基于51单片机智能竞赛抢答器设计与实现

摘要
摘要
抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低。

作为一个单位，如果专门购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因此设计了本抢答器。

本设计是以八路抢答为基本理念。

考虑到依需设定限时回答的功能，利用STC89C51单片机及外围接口实现的抢答系统，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。

用开关做键盘输出，扬声器发生提示。

同时系统能够实现：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可在1-99s设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒记时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

关键词：STC89C51 LED数码管抢答器计时
ABSTRACT
ABSTRACT
As a tool, the first answer device has been widely used in all kinds of intelligence and knowledge contests occasions. However, it is not used so frequently due to its production complexity, lacking of reliability and reducing interest. Although a unit can afford it, it is rarely used yearly. Meanwhile, because of the long-term storage, its electronic devices are easy to be damaged. Some activities are likely to be affected because it is quiet trouble to repurchase these spare parts and time-wasting. This First Answer Device is designed to solve these problems.
And this design is based on the principle of eight-way first answer. Considering the requirement and the limited time to answer, while using STC89C51 single-chip and external interface of the Answer System, the use of single-chip timer / counter timing and number of the principles in mind, the software and hardware combination, makes the system time correctly, while the digital control to display time correctly. Switch the keyboard to do with output, speaker prompted occurred. At the same time, the system can be realized: In the competitive answering game, only after the answer that will be valid, if at the beginning of pre-answer that will be invalid; Competitive answer to the question and the end of the question can be set in 1-99s; it can show who's effective and whose answer’s invalid, the correct button will prompt after the music; count down to the competitive and finished time, when it’s full time the system will be automatic reset and the master will also be forced reset ;keys locked in the effective state, while the key is invalid illegal.
Keywords: STC89C51LED digital tubes the first answer device Time
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目录
第一章绪论 (1)
1.1毕业设计目的与要求 (1)
1.2系统分析与总体设计 (2)
1.3单片机系统概述 (3)
1.4抢答器目前主要存在的问题 (4)
1.5本文的主要研究成果及内容安排 (5)
1.5.1 主要研究成果 (5)
1.5.2 本文内容安排 (5)
第二章抢答器的系统概述 (6)
2.1系统的主要功能功能 (6)
2.2系统的需求分析 (6)
2.3抢答器的工作流程 (7)
2.4抢答器的工作过程 (7)
2.5单片机最小系统控制 (9)
2.6STC89C51特殊功能寄存器 (10)
2.7STC89C51的功能及简介 (10)
2.8抢答器的优点及组成 (13)
2.9本章小结 (13)
第三章系统的总体方案设计 (14)
3.1硬件电路的设计 (14)
3.2总体原理图 (14)
3.3时钟频率电路的设计 (15)
3.4复位电路的设计 (15)
3.5显示电路的设计 (14)
3.6键盘扫描电路的设计 (14)
3.7发声电路 (15)
3.8系统复位 (15)
3.9本章小结 (15)
第四章软件设计 (22)
4.1软件任务分析 (22)
4.2程序流程图 (24)
4.3主要程序分析 (24)
4.4本章小结 (27)
第五章总结与展望 (27)
5.1本文小结 (27)
5.2心得体会 (28)
致谢 (29)
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参考文献 (42)
附录A (43)
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第一章绪论
1.1 毕业设计目的与要求
毕业设计（论文）是高等院校本科教学计划中最后一个重要的、必不可少的教学环节，它是我们在校学习的一次全面检验、总结和提高；是我们利用所学的理论知识解决实际工程问题的综合训练；是毕业及学位资格认证的重要依据；是衡量高等学校教育质量和办学效果的重要评价内容。

因此，做好毕业设计（论文）将为我们由学校走入社会打下良好的基础。

通过此次毕业设计，我将会达到如下要求：
(1) 对课本上所学的理论知识进一步加深和巩固；学习基本理论在实践中综合运用的经验，掌握单片机的基本知识、系统设计的基本方法、设计步骤，进一步熟悉和掌握常用单片机模块的应用。

(2）能够熟练使用Autium designer、Protues等电子软件，学会运用这些软件分析、设计和仿真电路的能力。

(3）能够熟练运用Keil-C51软件编写相应的程序模块。

(4）培养我们的动手实践能力、独立思考问题的能力和查阅相关资料的能力。

(5）培养学生具的有一定的Autium designer制PCB图能力。

(6）了解弱电控制强电的方法，并能设计一些简单实用的电路。

(7）学习单片机系统实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧。

(8）培养严谨的思考、思维模式。

(9）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

毕业设计（论文）是高等院校本科教学的最后一个非常重要且必不可少的部分，是将理论知识和生产实际紧密结合的桥梁，对于增强我们综合运用所学知识，分析和解决实际问题，提高学生的实践动手能力、创新思维能力具有不可替代的作用。

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基于51单片机智能竞赛抢答器的设计与实现
1.2 系统分析与总体设计
本次毕业设计课题是《基于51单片机智竞赛抢答器设计与实现》。

本系统采用单片机设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。

主持人有开始和结束、复位键。

在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为30s，回答问题时间为60s。

通过修改程序可以调节抢答时间和回答问题时间。

主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。

选手抢答成功后，选手所对应的LED灯亮，数码管进入计时，在最后五秒扬声器发出提示。

通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。

所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。

为完成此次课题项目，需要如下电路元器件和设备器材。

其中电路元器件及相关参数的需求：
（1）STC89C51实验板一块。

（2）单片机最小系统所需的6M晶振一个，30pF电容两个，复位开关一个，10uF 电解电容三个，1K电阻一个。

（3）抢答器控制电路部分按键十四个，1K电阻七个，蜂鸣器一个。

(4)共阳四位一体数码显示管一个。

(5)+5V直流电压源一个。

实验所用设备器材：
PC机一台及相关软件。

示波器一台。

电烙铁、焊锡、松香等焊接材料。

最小系统是51单片机的最基本的组成部分，51单片机的引脚虽然只有四十，但它有很多的扩展功能，根据相应的课题设计要求可以设计相应的外围电路。

此外，在本课题的设计过程中，还应注意P0口，通常P0-P3口用作通用I/OK口，当P0接口用于I/O口时，必须接上拉电阻，而其他接口不需要。

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1.3 单片机系统概述
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单片芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。

有时还包括定时器/计数器，串行通信口、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器以及A/D转换器等电路，并具有独立的指令系统。

这些电路能在软件控制之下，准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

它能够单独地完成现代工业控制系统所要求的智能化控制功能。

单片机不同于单板机，芯片在没有开发出来以前，只具有功能极其强大的超大规模集成电路，如果再赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统。

单片机的使用需要用户了解其芯片的内部结构和相应的指令系统以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所需要的理论技术。

在特定的程序控制下，就能使该芯片实现特定的功能。

然而，不同单片机的硬件结构和指令系统不尽相同，即它们的技术特征也不同，硬件特征主要和单片机芯片的内部结构有关，因此，设计人员必须熟练掌握其性能是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标（功能特性、控制特性和相关的电气参数特性等），这些信息我们可以从生产厂商的技术手册中得到。

指令特性则指我们熟悉的单片机寻址方式、数据处理和逻辑处理方法、输入/输出特性等。

开发环境包括指令的兼容性及可移植性，软、硬件资源等。

要利用单片机开发实际的应用系统，就必须掌握其硬件结构特征、指令系统和开发环境。

单片机控制系统已基本取代了以前复杂的电子线路或数字电路构成的控制系统，用软件来实现产品的智能化。

现在，单片机的控制范畴无所不在，其应用领域也越来越广泛。

单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它从根本上改变了传统的控制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。

随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深入应用，人们的电子设备的小型化、智能化的要求也越来越高。

在航空航天、机械加工、工程控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着非常重要的作用。

单片机应用
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基于51单片机智能竞赛抢答器的设计与实现
技术业已成为现代电子技术应用领域十分重要的高新技术之一，是电子工程技术人员必备的知识技能，它能使你设计出更具智能化和方便的产品。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、4代的发展，以达到了32位单片机，是目前单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。

随着微电子技术和集成电子技术的不断发展，单片机正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能方向发展。

MCS-51系列单片是众多单片机中的一种，由于它们都是基于8051内核发展起来的，所以称51单片机，而本次设计就是基于51单片机完成的。

1.4 抢答器目前存在的主要问题
随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。

作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

而且目前多数抢答器存在3个不足之处[3]：第一，现场线路连接复杂。

因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。

选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。

第二，电路复杂。

因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。

采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。

第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。

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1.5 本文的主要研究成果及内容安排
1.5.1 主要研究成果
经过两个多月的研究，本文主要设计并实现了基于51单片机智竞赛抢答器，主要包括了有硬件电路系统和软件程序。

硬件电路主要由最小系统部分、八路抢答器控制部分，此外， P0口作为I/O口时还需要上拉电阻（两个500欧姆的电阻）；软件程序主要是使用利用Autium designer制作了原理图、PCB图， Protues进行仿真，Keil-C51软件编写了程序。

通过这次毕业设计，熟悉了单片机的基本原理，一些简单基本的电路的设计，熟练掌握相关电子软件的使用。

1.5.2 本文内容安排
本论文章节的结构和内容如下：
第一章：绪论。

简要介绍了抢答器的发展现状，说明了本课题研究的内容。

第二章：抢答器系统概述。

说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。

第三章：抢答器的硬件电路的设计。

详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。

第四章：抢答器的软件设计，并编程序。

第五章：Proteus仿真，仿真出结果。

第六章：总结。

总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。

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基于51单片机智能竞赛抢答器的设计与实现
第二章抢答器的系统概述
2.1 系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、计时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按钮、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。

参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。

系统的主要功能模块方框图如图1所示。

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图1 系统主要功能模块
本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有
一个抢答按钮。

一共有8个按键输入和8个LED灯，分别对应8路选手。

7 主持人有开始和结束键。

在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为30s，回答问题时间为60s。

新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。

如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。

主持人可按键结束，新一轮抢答开始。

单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用C语言编写。

它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。

本设计中，有一个共阳的数码管组，四个数码管。

其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。

主持人依次按下复位键（RESET），开始键后开始抢答。

可以抢按：超时数码管显示“000”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显示“000”。

若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。

若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“00”并显示选手号码。

2.2 系统的需求分析
1、抢答器同时供8名选手或八个代表队比赛，分别用8个按键表示。

2、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。

3、抢答限定时间和回答问题的时间可以在1～99s设定。

4、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。

5、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，进入倒计时后五秒时系统发出提示音。

6、如果时间已到无人抢答则本次抢答无效，系统警报并禁止抢答，数码管上显示000.
2.3 抢答器的工作流程
在抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部
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基于51单片机智能竞赛抢答器的设计与实现
的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。

在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。

抢答器的工作流程分为：系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2所示，下面分别予以介绍。

Array图2 抢答器工作流程
2.4 抢答器的工作过程
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1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下"加1s"键，如果想减一秒按一下“减1s”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0~99s，0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

2、主持人按"抢答开始"键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设30s 抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设60s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。

倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。

4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED 上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下“停止”键为止。

总而言之，本课题利用STC89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。

2.5 单片机最小控制电路
单片机最小系统是单片机系统的核心，其他的外围电路都是在最小系统的基础上实现的。

单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组成，一般情况下，单片机系统采用外接石英晶体与内部运放组成时钟振荡器作为系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用，为节省硬件和统一系统的时钟信号，常采用外时钟源。

单片机最小系统是单片机控制电路的核心。

在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到光信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。

单片机控制电路相关的电路原理图如图3所示：
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基于51单片机智能竞赛抢答器的设计与实现
图3 单片机控制相关电路
2.6 STC89C51特殊功能寄存器
特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称SFR（Special Function Register）。

特殊功能寄存器共含有22个不同寄存器。

它们的地址分配在80H～FFH中，即在RAM地址中。

这些寄存器的名称和地址见表2。

表2 AT89C51特殊功能寄存器列表
*B F0H 乘法寄存器
*PSW D0H 程序状态字
SP 81H 堆栈指针
DPL 82H 数据存储器指针低8位
DPH 83H 数据存储器指针高8位
*IE A8H 中断允许控制器
*IP D8H 中断优先控制器
*P0 80H 端口0
*P1 90H 端口1
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*P2 A0H 端口2
*P3 B0H 端口3
PCON 87H 电源控制及波特率选择
*SCON 98H 串行口控制器
SBUF 99H 串行数据缓冲器
*TCON 88H 定时器控制
TMOD 89H 定时器方式选择
TL0 8AH 定时器0低8位
TL1 8BH 定时器1低8位
TH0 8CH 定时器0低8位
TH1 8DH 定时器1高8位
注：带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器
虽然特殊功能寄存器地址在80H～FFH之中，但在80H～FFH的地址单元中，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。

所以，用户编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的。

2.7 STC89C51功能及简介
STC系列单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。

1）速度快，比标准的快10倍以上；
2）内部资源丰富：
I2C、E2PROM、A/D、PWM、UART等；
3）可通过普通的UART（串口）下载应用程序；
4）电源范围宽，功耗极低；
5）价格低廉（适合学生使用）。

型号有：
STC89Cxx、STC89CxxAD、STC12Cxx、STC12Lxx…等。

STC89C51单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O 接口
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基于51单片机智能竞赛抢答器的设计与实现
STC89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。

在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。

全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。

STC89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM ，128B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。

单片微机内部最核心的部分是CPU。

CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。

控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。

它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。

运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。

图4 STC89C51单片机的内部结构图
为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用
寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。

其内部结构如图4所示。

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STC89C51的主要性能包括：STC89C51与MCS—51控制器系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory），存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电压范围宽：Vcc可由2.7V 到6V；全静态工作可由0Hz到16MHz；程序存储器具有3级锁存保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。

2.8 抢答器的优点及组成
在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。

如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。

利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。

本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。

系统工作原理本系统采用STC89C51单片机作为核心。

控制系统的四个模块分别为：存储模块、显示模块、声音模块、抢答开关模块。

该抢答器系统通过八个个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；利用一个4位七段共阳数码管来完成显示功能。

工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制4位七段共阳数码管和喇叭工作。

主持人按开始键开始抢答，数码管上显示抢答时间开始倒计时，到5秒后蜂鸣器开始发出警报；哪组抢答成功数码管显示组号并倒计时，答题时间设计为60秒，到后5秒发出提示，从而实现整个抢答过程。

2.9 本章小结
本章主要讲述了抢答器的工作原理和本设计系统的工作流程。

在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；在说明系统的流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。

抢答正常流程与违例流程的实现，以及如何进行抢答控制。

同时也说明了抢答器的优点和。