基于單片機(jī)八路搶答器的仿真與設(shè)計(jì)

王法杰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院， 西安 710089)

0 引言

隨著各類比賽和娛樂活動(dòng)的層出不窮，對(duì)搶答器功能和性能要求越來越高，目前市場(chǎng)上的智力競(jìng)賽搶答器多數(shù)是由數(shù)字電路設(shè)計(jì)組成，雖然功能強(qiáng)大，但是線路復(fù)雜，可靠性、穩(wěn)定性不高，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)搶答器路數(shù)多時(shí)，成品面積較大、運(yùn)維較困難[1]。因此設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的新型智能搶答器，利用STC12C5A60S2單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)搶答系統(tǒng)，結(jié)合單片機(jī)的定時(shí)器的功能，將軟件編程與硬件設(shè)計(jì)結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)時(shí)，通過數(shù)碼管顯示選手號(hào)和時(shí)間，能夠準(zhǔn)確、公平、公正判斷出搶答選手，該系統(tǒng)制作過程簡(jiǎn)單，易于安裝和維護(hù)，具有一定的使用和推廣價(jià)值。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

八路搶答器系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為控制芯片，與四位一體共陽(yáng)數(shù)碼管SM410561D3B和10只自復(fù)位輕觸開關(guān)按鍵組成[2]。系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

圖1 八路搶答器系統(tǒng)框圖

按鍵模塊包括搶答復(fù)位和搶答開始按鍵，用于電路的復(fù)位和主持人提示搶答開始進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，以及八位選手進(jìn)行搶答的八個(gè)按鍵，如果選手搶答成功則數(shù)碼管顯示該選手按鍵號(hào)，同時(shí)對(duì)應(yīng)選手按鍵的LED小燈發(fā)光，數(shù)碼管的后兩位顯示答題時(shí)間，倒計(jì)時(shí)5S時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示[3]。由于數(shù)碼管的段選和位選均由單片機(jī)P0口控制，所以通過74HC573鎖存器來確定位選和段選，鎖存器的使能端由單片機(jī)P2.6和P2.7控制。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 按鍵模塊設(shè)計(jì)

八位選手的按鍵由P3口的八位分別控制，P2.0控制搶答器復(fù)位按鍵，P2.1控制搶答開始按鍵，P1 口的八位分別控制與八位選手按鍵相對(duì)應(yīng)的八只LED小燈。程序設(shè)計(jì)時(shí)，將按鍵模塊設(shè)計(jì)一個(gè)“KEY.H”頭文件供主函數(shù)調(diào)用[4]。按鍵函數(shù)對(duì)十個(gè)按鍵進(jìn)行編程控制，根據(jù)硬件電路圖，先通過程序進(jìn)行按鍵消抖，對(duì)選手按鍵操作時(shí)，用“if語(yǔ)句”判斷按鍵是否按下，延時(shí)一段時(shí)間后再確定是否按下，如果按鍵按下，數(shù)碼管則顯示相應(yīng)的按鍵序號(hào)，同時(shí)與該按鍵對(duì)應(yīng)小燈發(fā)光，按鍵標(biāo)示為清零，例如判斷按鍵1是否按下，主要代碼“if(flag==1) { if(key1==0) { delay(10); if(key1==0) { num=1; flag=0; P1=0xfe;} }”，其中，“flag==1”表示主持人已按下“開始”按鍵標(biāo)志位，當(dāng)“flag==0”時(shí)，表示按下開始按鍵的前提條件下，進(jìn)一步判斷是哪位選手搶答成功，并執(zhí)行“ if(flag==0) {show(num,11,temp2/10,temp2%10);}”語(yǔ)句，將選手號(hào)“num”顯示在第一位數(shù)碼管上，第二位數(shù)碼管“g”段發(fā)光，第三位數(shù)碼管顯示答題時(shí)間的十位，第四位數(shù)碼管顯示答題時(shí)間的個(gè)位。其他七位選手按鍵操作類似，只是對(duì)應(yīng)調(diào)整判斷按鍵號(hào)碼，即第一位數(shù)碼管顯示數(shù)值和小燈對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮即可。

2.2 顯示模塊設(shè)計(jì)

由于LED數(shù)碼管顯示的位選與段選都由P0口控制，所以用74HC573進(jìn)行位選或段選存儲(chǔ)。當(dāng)74HC573鎖存器的使能端為有效電平即高電平時(shí)，則改變輸入端的電平，則相應(yīng)的輸出端與輸入端電平一致，若使能端為低電平，則輸出端的電平為前一次狀態(tài)輸入電平不變，一直保持到使能端有效[5]。程序設(shè)計(jì)時(shí)，先選擇位碼，使位碼控制的鎖存器使能端高電平有效，再進(jìn)行位掃描刷新，然后位碼使能端設(shè)置低電平，進(jìn)行段碼顯示，給P0口送入要顯示的數(shù)據(jù)，到數(shù)碼管顯示數(shù)組里獲取相應(yīng)的數(shù)值顯示到數(shù)碼管再對(duì)數(shù)碼管段顯示使能清零，數(shù)碼管顯示數(shù)組賦初值定義為“uchar code table_seg[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0x7f};”用來顯示“0-9”數(shù)字，數(shù)碼管滅，“g”段點(diǎn)亮和小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮[6]，主要代碼如下：

void display()

{ uchar sx;

for(sx=0;sx<4;sx++)//四位數(shù)碼管

{ wela=1;//位選使能

P0=0x01<

wela=0;//位選關(guān)閉

P0=0xff;

dula=1;//段選使能

P0=table_seg[seg[sx]];//數(shù)碼管顯示

dula=0;

delay(800); }}

2.3 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

主持人按下開始按鍵后3秒鐘開始搶答，數(shù)碼管前兩位不顯示后兩位顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，到時(shí)間沒人搶答，則進(jìn)定時(shí)器T0中斷進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)，四位數(shù)碼管的中間段，即“g”段發(fā)光，說明此次搶答無(wú)效。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有選手按下按鍵進(jìn)行搶答，答題時(shí)間為90秒，5秒倒計(jì)時(shí)提示，進(jìn)中斷蜂鳴器報(bào)警[7]。程序設(shè)計(jì)主要包含主函數(shù)和中斷函數(shù)，在主函數(shù)里配置定時(shí)器T0為工作模式1，打開定時(shí)器，并且開定時(shí)器T0中斷，賦定時(shí)器T0中斷初值為50ms，調(diào)用前面的按鍵與數(shù)碼管顯示頭文件函數(shù)，“ key( );”和“display( );”，用“if語(yǔ)句”判斷“flag”標(biāo)志位，當(dāng)“if(flag==1)”時(shí)，說明按下“開始”按鍵P2.1，按鍵消抖后，執(zhí)行按鍵函數(shù)里的語(yǔ)句“ if(key10==0) { TR0=1;flag=1;flag1=1; }”，置位按鍵開始和搶答時(shí)間標(biāo)志，同時(shí)，調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù)，執(zhí)行語(yǔ)句“ if(flag==1) {show(10,10,temp1/10,temp1%10); }”顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間， 當(dāng)時(shí)間到無(wú)人按下按鍵搶答時(shí)，進(jìn)中斷進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警“if(temp1==0){ temp1=0;TR0=0;flag=2;beep=0; }”；當(dāng)“flag==2”時(shí)，數(shù)碼管“g”段點(diǎn)亮，“if(flag==2){ show(11,11,11,11);}”； 當(dāng)復(fù)位標(biāo)志“flag==3”時(shí)，則執(zhí)行語(yǔ)句“ if(flag==3) {show(12,12,12,12);}”，四位數(shù)碼管顯示小數(shù)點(diǎn)[8]。此外，在中斷函數(shù)里要對(duì)答題5s進(jìn)行報(bào)警提示，其流程圖如圖2所示。

圖2 中斷流程圖

中斷函數(shù)里的主要代碼如下：

if(num!=0) //有選手按下按鍵

{temp2--; //90 s倒計(jì)時(shí)，初值為90

if(temp2<=5) //倒計(jì)時(shí)5 s

{beep=～beep;//蜂鳴器報(bào)警

if(temp2==0)//答題時(shí)間到

{temp2=0;

TR0=0;

beep=1;

delay(50000);

beep=0; //蜂鳴器報(bào)警

} } }

3 軟件仿真與實(shí)物制作

程序編譯通過后，先下載到proteus仿真軟件電路圖里進(jìn)行調(diào)試，仿真無(wú)誤后焊接硬件電路，這樣可以減少由于電路或程序的問題而導(dǎo)致實(shí)物調(diào)試的故障。仿真電路圖如圖3所示。

單片機(jī)的P0口的8位依次和74HC573的“D0-D7”相連，“P2.7”和“P2.6”進(jìn)行數(shù)碼管位碼和段碼的控制，P3口的八位接搶答選手按鍵，P1口八位接八個(gè)LED小燈[9]。鎖存器74HC573芯片的/OE為高電平時(shí)，輸出為高阻態(tài)，芯片處于不可控制狀態(tài)，在本電路中，如圖3所示，/OE接低電平。

LE是輸出端狀態(tài)改變使能端，當(dāng)LE為低電平，輸出端Q始終保持上一次存儲(chǔ)的信號(hào)，當(dāng)LE為高電平時(shí)，Q緊隨D的狀態(tài)變化，并將D的狀態(tài)鎖存，電路中，U2和U3的LE分別接單片機(jī)“P2.7”和“P2.6”進(jìn)行數(shù)碼管位碼和段碼的控制。仿真運(yùn)行時(shí)可以模擬搶答過程，例如“6號(hào)選手”按下?lián)尨鹌靼存I時(shí)，對(duì)應(yīng)“D6”點(diǎn)亮，同時(shí)，數(shù)碼管顯示從90 s開始倒計(jì)時(shí)到了3 s，蜂鳴器報(bào)警[10]，實(shí)物制作如圖4所示。

圖4 八路搶答器實(shí)物制作圖

4 總結(jié)

以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的八路搶答器，采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，自動(dòng)鎖存顯示結(jié)果，主持人按下“開始”按鍵后，根據(jù)不同選手搶答信號(hào)的輸入，經(jīng)過單片機(jī)的控制處理并產(chǎn)生與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，通過數(shù)碼管顯示相應(yīng)的選手號(hào)和答題時(shí)間，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)選手搶答或答題時(shí)間結(jié)束前5S，蜂鳴器報(bào)警提示[11]。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證穩(wěn)定可靠具有一定的實(shí)用價(jià)值。