單片機作為可編程器件，簡化了電路的設(shè)計、方便了邏輯設(shè)計，從此再也不用使用一大堆電路做硬件邏輯了。拆開任何一件功能稍微復(fù)雜一點電子產(chǎn)品，里邊都可以看到單片機的身影。學(xué)會單片機對找工作也很有利，而且待遇還不錯，今天就從實例分享的角度和大家共享一個案例，用單片機來實現(xiàn)一個搶答器。

在電視節(jié)目中，經(jīng)常看到搶答器出現(xiàn)在知識競賽、答題競賽節(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，可以更好的促進(jìn)各選手之間的競爭意識，營造緊張的搶答氣氛，增加節(jié)目的趣味性和觀賞性。

搶答器的設(shè)計框圖

搶答器要實現(xiàn)如下功能：搶答功能、顯示功能、倒計時功能、自鎖功能。節(jié)目后臺需要控場，擁有搶答器的絕對控制權(quán)。功能需求 如下：

1. 開始、結(jié)束功能：只有按下開始按鍵后，現(xiàn)場選手才可以開始搶答，否則搶答事件不被處理視為無效；

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

3. 計時、設(shè)置功能：后臺/主持人可以設(shè)置搶答時間的長短，以倒數(shù)秒的方式顯示，增強緊張氣氛；

4. 顯示、聲音功能：用數(shù)碼管顯示倒計時秒數(shù)，選手搶答成功后顯示搶答者編號和剩余時間；

在該設(shè)計中，按鍵采用機械式的四腿按鍵來實現(xiàn)，按鍵數(shù)量10個；顯示采用三位數(shù)碼管來實現(xiàn)，兩位顯示時間，一位顯示選手編號；聲音提示用蜂鳴器來實現(xiàn)。核心器件采用51單片機來實現(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

該搶答器設(shè)計中總共有10個按鍵，其中8個按鍵用于給用戶搶答用，所代表的編號為1-8，另外兩個按鍵分別為開始鍵和結(jié)束鍵，由主持人或者后臺控制。由于8路輸入搶答按鍵具有互鎖功能，所以只要有一個有效輸入后，其他搶答都是無效的，這個功能可以在程序中實現(xiàn)，為了方便程序設(shè)計，這里采用8輸入與非門來實現(xiàn)，所用型號為74LS30，該與非門有8路輸入，1個輸出，功能框圖如下所示。

2-74LS30與非門框圖

8個按鍵作為74LS30的輸入，輸出通過NPN三極管接入51單片機的外部中斷0接口，以中斷的方式實現(xiàn)按鍵功能的檢測，單片機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，以防誤動作。

3-按鍵輸入電路設(shè)計

開始和結(jié)束兩個按鍵采用獨立式按鍵設(shè)計，占用掉單片機的兩個IO口，程序中采用輪詢來實現(xiàn)。

數(shù)碼管顯示電路設(shè)計

顯示部分采用數(shù)碼管來實現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計要求，兩位用于顯示倒計時時間，最大可以顯示99；一位用于顯示選手編號，故需要3顆數(shù)碼管，該設(shè)計中采用共陽數(shù)碼管來實現(xiàn)，所謂共陽數(shù)碼管是指公共端接高電平，段選管腳接低電平后相應(yīng)的字段才會被點亮。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)的字段才會被點亮。數(shù)碼管的實物圖如下所示。

4-數(shù)碼管實物圖

數(shù)碼管的引腳比較多，除了8個段選管腳外，還有公共端/位選引腳，如果用三顆獨立的數(shù)碼管可能需要較多單片機引腳資源，為了解決這個問題，本例設(shè)計采用74HC595作為數(shù)碼管驅(qū)動。74HC595是串入并出的移位寄存器，只需要三個引腳就可以控制8個引腳的輸出，而且還可以實現(xiàn)級聯(lián)。所以74HC595通常在數(shù)碼管驅(qū)動和點陣屏中應(yīng)用比較多。

這三顆數(shù)碼管中，分為時間顯示和編號顯示兩組，用到三顆74HC595，其中兩顆級聯(lián)用于控制時間顯示的數(shù)碼管，總共用到6個單片機的IO口，驅(qū)動電路如下圖所示。

5-數(shù)碼管驅(qū)動電路

蜂鳴器發(fā)聲電路設(shè)計

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

6-蜂鳴器驅(qū)動電路

由于單片機的IO口驅(qū)動能力有限，所以采用三極管來驅(qū)動，這里選用了PNP三極管。三極管驅(qū)動蜂鳴器時工作于飽和狀態(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，這個地方初學(xué)者在設(shè)計電路時要注意。圖中當(dāng)單片機的IO口輸出低電平時蜂鳴器工作發(fā)聲。

搶答器程序設(shè)計

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

7-程序設(shè)計流程圖

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“開始”按鍵是否按下，如果沒有按下開始按鍵則表示搶答未開始。如果按下了開始按鍵，搶答器啟動，秒顯示開始倒計時，有人按下?lián)尨疰I時蜂鳴器發(fā)聲、倒計時停止并顯示搶答者編號，整個搶答事件結(jié)束，直到主持人/后臺按下結(jié)束按鍵后再顯示FFF。如果倒計時進(jìn)入5秒內(nèi)，仍未有人搶答，則每個整秒蜂鳴器響一次，直至結(jié)束。

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

首先介紹數(shù)碼管的程序編寫，再編寫程序時，都會預(yù)先定義好數(shù)碼管的字段表，根據(jù)共陽數(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實現(xiàn)，開始/結(jié)束按鍵采用輪詢實現(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

//定義開始/結(jié)束按鍵

sbit START = P2^4;

sbit STOP = P2^5;

仿真電路的設(shè)計和驗證

在做板子之前，先用Proteus仿真軟件做了仿真。Proteus仿真支持51單片機并可以實現(xiàn)運行程序的功能，當(dāng)把程序?qū)懞煤蠹虞d至Proteus即可實現(xiàn)程序的調(diào)試，Proteus還可以與Keil軟件實現(xiàn)聯(lián)調(diào)功能。所設(shè)計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，前兩個數(shù)碼管代表倒計時時間，后一個數(shù)碼管代表搶答者的編號。按下開始按鍵后，搶答器開始工作，如下圖所示。

10-搶答成功界面

上圖表示，在倒計時時間還有7秒的時候，5號選手完成了有效搶答，直至主持人/后臺按下結(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

為了實現(xiàn)功能驗證，選擇用萬用板手工焊接實現(xiàn)這個設(shè)計。最終的實物圖如下所示：

11-最終實物圖正面

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

12-最終實物圖背面

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

13-搶答成功界面

該搶答器的設(shè)計雖然是一個很簡單的練手項目，但是卻涉及到了單片機中最常用的外設(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)者可以借助這個產(chǎn)品熟悉單片機開發(fā)過程中所用的各種軟件和產(chǎn)品開發(fā)的流程。

對這個電路進(jìn)行PCB Layout，設(shè)計個外殼就成了一個不錯的產(chǎn)品。還可以增加藍(lán)牙模塊或者WiFi模塊，實現(xiàn)電子屏的控制和顯示，再把功能完善一下，就可以用在舞臺上了。