單片機(jī)作為可編程器件，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)、方便了邏輯設(shè)計(jì)，從此再也不用使用一大堆電路做硬件邏輯了。拆開(kāi)任何一件功能稍微復(fù)雜一點(diǎn)電子產(chǎn)品，里邊都可以看到單片機(jī)的身影。學(xué)會(huì)單片機(jī)對(duì)找工作也很有利，而且待遇還不錯(cuò)，今天就從實(shí)例分享的角度和大家共享一個(gè)案例，用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)搶答器。

在電視節(jié)目中，經(jīng)常看到搶答器出現(xiàn)在知識(shí)競(jìng)賽、答題競(jìng)賽節(jié)目中，如江蘇衛(wèi)視的《一站到底》，搶答器可以準(zhǔn)確、公正、直觀、公平的顯示出搶答選手的編號(hào)，可以更好的促進(jìn)各選手之間的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，營(yíng)造緊張的搶答氣氛，增加節(jié)目的趣味性和觀賞性。

搶答器的設(shè)計(jì)框圖

搶答器要實(shí)現(xiàn)如下功能：搶答功能、顯示功能、倒計(jì)時(shí)功能、自鎖功能。節(jié)目后臺(tái)需要控場(chǎng)，擁有搶答器的絕對(duì)控制權(quán)。功能需求 如下：

1. 開(kāi)始、結(jié)束功能：只有按下開(kāi)始按鍵后，現(xiàn)場(chǎng)選手才可以開(kāi)始搶答，否則搶答事件不被處理視為無(wú)效；

2. 自鎖、互鎖功能：為了保證搶答的公平性，在開(kāi)始搶答后，第一個(gè)按下?lián)尨鸬囊暈橛行尨?，產(chǎn)生有效搶答后其他搶答視為無(wú)效；

3. 計(jì)時(shí)、設(shè)置功能：后臺(tái)/主持人可以設(shè)置搶答時(shí)間的長(zhǎng)短，以倒數(shù)秒的方式顯示，增強(qiáng)緊張氣氛；

4. 顯示、聲音功能：用數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)秒數(shù)，選手搶答成功后顯示搶答者編號(hào)和剩余時(shí)間；

在該設(shè)計(jì)中，按鍵采用機(jī)械式的四腿按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，按鍵數(shù)量10個(gè)；顯示采用三位數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩位顯示時(shí)間，一位顯示選手編號(hào)；聲音提示用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。核心器件采用51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其功能框圖如下圖所示。

1-搶答器功能框圖

按鍵輸入電路設(shè)計(jì)

該搶答器設(shè)計(jì)中總共有10個(gè)按鍵，其中8個(gè)按鍵用于給用戶(hù)搶答用，所代表的編號(hào)為1-8，另外兩個(gè)按鍵分別為開(kāi)始鍵和結(jié)束鍵，由主持人或者后臺(tái)控制。由于8路輸入搶答按鍵具有互鎖功能，所以只要有一個(gè)有效輸入后，其他搶答都是無(wú)效的，這個(gè)功能可以在程序中實(shí)現(xiàn)，為了方便程序設(shè)計(jì)，這里采用8輸入與非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所用型號(hào)為74LS30，該與非門(mén)有8路輸入，1個(gè)輸出，功能框圖如下所示。

2-74LS30與非門(mén)框圖

8個(gè)按鍵作為74LS30的輸入，輸出通過(guò)NPN三極管接入51單片機(jī)的外部中斷0接口，以中斷的方式實(shí)現(xiàn)按鍵功能的檢測(cè)，單片機(jī)的中斷資源為低電平有效，為了提高電路穩(wěn)定性在三極管的集電極上加入上拉電阻，以防誤動(dòng)作。

3-按鍵輸入電路設(shè)計(jì)

開(kāi)始和結(jié)束兩個(gè)按鍵采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，占用掉單片機(jī)的兩個(gè)IO口，程序中采用輪詢(xún)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

顯示部分采用數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，兩位用于顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，最大可以顯示99；一位用于顯示選手編號(hào)，故需要3顆數(shù)碼管，該設(shè)計(jì)中采用共陽(yáng)數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)，所謂共陽(yáng)數(shù)碼管是指公共端接高電平，段選管腳接低電平后相應(yīng)的字段才會(huì)被點(diǎn)亮。共陰數(shù)碼管正好相反，公共端接低電平，段選管腳接高電平后相應(yīng)的字段才會(huì)被點(diǎn)亮。數(shù)碼管的實(shí)物圖如下所示。

4-數(shù)碼管實(shí)物圖

數(shù)碼管的引腳比較多，除了8個(gè)段選管腳外，還有公共端/位選引腳，如果用三顆獨(dú)立的數(shù)碼管可能需要較多單片機(jī)引腳資源，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本例設(shè)計(jì)采用74HC595作為數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)。74HC595是串入并出的移位寄存器，只需要三個(gè)引腳就可以控制8個(gè)引腳的輸出，而且還可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)。所以74HC595通常在數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)和點(diǎn)陣屏中應(yīng)用比較多。

這三顆數(shù)碼管中，分為時(shí)間顯示和編號(hào)顯示兩組，用到三顆74HC595，其中兩顆級(jí)聯(lián)用于控制時(shí)間顯示的數(shù)碼管，總共用到6個(gè)單片機(jī)的IO口，驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。

5-數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

蜂鳴器發(fā)聲電路設(shè)計(jì)

需求中提到發(fā)聲設(shè)計(jì)，當(dāng)有效按鍵事件發(fā)生時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲作為提示音，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)進(jìn)入5秒之內(nèi)后還沒(méi)有人按鍵搶答時(shí)，蜂鳴器每隔1秒發(fā)聲，制造現(xiàn)場(chǎng)緊張的氣氛，提高節(jié)目的觀賞性和娛樂(lè)性，增強(qiáng)節(jié)目效果。本例中選擇了蜂鳴器，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。

6-蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

由于單片機(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力有限，所以采用三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，這里選用了PNP三極管。三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器時(shí)工作于飽和狀態(tài)，為了讓三極管充分飽和，將蜂鳴器接在了三極管的集電極，這個(gè)地方初學(xué)者在設(shè)計(jì)電路時(shí)要注意。圖中當(dāng)單片機(jī)的IO口輸出低電平時(shí)蜂鳴器工作發(fā)聲。

搶答器程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)使用keil5作為編程環(huán)境，涉及到數(shù)碼管顯示、按鍵檢測(cè)/互鎖、蜂鳴器發(fā)聲、定時(shí)器等相關(guān)功能模塊的程序編寫(xiě)。程序設(shè)計(jì)的流程圖如下所示。

7-程序設(shè)計(jì)流程圖

程序的功能邏輯介紹如下，上電后數(shù)碼管顯示FFF字樣，并首先檢測(cè)“開(kāi)始”按鍵是否按下，如果沒(méi)有按下開(kāi)始按鍵則表示搶答未開(kāi)始。如果按下了開(kāi)始按鍵，搶答器啟動(dòng)，秒顯示開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，有人按下?lián)尨疰I時(shí)蜂鳴器發(fā)聲、倒計(jì)時(shí)停止并顯示搶答者編號(hào)，整個(gè)搶答事件結(jié)束，直到主持人/后臺(tái)按下結(jié)束按鍵后再顯示FFF。如果倒計(jì)時(shí)進(jìn)入5秒內(nèi)，仍未有人搶答，則每個(gè)整秒蜂鳴器響一次，直至結(jié)束。

以上為程序邏輯設(shè)計(jì)和程序的流程圖講解，下面介紹各功能模塊的程序設(shè)計(jì)。

首先介紹數(shù)碼管的程序編寫(xiě)，再編寫(xiě)程序時(shí)，都會(huì)預(yù)先定義好數(shù)碼管的字段表，根據(jù)共陽(yáng)數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管的不同，其字段表也是不一樣的，但是兩者是互補(bǔ)的，數(shù)碼管可顯示的字段表如下圖所示。

8-數(shù)碼管字段表

程序代碼如下：

/*共陽(yáng)數(shù)碼管的0-9數(shù)字字碼表*/

uchar code seg_code[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x8e,0xff};

其次是按鍵部分，搶答按鍵采用中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，開(kāi)始/結(jié)束按鍵采用輪詢(xún)實(shí)現(xiàn)，部分定義代碼如下所示。

//定義搶答按鍵

sbit KEY_1=P0^0; //1

sbit KEY_2=P0^1; //2

sbit KEY_3=P0^2; //3

sbit KEY_4=P0^3; //4

sbit KEY_5=P0^4; //5

sbit KEY_6=P0^5; //6

sbit KEY_7=P0^6; //6

sbit KEY_8=P0^7; //6

//定義開(kāi)始/結(jié)束按鍵

sbit START = P2^4;

sbit STOP = P2^5;

仿真電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

在做板子之前，先用Proteus仿真軟件做了仿真。Proteus仿真支持51單片機(jī)并可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行程序的功能，當(dāng)把程序?qū)懞煤蠹虞d至Proteus即可實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試，Proteus還可以與Keil軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)功能。所設(shè)計(jì)的仿真電路如下圖所示。

9-仿真電路-初始顯示FFF字樣

在上電初期，顯示“FFF”字樣，前兩個(gè)數(shù)碼管代表倒計(jì)時(shí)時(shí)間，后一個(gè)數(shù)碼管代表?yè)尨鹫叩木幪?hào)。按下開(kāi)始按鍵后，搶答器開(kāi)始工作，如下圖所示。

10-搶答成功界面

上圖表示，在倒計(jì)時(shí)時(shí)間還有7秒的時(shí)候，5號(hào)選手完成了有效搶答，直至主持人/后臺(tái)按下結(jié)束后再顯示FFF，否則一直顯示該界面。

搶答器的焊接調(diào)試

為了實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證，選擇用萬(wàn)用板手工焊接實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)。最終的實(shí)物圖如下所示：

11-最終實(shí)物圖正面

電源供電為DC5V，可以使用電池盒供電，也可以選擇5V輸出的手機(jī)充電器供電，導(dǎo)線走在了電路板正面，雖然丑了點(diǎn)，但是方便一點(diǎn)。電路板的反面如下圖所示。

12-最終實(shí)物圖背面

反面是用焊錫連接實(shí)現(xiàn)的。由于功能不是很復(fù)雜，程序?qū)懲旰螅{(diào)試了沒(méi)幾次就完成了功能，前文中所描述的功能都實(shí)現(xiàn)了。按鍵互鎖的功能也實(shí)現(xiàn)了。下圖是通電運(yùn)行的界面，表示5號(hào)搶答者在倒計(jì)時(shí)28秒的時(shí)候搶答成功，這時(shí)候其他搶答者的按鍵無(wú)效。只有開(kāi)始或者結(jié)束按鍵是其作用的。

13-搶答成功界面

該搶答器的設(shè)計(jì)雖然是一個(gè)很簡(jiǎn)單的練手項(xiàng)目，但是卻涉及到了單片機(jī)中最常用的外設(shè)電路，可以幫助初學(xué)者熟悉數(shù)碼管、按鍵、蜂鳴器的使用和控制方法。初學(xué)者可以借助這個(gè)產(chǎn)品熟悉單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所用的各種軟件和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的流程。

對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行PCB Layout，設(shè)計(jì)個(gè)外殼就成了一個(gè)不錯(cuò)的產(chǎn)品。還可以增加藍(lán)牙模塊或者WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)電子屏的控制和顯示，再把功能完善一下，就可以用在舞臺(tái)上了。