从一个简单的项目，学会单片机的使用：51单片机设计的8路抢答器

单片机作为可编程器件，简化了电路的设计、方便了逻辑设计，从此再也不用使用一大堆电路做硬件逻辑了。拆开任何一件功能稍微复杂一点电子产品，里边都可以看到单片机的身影。学会单片机对找工作也很有利，而且待遇还不错，今天就从实例分享的角度和大家共享一个案例，用单片机来实现一个抢答器。

在电视节目中，经常看到抢答器出现在知识竞赛、答题竞赛节目中，如江苏卫视的《一站到底》，抢答器可以准确、公正、直观、公平的显示出抢答选手的编号，可以更好的促进各选手之间的竞争意识，营造紧张的抢答气氛，增加节目的趣味性和观赏性。

抢答器的设计框图

抢答器要实现如下功能：抢答功能、显示功能、倒计时功能、自锁功能。节目后台需要控场，拥有抢答器的绝对控制权。功能需求如下：

开始、结束功能 ：只有按下开始按键后，现场选手才可以开始抢答，否则抢答事件不被处理视为无效；

自锁、互锁功能 ：为了保证抢答的公平性，在开始抢答后，第一个按下抢答的视为有效抢答，产生有效抢答后其他抢答视为无效；计时、设置功能 ：后台/主持人可以设置抢答时间的长短，以倒数秒的方式显示，增强紧张气氛；显示、声音功能 ：用数码管显示倒计时秒数，选手抢答成功后显示抢答者编号和剩余时间；

在该设计中，按键采用机械式的四腿按键来实现，按键数量10个；显示采用三位数码管来实现，两位显示时间，一位显示选手编号；声音提示用蜂鸣器来实现。核心器件采用51单片机来实现。其功能框图如下图所示。

1-抢答器功能框图

按键输入电路设计

该抢答器设计中总共有10个按键，其中8个按键用于给用户抢答用，所代表的编号为1-8，另外两个按键分别为开始键和结束键，由主持人或者后台控制。由于8路输入抢答按键具有互锁功能，所以只要有一个有效输入后，其他抢答都是无效的，这个功能可以在程序中实现，为了方便程序设计，这里采用8输入与非门来实现，所用型号为74LS30，该与非门有8路输入，1个输出，功能框图如下所示。

2-74LS30与非门框图

8个按键作为74LS30的输入，输出通过NPN三极管接入51单片机的外部中断0接口，以中断的方式实现按键功能的检测，单片机的中断资源为低电平有效，为了提高电路稳定性在三极管的集电极上加入上拉电阻，以防误动作。

3-按键输入电路设计

开始和结束两个按键采用独立式按键设计，占用掉单片机的两个IO口，程序中采用轮询来实现。

数码管显示电路设计

显示部分采用数码管来实现，根据设计要求，两位用于显示倒计时时间，最大可以显示99；一位用于显示选手编号，故需要3颗数码管，该设计中采用共阳数码管来实现，所谓共阳数码管是指公共端接高电平，段选管脚接低电平后相应的字段才会被点亮。共阴数码管正好相反，公共端接低电平，段选管脚接高电平后相应的字段才会被点亮。数码管的实物图如下所示。

4-数码管实物图

数码管的引脚比较多，除了8个段选管脚外，还有公共端/位选引脚，如果用三颗独立的数码管可能需要较多单片机引脚资源，为了解决这个问题，本例设计采用74HC595作为数码管驱动。74HC595是串入并出的移位寄存器，只需要三个引脚就可以控制8个引脚的输出，而且还可以实现级联。所以74HC595通常在数码管驱动和点阵屏中应用比较多。

这三颗数码管中，分为时间显示和编号显示两组，用到三颗74HC595，其中两颗级联用于控制时间显示的数码管，总共用到6个单片机的IO口，驱动电路如下图所示。

5-数码管驱动电路

蜂鸣器发声电路设计

需求中提到发声设计，当有效按键事件发生时，蜂鸣器发声作为提示音，当倒计时进入5秒之内后还没有人按键抢答时，蜂鸣器每隔1秒发声，制造现场紧张的气氛，提高节目的观赏性和娱乐性，增强节目效果。本例中选择了蜂鸣器，蜂鸣器驱动电路如下图所示。

6-蜂鸣器驱动电路

由于单片机的IO口驱动能力有限，所以采用三极管来驱动，这里选用了PNP三极管。三极管驱动蜂鸣器时工作于饱和状态，为了让三极管充分饱和，将蜂鸣器接在了三极管的集电极，这个地方初学者在设计电路时要注意。图中当单片机的IO口输出低电平时蜂鸣器工作发声。

抢答器程序设计

该设计使用keil5作为编程环境，涉及到数码管显示、按键检测/互锁、蜂鸣器发声、定时器等相关功能模块的程序编写。程序设计的流程图如下所示。

7-程序设计流程图

程序的功能逻辑介绍如下，上电后数码管显示FFF字样，并首先检测“开始”按键是否按下，如果没有按下开始按键则表示抢答未开始。如果按下了开始按键，抢答器启动，秒显示开始倒计时，有人按下抢答键时蜂鸣器发声、倒计时停止并显示抢答者编号，整个抢答事件结束，直到主持人/后台按下结束按键后再显示FFF。如果倒计时进入5秒内，仍未有人抢答，则每个整秒蜂鸣器响一次，直至结束。

以上为程序逻辑设计和程序的流程图讲解，下面介绍各功能模块的程序设计。

首先介绍数码管的程序编写 ，再编写程序时，都会预先定义好数码管的字段表，根据共阳数码管和共阴数码管的不同，其字段表也是不一样的，但是两者是互补的，数码管可显示的字段表如下图所示。