个循环即可完成对16路按键的检测。
16路按键的设计如下图所示：
图3.2按键电路
3.1.3LED灯电路
电路设计原理：
通过89C52单片机的P2.0~P2.3引脚控制L1，L2,L3，L4的电平高低，当为高电平的时候，由于发光二极管两端的电平都为高电平，所以二极管中没有电流流过，发光二极管不亮；而当为低电平的时候，由于发光二极管的正向端为高电平，负向端为低电平，所以发光二极管中有电流流过，发光二极管亮；
同时为了保证发光二极管不被烧坏，限流电阻大小的选择非常重要。
发光二极管的导通电流为3~10mA，导通电压为1.7V；故电阻
;在这里我们选择的限流电阻为1K；
图3.3LED灯电路
3.1.4数码管显示电路
数码管显示电路包括一个位锁存器，一个段锁存器和一个4位数码管三部分电路。
首先，我们选用的4位数码管接法为共阴极，即我们传送的数据低电平有效；由于4位数码管的数据信号端口都连在一起，即四个数码管的A,B,C,D,E,F
G,H都各自连在一起；故为了能让4位数码管能显示不同的数字，我们必须采用位锁存器和段锁存器控制在不同的时刻，选择不同的数码管，并显示不同的数字的办法。
通常完成一次显示4个数码管需要4个机器周期；具体原理为：
在第一个机器周期选中第一个数码管，再送入其要显示的数字，在第二个机器周期选中第二个数码管，再送入其要显示的数字…这样每4个周期即可送往4个不同数据，由于时钟频率超过了我们人眼分辨率，故我们看起来就好像4个数码管是同时显示的。
具体设计电路图如下图所示：
图3.44位数码管显示电路图
3.1.5蜂鸣器报警电路
电路设计原理：
通过89C52单片机的P2.6引脚控制FM的电平高低,当FM即其为高电平的时候，三极管处于保护状态，蜂鸣器不响；当FM为低电平的时候，三极管处于导通状态，蜂鸣器间有电流通过，蜂鸣器响。
电阻R13用于防止b极电流过大将三极管烧坏。
具体的电路设计图如下图所示：
图3.5蜂鸣器报警电路图
3.1.6ISD4004语音提示电路
本项目采用ISD4004语音芯片完成语音提示功能。
图3.6ISD4004语音提示电路
ISD4004芯片：
（1）引脚说明
表3.1ISD4004芯片引脚说明
管脚号
标号
功用
1
/SS
片选信号输入端，此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平
2
MOSI
串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。
4
VSSD
数字电源接地端
11
VSSA
模拟电源接地端
12
VSSA
模拟电源接地端
13
AUTOUT
音频输出提供音频输出,可驱动5KΩ的负载.
14
AMCMP
自动静噪端，当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号（静音）时的噪声。
16
IN-
反相模拟输入端，这是录音信号的反向相输入端，输入放大器可用单端或差分驱动。
17
IN+
同相模拟输入端，这是录音信号的同相输入端，输入放大器可用单端或差分驱动。
18
VCCA
模拟电源，采用+5V电压.
23
VSSA
模拟电源接地端
26
XCLK
外部时钟端，本端内部有下拉元件，在不外接地时钟时,此端必须接地.
27
VCCD
数字电源，采用+3V电压.
28
SCLK
串行时钟ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。
数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。
（2）功能设计
1.音频信号输入电路
如图所示，ISD4004语音芯片的音频输入端采用的是差分放大原理。
麦克风的正负两极通过分别通过两电阻接地或者电源，同时它们通过一个电容，将音频信号输入到ISD4004芯片的IN+和IN-引脚。
2.音频信号输出电路
ISD4004音频信号通过AUTOUT引脚进行输出，信号输出后必须经过一个功放电路，才能够利用喇叭进行放音。
功放电路中采用的芯片是LM386芯片，其管脚说明如下表所示：
表3.2LM386芯片管脚
管脚号
标号
功用
1
GAIN
电压增益设定端
2
-INPUT
反相输入端
3
+INPUT
同相输入端
4
GND
接地端
5
VOUT
输出端
6
VS
电源端，接+5V电源
7
SYPASS
用于接和地之间接旁路电容
8
GAIN
电压增益设定端
LM386是一种音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。
与通用型集成运放相类似，LM386是一个三级放大电路。
第一级为差分放大电路，第二级为共射放大电路，第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。
其特点有：
自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少、总谐波失真小。
在本设计电路中，输出信号由ISD4004芯片的AUTOUT引脚经一个滑动电阻输入到LM386芯片的输入端。
故滑动变阻器可以控制输出语音的音量大小。
由于引脚1和8没有外接其他电阻和电容等元器件，故使用的电压增益为内置电压增益20。
3.2总电路原理图
见附录一。
3.3所需元器件
表3.3抢答器设计所需元器件
序号
名称
规格型号
数量
1
微处理器
AT89C52（DIP）
1
2
语音芯片
ISD4004
1
3
锁存器
74HC573
2
4
晶振
12MHZ
1
5
放大器
LM386M
1
6
按键
19
7
峰鸣器
1
8
杜邦线
8
9
单孔排阵
8
10
发光二极管
6
11
NPN三极管
2
12
4位数码管
共阴极
1
13
扬声器
1
14
小话筒
1
15
电路板
3
16
电阻
75欧姆
2
17
电阻
1K
8
18
电阻
3K
1
19
滑动变阻器
47K
1
20
极性电容
30PF
3
21
极性电容
0.1UF
3
22
极性电容
220UF
3
23
电解电容
1UF
2
24
电解电容
4.7UF
2
25
电解电容
10UF
3
26
插孔直列底座
40孔
1
27
插孔直列底座
28孔
1
28
插孔直列底座
20孔
2
29
插孔底座
4孔
1
30
8位排阻
10K
2
31
焊锡
若干
32
导线
若干
第四章软件设计
4.1抢答器系统软件设计的流程图
在本项目设计中包括了以下十个主要程序：
主程序；初始化程序；抢答/回答时间预置程序；倒计时程序；抢答按键检测程序；抢答处理程序；数码管显示程序；语音报号程序；LED灯显示程序；中断处理程序；
系统主程序设计流程图如下图所示：
图4.1软件流程图
该项目程序启动时，首先是进行初始化化程序，即检测电路是否正常，当设备初始化完毕，程序立即进入到时间设置程序；在时间设置程序中，等
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