1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
美國Microchip Technology公司推出的PIC16F87X中檔系列單片機(jī)，片內(nèi)含有A/D、PWM、EEPROM等豐富的接口模塊和FLASH程序存儲(chǔ)器。借助于PIC16F873片內(nèi)的ADC模塊，使用一條I/O引腳，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)按鈕開關(guān)的數(shù)字量輸入問題。以此原理制成的16路搶答器，電路設(shè)計(jì)有搶答按鈕開關(guān)、狀態(tài)指示燈、復(fù)位開關(guān)、一只蜂鳴器和兩只數(shù)碼管。
設(shè)計(jì)功能如下，通電后，狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，并且同時(shí)發(fā)出持續(xù)1s的類似電話振鈴的美妙聲音，表示為搶答作好準(zhǔn)備。每當(dāng)主持人口頭發(fā)出號(hào)令之后，哪個(gè)隊(duì)先按下座位上的按鈕開關(guān)，數(shù)碼管就顯示該隊(duì)的編號(hào)。同時(shí)封鎖其他按鈕開關(guān)的活動(dòng)，狀態(tài)指示燈熄滅，并且同時(shí)發(fā)出持續(xù)1s的類似電話振鈴的美妙聲音，以聲明此次搶答動(dòng)作已經(jīng)完成。在主持人確認(rèn)后，按下復(fù)位按鈕，狀態(tài)指示燈重新點(diǎn)亮，并且同時(shí)發(fā)出持續(xù)1s的類似電話振鈴的美妙聲音，為下一次搶答作好準(zhǔn)備。在理論上，利用PIC16F873片內(nèi)的10位A/D轉(zhuǎn)換器，去除一個(gè)無鍵按下的“空”狀態(tài)，則最多可以區(qū)分1023個(gè)按鍵。正是由于利用了PIC16F873片內(nèi)10位A/D轉(zhuǎn)換器，才使本搶答器外圍電路比較簡單，實(shí)用性強(qiáng)，而且本搶答器很容易擴(kuò)展成更多路搶答器。
如圖1，本搶答器主要由按鍵電路、PIC16F873單片機(jī)、三態(tài)輸出鎖存器74LS373及數(shù)碼管組成。R16、R17、K0組成單片機(jī)的復(fù)位電路，按鍵電路由R1-R15、K1-K16組成。PIC16F873單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘由4MHz的石英晶體經(jīng)其內(nèi)部振蕩器提供，內(nèi)部ADC的參考電壓分別為VDD和地，按鍵電路輸出的電壓由數(shù)據(jù)線AN0輸入，由于軟件可以完成譯碼，因此不需譯碼器。74LS373、數(shù)碼管組成顯示電路，R18-R33起到限流的作用。為了使各個(gè)電阻向標(biāo)稱值靠攏，R0-R17的取值如圖1標(biāo)注，能滿足表1中按鍵位置與輸出電壓的關(guān)系。開機(jī)后，RC0-RC7輸出“0”的七段碼，RA1輸出高電平，數(shù)碼管個(gè)位顯示0，接著，尺A1輸出低電平，RA2輸出高電平，數(shù)碼管十位顯示0，RA2再輸出低電平。RA5輸出高電平，狀態(tài)指示燈LED亮，RA3輸出500Hz、630Hz兩種音頻信號(hào)，這兩種音頻信號(hào)以10Hz的頻率輪流切換，從而蜂鳴器就發(fā)出類似電話振鈴的美妙聲音，搶答器進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)搶答時(shí)，某個(gè)按鍵按下，假如是K12，其他按鍵的活動(dòng)被封鎖，PIC16F873單片機(jī)內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)化成10位二進(jìn)制數(shù)，通過單片機(jī)處理，RA1輸出高電平，RC0-RC7輸出“2”的七段碼，然后，RA1輸出低電平，將74LS373(2)的輸出碼鎖存，RA2輸出高電平，RC0-RC7輸出“1”的七段碼，RA2再輸出低電平，將74LS373(1)的輸出碼鎖存，這樣數(shù)碼管就穩(wěn)定地顯示出“12”。同時(shí)，RA3輸出持續(xù)1s的10Hz的頻率輪流切換的500Hz、630Hz兩種音頻信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出類似電話振鈴的美妙聲音，RA5再輸出低電平，LED熄滅，以聲明此次搶答動(dòng)作已完成。在主持人確認(rèn)后，按下復(fù)位按鍵，兩位數(shù)碼管顯示“00”，狀態(tài)指示燈LED亮，搶答器進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)
取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位就已經(jīng)滿足本搶答器對(duì)分辨率的需要，將相鄰兩個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值固定下來作為區(qū)分按鍵位置的判別值。例如，(FFH+F0H)/2=F8H，作為空閑狀態(tài)的判別值，只要轉(zhuǎn)換結(jié)果大于該值，即判為無鍵按下；又例如(10H+20H)/2=18H，作為K2的判別值，只要轉(zhuǎn)換結(jié)果大于該值，即判斷為K2按下。按鍵的掃描采用啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換的方法來實(shí)現(xiàn)。每次掃描過程是從高到低，用各鍵判別值去衡量AD轉(zhuǎn)化結(jié)果，以區(qū)分按下的是哪個(gè)鍵或無鍵按下，這樣便于程序的編寫。若無按鍵，繼續(xù)掃描，若有鍵按下，取出AD轉(zhuǎn)化結(jié)果，關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換，判別哪個(gè)鍵按下，并送顯所按下鍵的編號(hào)，RA5輸出低電平，熄滅狀態(tài)指示燈，RA3送出持續(xù)1s 500Hz和630Hz以10Hz輪流切換的音頻信號(hào)。500Hz的音頻產(chǎn)生的方法如下，該信號(hào)對(duì)應(yīng)的周期為2000us，該音頻信號(hào)一個(gè)的周期之內(nèi)，保持在高電平和低電平的時(shí)間都是1000us。
利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0模塊產(chǎn)生該延時(shí)時(shí)間，分頻比和初始值分別是1:8和131。同理，產(chǎn)生630Hz音頻應(yīng)該采用的分頻比和初始值分別是1:8和157。這兩個(gè)音頻信號(hào)再以10Hz的頻率輪流切換，從單片機(jī)的RA3口線上送出，也就是每個(gè)音頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間是50ms。那么，對(duì)于500Hz來說，50ms之內(nèi)包含的周期個(gè)數(shù)為25個(gè)，包含從低到高的電平切換次數(shù)為50次；對(duì)于630Hz來說，50ms之內(nèi)包含的周期個(gè)數(shù)為31.5個(gè)，包含從低到高的電平切換次數(shù)為63次。發(fā)生1s需要輪流調(diào)用500Hz和630Hz產(chǎn)生的程序各10次。程序流程圖如圖2、圖3、圖4、圖5所示。