四路智力抢答器
四路智力抢答器
张艳红 刘祖衡 贾书责(焦作坚固水泥有F淞司)
摘要：本设计是四路智力抢答器。使用51系列单片机，编写应用程序来
实现智力抢答功能。设计思路是先等待主持人按键，当有主持人按键时，开始
计时一分钟，并显示时间。有人抢答时，报警电路启动，并显示组号，同时计时
显示停止。若在计时时间内无人抢答，一分钟到时，无报警，且计时停止，重新
开始等待主持人按键，进行下一轮抢答。
关键词：四路智力抢答器单片机
0引言
软件设计利用中断系统的基本构成原理编写中断服务程序，使
用80C51单片机串行接口P1口、P2口、P3口的输入／输出功能向
CPU输入信号，其信号由按键电路提供，由CPU响应中断，并输出响
应。用到了查询按键模块、定时器模块、显示时间模块、显示组号模
块、报警模块等。软件涉及51系列单片机的中断系统、定时器／计数
器、串行接口及外围电路的功能。
硬件设计使用的是51系列单片机中的80C51，其他部件有
74LS48、八段数码显示管、蜂鸣器、LED闪光灯，按键等。硬件设计采
通过外部1 2M的X1提供时钟的脉冲，利用其中断控制程序进行抢
答部分的处理，通过多输入与门的控制去申请单片机内部的中断，以
达到显示抢答的目的。用分模块设计思想，以CPU为中心逐一设计
了时钟电路和复位电路；然后设计了按钮电路为CPU提供输入信
号；再次，为数码管选择输入信号电路：还有就是提供了报警电路；最
终就是修饰和完善总原理图。
显示结果是主持人按键时，数码管显示60，即定时器定从一分
钟开始计时，若一分钟内有人抢答，则此时定时器停止计时，数码管
显示EE,B,-J-的时间，如计时56秒时有人抢答，数码管就显示56，同时
蜂鸣器发出“嘀”声，且警报灯闪烁一下，与此同时显示抢答组的组
数。如一分钟内无人按键枪答，计时时间一分钟到时数码管显示00，
并停止计时。此时等待主持人按键进行下一轮抢答，若主持人不按
键，数码管就一直显示00。
1系统总体方案
首先，以CPU为中心设计了时钟电路和复位电路；然后设计了
按钮电路为CPU提供输入信号：再次，为数码管选择输入信号电路：
还有就是进一步完善设计而提供了报警电路。最终，完善总括电路，
得到总设计原理图。利用单片机内部的时钟中断源，外部中断源，利
用P3口进行第二功能进行控制。当外部中断输入时，我们利用锁存，
稳定输出剩余时间。利用硬件电路防止外部在开始及结束的时候出
现误操作。
2控制部分80C51的设计
本设计中用的是80C51单片机，80C51有40条引脚中有2条
专用于主电路，2条外接晶振，4条控制或与其它电源的复用引脚，32
条l，O引脚。
2．1主电源引脚
Vss：接地。
Vcc：正常操作、对EPROM编程和验证时接+5V电源。
2．2外接晶振引脚
)似L1：接外部晶振的一个引脚。
xTAL2：接外部晶振的一个引脚。
2．3控制或与其它电源复用引脚RSWpd：当振荡器运行时，在
此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单机复位。一般在引脚与
Vss引脚之间连接一个约8．2KQ的下拉电阻，本设计使用的下拉电
阻为1KQ。与Vss引脚之间连接一个20uF的电容，以保证可靠复
位。复位以后，PO、P3口输出高电平，SP指针重新赋值为07H，其它
特殊功能寄存器和程序计数器PC被清O。只要REST保持高电平，
80C51就会循环复位。RESET由高电平变为低电平后，80C51初始
复位不影Ⅱ向内部RAM的状态，包括工作寄存器R0～R7。
ALE(／PROG)：当访问外部数据存储器时，ALE的输出用于锁存
地址低字节，即使不访问外部存储器，ALE仍以不变的频率周期性地
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出现正脉冲信号，为振荡器频率的1／6，因此可用作对输出的时钟。
／PSEN：此输出是外部稃序存储器的读选通信信号。在由外部程
序存储器取指令周期，每个机器周期两次／PSEN有效。但当访问外
部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。／PSEN可以带动
8个TTL负载。
／EA(Vpp)：当／EA保持高电平时访问内部程序存储器，但当PC
值超过OFFF或1FFF时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。
当／EA端保持低电平时，则只访问外部程序存储器，而不管是否有内
部程序存储器。
2．4输入／输出引脚
PO：是一个8位漏极开路的双向输入／输出口。
P1：是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。
P2：是一个带有内部上拉电阻的8位双向输入／输出口，访问外
部存储器时送高8位地址。
P3：是一个带有内
部上拉电阻的8位双向
I，0口。在MCS-51中，
这8个引脚还用于专门
的功能。其中，P3．0为
串行输入口，P3．1为串
行输出口，P3．2为外部
中断0输入，P3．3为外
部中断1输入，P3．4为
定时器0的外部输入，
P3．5为定时器1的输
入，P3．6为外部数据存
储器的写选通信号，P3．
7为外部存储器的读选
通信号。 图180C51引脚图
3数码显示部分LED的介绍
LED显示器是目前最常用的一种数显示器件。发光二极管是由
半导体材料制成的，能将电信号转换成光信号的结型电致发光器件。
如果把发光二极管制成条状，再按照一定方式连接，组成数字“8”，就
构成LED数码管。使用时按规定使某些笔段上的发光二极管发光，
即可组成0—9的一系列数字。
本设计使用的是7SEG—COM—AN—GRN型数码管。
4时钟电路的介绍
51系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大
器，此放大器的输入和输出分别是引脚XTALl和XTAL2，在XTALl
和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。CPU的一系列动作都是
在控制电路部件下工作的。
本设计采用的是内部时钟产生方式，即是在引脚×TALl和
×TAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，与内部反相器构成稳定的自激
振荡器。其发出的脉冲直接送给片内定时控制部件。
5复位电路的介绍
复位是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，
并从这个状态开始工作。51系列单片机通常采用上电自动复位、按
钮电平复位、上电+按钮电平复位、上电+按钮电平复位、程序运行
监视复位等方式。
本设计采用上电自动复位方式，其实质是一阶充放电电路，系统
上电时该电路提供有效的复位信号RST(高电平)直至系统电源稳定
后撤销复位信号(低电平)。同时应注意保证加在RST引脚上的高电
平持续两个机器周期，才能使单片机可靠复位。
6按钮电路
本设计使用的是机械按钮，按钮电路主要用来为CPU串行口提
供输入信号。在实际应用中机械按钮的抖动应该考虑的，可用软件的
万方数据
基于BP网络的电机故障诊断
周武 (抚州金安铀业有限公司)
摘要：介绍了BP神经网络以及电机故障诊断的发展和电动机故障诊断
常见的技术方法，列举了电机故障征兆集。设计一个具有电机故障诊断功能
的BP网络系统，给出了matlab关键稃序和运行结果。
关键词：BP神经网络电机故障诊断
O引言
电机的正常工作对保证生产制造过程的正常进行意义非常重
大。因此对电机故障的诊断要求十分迫切，通过对电机常见故障的
诊断和分析，可以及早发现故障和预防故障的进一步恶化。随着芯片
技术的发展及智能技术的应用，诊断技术已经进入了一个新的阶段，
一种基于人工智能技术的诊断方法。该文用BP神经网络综合实现
电机故障的诊断。
1 BP神经网络
人工神经网络就是模拟人思维的第二种方式。这是一个非线性
动力学系统，其特色在于信息的分布式存储和并行协同处理。虽然单
个神经元的结构极其简单，功能有限，但大量神经元构成的网络系统
所能实现的行为却是极其丰富多彩的。
BP(Back Propagation)网络是一种按误差逆传播算法训练的多
层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP神经网络
模型拓扑结构包括输入层(input)、隐层(hide layer)和输出层(output
Iayer)。BP网络能学习和存贮大量的输入一输出模式映射关系，而无
需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。
BP算法理论具有依据可靠、推导过程严谨、精度较高、通用性较
好等优点，但标准BP算法存在以下缺点：收敛速度缓慢，容易陷入
局部极小值，难以确定隐层数和隐层节点个数。在实际应用中，BP
算法很难胜任，因此出现了很多改进算法：(1)利用动量法改进BP算
法：②la适应调整学习速率；⑨动量一自适应学习速率调整算法；④
L—M学习规则。
2电机故障诊断
由于人为的因素，仅依靠日常的“听、摸、看”难免会造成一定
的判断失误，一方面造成电机抱轴等严重事故的发生，另一方面又可
能对状态较好的电机进行停车检修，如此不仅不能保证装置的平稳
运行，同时还造成了检修费用的大量浪费。
故障诊断技术发展至今已经历了三个阶段：第一阶段由于机器
设备比较简单，故障诊断主要依靠专家或维修人员的感觉器官、个人
经验及简单仪表就能胜任故障的诊断与排除工作；传感器技术、动态
测试技术及信号分析技术的发展使得诊断技术进入了第二个阶段，
并且在维修工程和可靠性工程中得到了广泛的应用i8 0年代初
期，由于机器设备日趋复杂化、智能化及光机电一体化，传统的诊断
技术已经不能适应了，随着计算机技术、人工智能技术特别是专家系
统的发展，诊断技术进入第三个发展阶段一智能化阶段。
电机故障诊断，尤其是多个故障特衙信号相互交织叠加时，很难
仅凭肉眼进行判断识别，而人工神经网络具有独特的非线性映射、联
想记忆、自适应与自学习以及良好的容错性等优点，十分适用于复杂
电机系统的故障诊断。
各种类型的电机具有相同的基本原理，电机内部都有电路、磁
路、绝缘和机械等独立而相互关联的系统，一般用于电动机故障诊断
的技术方法有：①电流分析法。通过对电机电流幅值、波形的检测和
频谱分析，诊断电机故障的原因和程度。例如通过检测交流电动机的
电流，进行频谱分析来诊断电机是否存在转子绕组断条、气隙偏心、
定子绕组故障、转子不平衡等缺陷。②振动诊断法。通过对电动机的
振动检测，对信号进行各种处理和分析，诊断电机产生故障的原因和
部位，并制定处理方案。③绝缘诊断。利用各种电气试验和特殊诊断
技术，对电机的绝缘结构、工作1生能和是否存在缺陷作出结论，并对
绝缘剩余寿命作出预测。④温度诊断。用各种温度检测方法和红外测
温技术，对电机各部分温度进行监测和故障诊断。《，振声诊断技术。
振声诊断技术是对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号，分别
进行信号处理，然后综合诊断，因而可以大大提高诊断的准确率。
3系统总体方案 表1 电机故障征兆表(样本输入)表1为该系统列出了5夏雨萎亘—可fi■r百6
种常见的电机故障征兆集和，1．电机温度1 0 1 1 0 0 0
在集合中，“1”表示有征兆存2．电机噪声0 1 0 1 1 0 0
在，“0”表示征兆不存在。 3．电机振动0 0 1 0 0 1 1
根据经验输出为电机的4．绝缘性能0 0 1 0 1 1 0 0
故障等级，范围从0～1，表1鱼：堡旦丝丝!!Q Q Q!Q!
的样本输入对应的样本输出如表2。
表2电机故障(样本输出)
里型I垫堕 Q：曼墨Q：曼旦Q：垒!Q：Q旦Q：兰]Q：昼璺Q：!兰Q：鱼兰
4软件实现
BP网络在Matlab上的仿真程序设计主要包括：输入层、隐含
层、输出层及各层之间的传输函数几个方面。输入和输出样本分别为
表1和表2。利用Matlab在模式识别方面采用采用自适应学习率
BP算法计算机进行仿真。这里用到matalab神经网络工具箱中的
一个非常实用的函数138w仟。newff函数需要4个输入参数。第一个
参数是一个Rx2的矩阵以定义R个输入向量的最小值和最大值。第
二个参数是一个设定每层神经元个数的数组。第三个参数是包含每
层用到的传递函数名称的细胞数组。最后一个参数是用到的训练函
数的名称。
根据表1样本输入和表2样本输出，创建bp网络和定义训练函
数，是为了方便而建立一个每阵，用newff函数来训练BP网络。关键
程序如下：net=newff([O 1：O 1：O 1；0 1；0 1】，15 1】，{’Iogsig’，’pure-
¨n‘)，‘trainIm。)：％这里要加入输出层的转移函数，一般是tra㈣m；net．
trainParam．goal=O．001；net．trainParam．epochs=5000：{net，tr]=train
(net，P，t)：％训练神经网络iwl=net．IW{1}；％输出训练后的权值和阈
值：bl=net．b{1)：1w2=net．LW{2)：b2=net．b{2)：save net51 neto
5结束语
神经网络是智能控制技术的主要分支之一，在神经网络系统中，
BP网络有着广泛的应用，但各种算法在实际问题中都存在着一些
具体的问题，使得BP网络的应用受到一定的限制，因此对这些算法
还应进一步改进。利用Matlab神经网络工具箱可实现BP网络的
程序设计、训练和仿真，要利用先进技术解决传统控制问题。BP网
络运用于电机故障诊断可以提高工作的可靠性及其系统的灵活性。
(上接第249页)
设计来消除机械抖动。
7显示管的输入信号电路
本设计使用的输
入信号电路主要是
74LS48，八段数码显
示管的输入信号是八
位数，而CPU提供的．
信号是三位的，通过
74LS48把三位的信号
转化为八位的信号。 图2显示管的输入信号电路
8报警电路
该报警电路的作用是在参赛人员按键时进行报警。当主持人发
出抢答信号，而有人员抢答就有报警。此时报警灯闪烁一次，蜂呜器
发出报警声，提示主持人有人要答题。
参考文献：
【1】余发山．单片机原理及应用技米徐州：中国矿业大学出版社，200321-209，
【2】赫建国，郑燕，薛延侠．单片机在设计电路中的应用．北京：清华大学出
版社．2006．35—52．
【3】李华．MCS一51系列单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出
版社．1 993．36—58．
250万方数据
四路智力抢答器
作者： 张艳红， 刘祖衡， 贾书责
作者单位： 焦作坚固水泥有限公司
刊名： 中小企业管理与科技
英文刊名： MANAGEMENT & TECHNOLOGY OF SME
年，卷(期)： 2009，(25)
引用次数： 0次
参考文献(3条)
1.余发山 单片机原理及应用技术l徐州 2003
2.赫建国.郑燕.薛延侠 单片机在设计电路中的应用 2006
3.李华 MCS-51系列单片机实用接口技术 1993
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xzqykj200925227.aspx
下载时间：2010年5月9日
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