【摘要】该智能抢答器以51单片机为核心控制器件，通过串行通信，将主机与8路从机连接，实现了有效抢答信号的识别显示、犯规选手识别显示、不同时长的抢答倒计时、不同时长的答题倒计时、提示报警等功能。文章同时给出了系统的硬件原理图和部分程序框图。样机运行效果良好，可广泛应用于智力竞赛等公开竞争场合。

【关键词】单片机;抢答器;串行通信

1.引言

抢答器广泛应用在学校和企事业单位举行的各种竞赛、抢答活动中，它能通过指示灯显示、语音提醒、数字显示、警示显示等手段迅速、准确、公正、直观地判断出最先获得发言权的选手。本文介绍一种以51单片机为核心，通过串行通信方式实现的八路抢答器系统，具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

2.抢答器的功能

本抢答器系统可实现以下功能：

(1)抢答功能：抢答器设有主持人控制的抢答允许键，当主持人按键前，系统不断扫描选手按键情况，若有人按键视为抢答犯规并蜂鸣器报警且显示其号码;只有主持人按下抢答开始键后(有蜂鸣器提示音)，才允许各组选手开始抢答，同时显示最先按下键的组号，并屏蔽其它各路选手按键信号。若出现多个选手同时按键的情况，则通过随机程序任意选一组。

(2)抢答限时：系统可事先预置l～99秒之间的抢答限时时间，默认10秒，主持人按下抢答允许键后，若10秒后无人抢答，倒计时为0时蜂鸣器报警，说明该抢答题目作废。此时屏蔽所有抢答按键，只有当主持人再次按下抢答键后，开始下一轮抢答。

(3)答题限时：系统可事先预置l～99秒之间的答题时间，默认时间为30秒，当主持人按下开始答题按钮时，开始倒计时，当倒计时为0时发出报警，说明时间到，显示返回当前选手号。

(4)计分功能：答题结束时，当按下加、减计分键后，可将预设的分值通过串行通信的方式传给选手端并进行计分显示，分值可在l～999之间设置，默认为10分。

(5)纠错功能：当发现选手计分有误或某选手需要奖励惩罚时，可单独对其分值进行加减操作。

(6)设定功能：按下设定键后，可按顺序设置抢答限时时间、答题限时时间和计分分值，也可选择默认值。

3.抢答器的硬件设计

本设计在硬件结构上，一共可分为3个独立电路：主持人显示部分、主持人主机部分、选手从机部分。其中主持人主机部分和选手从机部分都是以51单片机为核心控制器设计的，并通过串口采取多机通信方式进行双向交互，从而达到分别计分的功能。另外考虑到数码管体积比较大，高亮度显示需要的电流也比较大，所以主机和从机的显示部分都是由可控制的光电耦合开关TLP521与高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2803的组合进行控制显示。各部分介绍如下：

3.1 主持人主机部分

主持人主机部分原理图如图1。图中P0口为8路选手的抢答按键输入端;P1.0为蜂鸣器驱动输出端，P1.1～P1.4和P3.3(INT1)为主持人按键，功能分别是S0为带自锁的按键，定义为加减状态按键，S1定义为主持人允许按键，S2定义为分数修改按键，S3定义为确认按键，S4定义为修正按键。(用于在非正常情况下，结合按键S0和S2给选手进行分数调整)。其中按键S0和S2为复合功能按键，通过软件设计，在不同的时段有不同的定义功能，在初始阶段用来设置预置时间或预置分值，在抢答结束时用来计分。P1.5～P1.7未使用，预留;P2.0～P2.6口用于数码管段码显示输出;TXD、RXD为串行口通信引脚;J1～J8表示8个RJ-45接口，应用时将电源信号、选手抢答信号及串行口线通过带水晶头的网线与选手从机连接;J9为排线插口，用于与显示部分通过排线连接。

图1 主持人主机部分原理图

3.2 主持人显示部分

此部分为主持人主机显示电路，为了便于设计，我们将显示部分从主机中分离出来，通过排线与主机相连，构成整个主持人部分。原理图如图2所示。

图2 主持人显示部分原理图

图3 选手部分原理图

3.3 选手部分

选手部分主要有单片机控制器、显示电路与按键共同构成，原理图如图3。图中S0为选手抢答按键，是抢答的触发信号发生源，选手部分不能直接对本机进行信号控制，只有通过向主机发送信号后，由主机进行处理控制;J0为RJ-45接口，应用时通过网线与主持人主机的对应端口连接，接受主机部分提供的电源及通过串口传送的信息;显示电路主要显示选手的分值。

4.抢答器的软件设计

4.1 主持人模块

主持人部分软件设计流程，主要包含以下的几个功能子程序：

(1)显示子程序

在本设计中，显示部分是采取动态扫描方式。由单片机P2口作为段码的输出端口(P2.0～P2.6)，P1.5～P1.7作为选位端。经过软件译码后，通过I/O显示到数码管上。可以在设置、抢答、答题、计时、查询等不同时段显示不同含义的信息。

(2)键盘扫描子程序

该部分主要扫描选手按键及主机的功能键，并修改相应的键值内容，其中功能键是分时复用的，不同时段不同功能。

(3)键值处理子程序

此子程序根据不同时段键盘扫描所取得的键值作出相应处理。主要有设置、抢答、加减分、送分、查询等功能标志。

(4)警报功能子程序

警报功能主要体现于主持人发出的开始抢答信号、限定时间到给选手的提醒信号、选手在抢答的过程中，有违规现象时的标志信号。

(5)倒计时功能子程序

倒计时功能主要是用于抢答时间和答题时间的倒计时，由主持人设定好时间后，主持人启动抢答允许后或者允许回答后，立即进入倒计时。并在最后的10秒钟内，每秒各响一下，为选手作为提示的警报。

(6)随机选取功能子程序

当在抢答时，有可能是不只一位选手进行抢答。当出现两位或以上的选手进行抢答时，为了对所有的选手都能有公平的抢答机会，将由系统通过此功能，在已进行抢答的选手当中随机选取其中的一位。

(7)违规处理和超时处理子程序

在整个抢答的过程中，当出现非正常流程时，比如当主持人还没有允许抢答时，选手进行抢答，即为违规。程序将立刻中止当前的程序，跳入违规处理程序，对犯规选手进行减分操作;在允许抢答的过程中，始终没有一位选手进行抢答。当出现这种情况时，系统将中止往下的程序，跳入超时处理程序中，进行下一轮抢答。

(8)串行通信子程序

此子程序主要实现主持人主机与选手从机的交互功能，实现将分值信息无误地传送给选手从机。另外还有中断子程序，在出现突发问题时，按下修正键进入中断程序，可以进行时间设置、分值设置或选手计分修正等，在此过程中，整个抢答流程将会被停止。

4.2 选手部分

选手部分主要是8台从机，每台从机事先定义好自己的编号，应用时与选手组号相对应。从机主要是通过串行口接收从主持人主机接受发送过来的数据帧，首先是判断是否属于本机的信号，如果若不是，则丢弃数据帧，继续等待;如果是，则提取数据帧信息，判断加或减的分值，并更新本机的信息，执行计算和记录此号选手的总分，显示到选手面前的数码管上。选手部分程序相对简单些，其流程图略。

5.总结

本抢答器是基于不定场地的实际需求没有采用无线通讯设计，主持人主机和选手从机都配有RJ-48网线插口，当学生举行抢答活动时，随便找一个教室，将主机和从机用8根带水晶头的网线连接即可，因为主机和从机公用一组电源，所以本抢答系统对电源要求不高。经对多次实践检验，本抢答器的设计合理、功能可靠达到了设计的预期目标。

参考文献

[1]戴佳，戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006，4.

[2]程相波，卫安军.基于MCS-51单片机的八路抢答器设计方法研究[J].北京工业职业技术学院学报，2007，4.

作者简介：张军涛(1977―)，男，工程硕士，广东松山职业技术学院电气系讲师。