多路无线语音抢答器设计与实现

王露曼 郑小海 宋曙光 高景煜

摘要：随着各种比赛的增多，抢答器的应用和需求越来越多，它所起到的作用备受关注。尤其在智力活动中，“抢答”是一种十分普遍的、紧张有趣且具有教育意义的游戏。文章重点对基于52系列单片机构成的无线抢答器的整体设计、电路模块及功能进行了详述，设计的抢答器除了具备基本的抢答功能外，还具有无线传输、定时报警、液晶屏显示以及语音提示的功能。

关键词：单片机；定时抢答；语音电路；无线发射和接收

中图分类号：TP317  文献标志码：A

0 引言

随着竞争的加剧，选拔人才的比赛越来越多，在这种情况下，参赛者往往会被分成几个小组。当主持人提问时，各小组通过举手来获得抢答的机会，但这种方式并不准确，容易使主持人作出错误的判断，从而导致结果不公正。所以，很多人都在寻找一种不受个人主观意志影响的仪器来控制比赛。随着单片机的问世，人类进入了智能化时代，许多复杂的线路都可以通过单片机来简化，从而达到更好的效果。将单片机和串行通信结合，用于各种电子设备设计，是一种必然趋势。多路无线语音抢答器是基于以单片机为核心控制的抢答系统，利用串行通信实现对数据的动态传输，使得抢答系统功能更加完善。

1 抢答器系统总体方案设计

本系统以52系列微处理器为控制核心，芯片内包含4 K flash ROM、128 RAM和15条 I/O端口。本系统具有运算控制、信号识别和显示等功能，通过程序判断参赛者按键是否有效。当参赛者违规抢答时，程序会启动蜂鸣器报警，提醒主持人该操作违规，抢答无效。给定相应延时后，选手按正常的操作抢答并进入答题倒计时，利用数码管显示倒计时，在最后5 s时提醒选手，抢答时间即将截止，请及时作答［1］。该系统主要设计过程为编码、发射、接收、解码、控制、显示及提示。其控制核心模块是STC89C52。当用户按下抢答按键后，编码电路会进行编码，编码完成后，编码被传送到发射电路，发射电路发出信号，再由接收电路将信号接收后，经解码电路还原，传送到单片机内部，让其判定最先按键者并送入显示电路，显示序号，触发提示音电路工作，表明有键按下，系统设计方案如图1所示。

2 模块化设计选择

2.1 无线模块

本设计采用nRF24L01无线传输模块，nRF24L01+在ISM频带2.4～2.524 GHz工作。该模块具有频率合成、功率放大、晶体振荡、调制解调等功能。nRF24L01+功耗很低，在-6 dBm的功率下发射时，工作电流也只需9 mA。本模块采用软件设置地址，在接到局部地址后，可以直接与多种单片机相连，软件编程十分方便。

2.2 微控制器模块

本系统采用STC89C52单片机进行系统控制。因为系统对于控制功能的需求较少，所以使用52单片机足以满足本设计的要求。以单片机最小系统为基础，增加接收、无线、显示和语音提示模块，可以很好地实现对系统的控制。

2.3 顯示及语言提示模块

本设计采用1602液晶显示器进行抢答组数和倒计时信息的显示，采用WT588D语音芯片进行播报。此方案节省了单片机接口，使得外围电路的复杂程度大大降低，在一定程度上简化了系统程序。

3 硬件功能设计及实现

3.1 单片机最小系统

以单片机最小系统为核心，附加相应的工作电路，使其按照编程设计的需要进行工作，这样就构成了单片机的应用电路。最小单片机系统是一种较为基础的电路，可以使微处理器工作［2］。

3.2 无线电路

在无线传输方式中，采用在片内堆栈区先入先出的方式，以较低的速度从单片机内输入，以较快的速度发射出去，可以最有效地提高效率。采用低转速的微处理器，便于获得较高的数据传输速率。当发送接收数据时，字头和 CRC检查代码又会被自动添加。模块可以使用软体设定地址，只有在收到本机地址时，资料（提供中断指令）才会输出数据，并可直接与各种单片机连接使用，设计非常简便。无线收发模块如图2所示。

3.3 语音芯片

WT588D插入的静音时间范围稳定，不占用空间，且通过计算机软件，可以任意组合各种声音。如果插上消音设备，不需要占用内存就可以反复调用，并且支持加载3种音频格式，而其他的芯片没有这样的功能［3］。语音模块如图3所示。

3.4 液晶显示

显示模块选用1 602字符型液晶模块，此模块易于驱动，经编码传送到显示屏上的内容更多样化。其显示容量为16×2个字符，在4.5～5.5 V的电压范围内工作，只需要使用16个引脚（有背光）接口，通过P0口与液晶数据端口相连接，P2.0-P2.2与液晶的RS，RW，E控制引脚相连，LCD1602液晶显示电路如图4所示。

4 软件模块化设计及功能测试

4.1 模块化设计

4.1.1 按键扫描电路

此设计采用独立式按键结构，是一种直接由输入/输出接口线构成的单个按键电路，它具有配置灵活、软件结构简单等特点。独立按键常采用查询式结构，首先逐位查询I/O口线的输入状态，若输入为低电平，则可确认该端口线所对应的按键已按下。按键扫描流程如图5所示。

4.1.2 液晶显示功能

此设计采用LCD1602液晶显示，用户在向LCD写入汉字时，必须初始化LCD，设置起始行。执行该命令后，设定的行将显示在屏幕首行。通常，在使用LCD屏幕时，用户需根据其时序设置执行相应的命令操作，在往显示屏写入相应数据时，需要保持RS为高电平状态，RW为低电平状态，并且E端为下降沿状态。用户从显示屏读取数据时，需要将上述3个功能引脚均设置为高电平状态。如果要读取显示屏的状态，RS端口则需要变为低电平状态，其他2个功能引脚继续保持高电平状态。用户在对显示屏进行相应指令码操作时，需要将RS和RW引脚状态改为低电平状态，E端口设为下降沿状态。显示程序流程如图6所示。

4.1.3 蜂鳴器报警模块

当达到系统设定的时间时，报警电路开始工作，蜂鸣器响，从而起到提示报警的作用。在本次设计当中，如果主持人没有下达开始抢答指令，选手就按下按键，则视为违规抢答，屏幕显示“FF”和违规选手的编号，此时蜂鸣器会报警提示。

4.2 程序功能测试

首先，用户将模块初始化，开始判断主持人是否按下开始抢答按键。若主持人未按下按键就有人提前按下抢答键，蜂鸣器会发出警告；若主持人按下开始抢答键后，有人抢答，此时需判断该选手是否超出回答时间，若超出回答时间，也会引起蜂鸣器报警。

其次，若在主持人按下抢答按键后无人抢答且超过抢答时间，会引发蜂鸣器报警。

最后，结束流程进行程序复位操作［4］。笔者通过构思，设计出一套程序测试流程，具体如图7所示。

5 结语

本设计重点研究了无线语音抢答器系统，利用无线发射接收技术，使抢答器脱离了传统连线的束缚。设计采用以单片机为核心的主控和外接外围电路的方式，利用单片机的自身优势设计了贴近实际使用需求的智能抢答器。本设计以STC89C52为主控，包含单片机最小系统、按键模块、报警电路、语音电路等一系列结构，这些元件共同构成了基于单片机的多路无线语言抢答器。

关于软件部分，使用 Keil软件，参考程序流程，编制了汇编语言。该方案以实际线路为最终结果，可实现预定的抢答、倒计时等功能，适合在普通比赛中使用。

参考文献

［1］杨晓辉，张彤，姜俊海.智能抢答器的设计与制作［J］.长春大学学报，2000（6）：24-25.

［2］李剑心.多路无线遥控接收系统［J］.科技信息，2008（7）：234-236.

［3］林龙森.基于nRF905的八路无线抢答系统［J］.黎明职业大学学报，2010（3）：34-36.

［4］臧殿红.基于AT89S51的八路抢答器的设计［J］.科技信息，2011（25）：98-110.

（编辑 王永超）

Design and implementation of a multi-channel wireless voice answering device

Wang  Luman1， Zheng  Xiaohai1，2*， Song  Shuguang1， Gao  Jingyu1

（1.Xijing University， Xi’an 710123， China; 2.Shaanxi Engineering Research Center of Controllable Neutron Source， Xi’an 710123， China）

Abstract：  With the increasing number of various competitions and competitions， the application and demand for answering questions devices are increasing， and the role it plays has attracted people’s attention. Especially in intellectual activities， “quiz” is a very common， tense， interesting， and educational game. This paper details the overall design， circuit module and function of the wireless buzzer based on 52 series singlechip. The designed answering machine not only has basic answering functions， but also has functions such as wireless transmission， timed alarm， liquid crystal screen display， and voice prompt.

Key words： microcontroller; timed answering; voice circuit; wireless transmission and reception