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【摘要】通过研究分析目前的抢答器存在不足，根据现在开源硬件平台的发展现状，提出一种基于Arduino开源硬件平台作为主控核心模块，采用单片机作为分布式子系统控制模块的灵活组网智能抢答器，并进行了仿真实践设计与硬件系统模块试制。
【关键词】Arduino; 单片机; 抢答器
【作者简介】李锦良：江苏扬州人，江苏第二师范学院电子信息工程专业。 *通信作者：张福鼎，江苏徐州人，讲师，博士，研究方向：光子学，光网络优化与安全，高性能计算机互连，云计算。
【基金项目】江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目资助（项目号201814436173XJ、201814436159XJ、201914436026Y、201914436081XJ）;江苏省高校自然科学研究面上项目资助（项目号16KJB510007）。
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1673-0348（2020）014-037-03
Abstract： By studying and analyzing the shortcomings of the current responder， according to the current development status of the open source hardware platform， this paper puts forward a flexible networking intelligent responder based on Arduino open source hardware platform as the main control core module， using single chip microcomputer as the distributed subsystem control module， and carries out simulation practice design and hardware system module trial production.
Keywords： Arduino;Single chip microcomputer; Responder
1. 引言
抢答器主要可以分为电子抢答器和电脑抢答器。目前，电子抢答器是以模电、数电或者两者相结合设计的产品，但是成本偏高，故障率高，信息显示方式单一，甚至有时都没有相应显示功能部件，因此会出现无法针对提前抢答按键等行为进行判定，在电路升级更新方面有所欠缺等情况。电子抢答器当通过搭配不同配件时，又可以再分为非语音非记分抢答器和语音记分抢答器，非语音记分抢答器构造实现最简单，仅通过抢答器主控机和抢答按钮组成，但是并没有配备显示屏。语音记分抢答器则是通过抢答主机、显示屏、选手记分显示屏所组成。
相比于电子抢答器，目前电脑抢答器又可主要分为两类：无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。其中，无线电脑抢答器是由电脑主机、抢答软件及无线抢答按钮所组成，通过连接电脑、屏幕投影仪则可以实现现场互动，一般多使用于大型活动现场。有线电脑抢答器则是通过有线方式将、电脑主机、投影仪与抢答按钮相连接，同样使用配套抢答软件来实现现场抢答。
目前的普通抢答器还有如下不足之处，在抢答过程中出现抢答时，仅面向违规信号进行处理，而有效信号并没有纳入处理范围，所以导致整体抢答过程无效。除之此外，如果出现多个抢答情况，只能针对其中一个进行处理，因此其它已经犯规的抢答并没有得到处理;在这种情况下，多路抢答信号的优先权由于硬件固化而受到限制，所以也会产生相应的公平性问题。
单片机随着计算机及IC集成技術的迅速发展得到了茁壮成长，其灵活性、易用性大为增长，相关应用开发也更为深入系统，涌现出各种新品。Arduino开发板因其易用性与扩展性得到了普遍应用。本论文将以Arduino与单片机作为控制系统来实现多路抢答器系统，搭建按键、数码显示、指示灯等模块，主要可以将多路抢答信号进行分路拆解，进行识别超前抢答的违规信号、并区分有效抢答信号进行处理，可以达到每次抢答过程有效识别。通过软件算法实现在多个抢答信号中选出有效信号。系统具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。
2. 系统设计
系统框架设计如图1所示，由Arduino开发板作为系统主要控制核心，以单片机为子系统次控制模块核心，通过这种方式可以组建成分布式抢答系统，可满足不同场景的灵活组网要求。在子系统中与单片机控制模块相连接的主要有按键输入模块、显示输出模块及蜂鸣提示模块。其次，Arduino主控模块与各分布式子系统相连接，Arduino与分析处理模块、历史记录模块进行连接，并与单片机进行交互通信，进行信息交换处理操作。下面先将通过使用Proteus进行仿真实践，基于单片机控制设计实现一个抢答器。
2.1 系统仿真元器件功能原理介绍
如图2所示，在仿真模型中我们采用AT89C51单片机，一种带4K字节0FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。7seg-mpx8-ca是共阳极数码管显示器，它左下侧的abcdefg dp是LED数码管显示器的I/O口，是段选信号，右下侧的12345678是它的位选信号，就是从左到右分别是第一位到第八位，段选信号与位选信号分别接到单片机的不同输出。与之相对应的PCB设计图如图3所示。
2.2 控制算法设计
系统控制算法设计如图4所示，启动系统时首先开始初始化电源及配置模块，再进行变量及定时器初始化，初始化完毕后就可以进行正常抢答操作。通过开始按键启动正式抢答，当选手开始按键时，通过显示屏展示选手号码，并在回答完成后，进行复位操作;在暂停状态时，若出现选手抢答，则将违规信息亦展示在显示屏上。在每轮正常抢答结束后，或者中途出现违规行为时，将相应的数据信息上传到主控模块进行数据记录与分析处理。
3. 硬件设计
如图5所示，我们在万用板上搭建相应的抢答系统，采用AT89C51单片机作为主控模块，周围配置了相应的抢答按钮、系统复位按钮、系统供电及配置模块，通过数码管及蜂鸣器进行信息提示。
参考文献：
[1]张玲玲.基于AT89S51的四路抢答器的设计[J].电脑编程技巧与维护，2020（04）：第74-76页.
[2]涂文元.基于EDA技术的竞赛抢答器设计[J].产业创新研究，2019（11）：第258-259+261页.
[3]印健健，任意人数抢答器的设计方法[J].电子制作，2020（Z1）：第99-100+98页.
[4]杨洁，叶晶晶.基于AT89C52单片机的八路抢答器的设计[J].电子测试，2020（08）：第19-20页.
[5]左光宇.单片机的应用及发展[J].科技风，2018（22）： 第133+137页.
[6]晏勇.基于红外线和315MHz射频信号的多路无线抢答器[J].长沙大学学报，2009（02）：第40-42页.
[7]赵厚科，李祖君.FPGA之基于Verilog语言实现优先抢答锁存模块的实现[J].佳木斯大学学报（自然科学版）， 2019.37（06）：第920-924页.
【关键词】Arduino; 单片机; 抢答器
【作者简介】李锦良：江苏扬州人，江苏第二师范学院电子信息工程专业。 *通信作者：张福鼎，江苏徐州人，讲师，博士，研究方向：光子学，光网络优化与安全，高性能计算机互连，云计算。
【基金项目】江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目资助（项目号201814436173XJ、201814436159XJ、201914436026Y、201914436081XJ）;江苏省高校自然科学研究面上项目资助（项目号16KJB510007）。
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1673-0348（2020）014-037-03
Abstract： By studying and analyzing the shortcomings of the current responder， according to the current development status of the open source hardware platform， this paper puts forward a flexible networking intelligent responder based on Arduino open source hardware platform as the main control core module， using single chip microcomputer as the distributed subsystem control module， and carries out simulation practice design and hardware system module trial production.
Keywords： Arduino;Single chip microcomputer; Responder
1. 引言
抢答器主要可以分为电子抢答器和电脑抢答器。目前，电子抢答器是以模电、数电或者两者相结合设计的产品，但是成本偏高，故障率高，信息显示方式单一，甚至有时都没有相应显示功能部件，因此会出现无法针对提前抢答按键等行为进行判定，在电路升级更新方面有所欠缺等情况。电子抢答器当通过搭配不同配件时，又可以再分为非语音非记分抢答器和语音记分抢答器，非语音记分抢答器构造实现最简单，仅通过抢答器主控机和抢答按钮组成，但是并没有配备显示屏。语音记分抢答器则是通过抢答主机、显示屏、选手记分显示屏所组成。
相比于电子抢答器，目前电脑抢答器又可主要分为两类：无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。其中，无线电脑抢答器是由电脑主机、抢答软件及无线抢答按钮所组成，通过连接电脑、屏幕投影仪则可以实现现场互动，一般多使用于大型活动现场。有线电脑抢答器则是通过有线方式将、电脑主机、投影仪与抢答按钮相连接，同样使用配套抢答软件来实现现场抢答。
目前的普通抢答器还有如下不足之处，在抢答过程中出现抢答时，仅面向违规信号进行处理，而有效信号并没有纳入处理范围，所以导致整体抢答过程无效。除之此外，如果出现多个抢答情况，只能针对其中一个进行处理，因此其它已经犯规的抢答并没有得到处理;在这种情况下，多路抢答信号的优先权由于硬件固化而受到限制，所以也会产生相应的公平性问题。
单片机随着计算机及IC集成技術的迅速发展得到了茁壮成长，其灵活性、易用性大为增长，相关应用开发也更为深入系统，涌现出各种新品。Arduino开发板因其易用性与扩展性得到了普遍应用。本论文将以Arduino与单片机作为控制系统来实现多路抢答器系统，搭建按键、数码显示、指示灯等模块，主要可以将多路抢答信号进行分路拆解，进行识别超前抢答的违规信号、并区分有效抢答信号进行处理，可以达到每次抢答过程有效识别。通过软件算法实现在多个抢答信号中选出有效信号。系统具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。
2. 系统设计
系统框架设计如图1所示，由Arduino开发板作为系统主要控制核心，以单片机为子系统次控制模块核心，通过这种方式可以组建成分布式抢答系统，可满足不同场景的灵活组网要求。在子系统中与单片机控制模块相连接的主要有按键输入模块、显示输出模块及蜂鸣提示模块。其次，Arduino主控模块与各分布式子系统相连接，Arduino与分析处理模块、历史记录模块进行连接，并与单片机进行交互通信，进行信息交换处理操作。下面先将通过使用Proteus进行仿真实践，基于单片机控制设计实现一个抢答器。
2.1 系统仿真元器件功能原理介绍
如图2所示，在仿真模型中我们采用AT89C51单片机，一种带4K字节0FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。7seg-mpx8-ca是共阳极数码管显示器，它左下侧的abcdefg dp是LED数码管显示器的I/O口，是段选信号，右下侧的12345678是它的位选信号，就是从左到右分别是第一位到第八位，段选信号与位选信号分别接到单片机的不同输出。与之相对应的PCB设计图如图3所示。
2.2 控制算法设计
系统控制算法设计如图4所示，启动系统时首先开始初始化电源及配置模块，再进行变量及定时器初始化，初始化完毕后就可以进行正常抢答操作。通过开始按键启动正式抢答，当选手开始按键时，通过显示屏展示选手号码，并在回答完成后，进行复位操作;在暂停状态时，若出现选手抢答，则将违规信息亦展示在显示屏上。在每轮正常抢答结束后，或者中途出现违规行为时，将相应的数据信息上传到主控模块进行数据记录与分析处理。
3. 硬件设计
如图5所示，我们在万用板上搭建相应的抢答系统，采用AT89C51单片机作为主控模块，周围配置了相应的抢答按钮、系统复位按钮、系统供电及配置模块，通过数码管及蜂鸣器进行信息提示。
参考文献：
[1]张玲玲.基于AT89S51的四路抢答器的设计[J].电脑编程技巧与维护，2020（04）：第74-76页.
[2]涂文元.基于EDA技术的竞赛抢答器设计[J].产业创新研究，2019（11）：第258-259+261页.
[3]印健健，任意人数抢答器的设计方法[J].电子制作，2020（Z1）：第99-100+98页.
[4]杨洁，叶晶晶.基于AT89C52单片机的八路抢答器的设计[J].电子测试，2020（08）：第19-20页.
[5]左光宇.单片机的应用及发展[J].科技风，2018（22）： 第133+137页.
[6]晏勇.基于红外线和315MHz射频信号的多路无线抢答器[J].长沙大学学报，2009（02）：第40-42页.
[7]赵厚科，李祖君.FPGA之基于Verilog语言实现优先抢答锁存模块的实现[J].佳木斯大学学报（自然科学版）， 2019.37（06）：第920-924页.