基于PIC16F873的16路搶答器

1 系統硬件設計
美國Microchip Technology公司推出的PIC16F87X中檔系列單片機，片內含有A/D、PWM、EEPROM等豐富的接口模塊和FLASH程序存儲器。借助于PIC16F873片內的ADC模塊，使用一條I/O引腳，可以實(shí)現多個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)的數字量輸入問(wèn)題。以此原理制成的16路搶答器，電路設計有搶答按鈕開(kāi)關(guān)、狀態(tài)指示燈、復位開(kāi)關(guān)、一只蜂鳴器和兩只數碼管。
設計功能如下，通電后，狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，并且同時(shí)發(fā)出持續1s的類(lèi)似電話(huà)振鈴的美妙聲音，表示為搶答作好準備。每當主持人口頭發(fā)出號令之后，哪個(gè)隊先按下座位上的按鈕開(kāi)關(guān)，數碼管就顯示該隊的編號。同時(shí)封鎖其他按鈕開(kāi)關(guān)的活動(dòng)，狀態(tài)指示燈熄滅，并且同時(shí)發(fā)出持續1s的類(lèi)似電話(huà)振鈴的美妙聲音，以聲明此次搶答動(dòng)作已經(jīng)完成。在主持人確認后，按下復位按鈕，狀態(tài)指示燈重新點(diǎn)亮，并且同時(shí)發(fā)出持續1s的類(lèi)似電話(huà)振鈴的美妙聲音，為下一次搶答作好準備。在理論上，利用PIC16F873片內的10位A/D轉換器，去除一個(gè)無(wú)鍵按下的“空”狀態(tài)，則最多可以區分1023個(gè)按鍵。正是由于利用了PIC16F873片內10位A/D轉換器，才使本搶答器外圍電路比較簡(jiǎn)單，實(shí)用性強，而且本搶答器很容易擴展成更多路搶答器。
如圖1，本搶答器主要由按鍵電路、PIC16F873單片機、三態(tài)輸出鎖存器74LS373及數碼管組成。R16、R17、K0組成單片機的復位電路，按鍵電路由R1-R15、K1-K16組成。PIC16F873單片機系統時(shí)鐘由4MHz的石英晶體經(jīng)其內部振蕩器提供，內部ADC的參考電壓分別為VDD和地，按鍵電路輸出的電壓由數據線(xiàn)AN0輸入，由于軟件可以完成譯碼，因此不需譯碼器。74LS373、數碼管組成顯示電路，R18-R33起到限流的作用。為了使各個(gè)電阻向標稱(chēng)值靠攏，R0-R17的取值如圖1標注，能滿(mǎn)足表1中按鍵位置與輸出電壓的關(guān)系。開(kāi)機后，RC0-RC7輸出“0”的七段碼，RA1輸出高電平，數碼管個(gè)位顯示0，接著(zhù)，尺A1輸出低電平，RA2輸出高電平，數碼管十位顯示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，這兩種音頻信號以10Hz的頻率輪流切換，從而蜂鳴器就發(fā)出類(lèi)似電話(huà)振鈴的美妙聲音，搶答器進(jìn)入準備狀態(tài)。當搶答時(shí)，某個(gè)按鍵按下，假如是K12，其他按鍵的活動(dòng)被封鎖，PIC16F873單片機內的A/D轉換器將輸入電壓轉化成10位二進(jìn)制數，通過(guò)單片機處理，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，這樣數碼管就穩定地顯示出“12”。同時(shí)，RA3輸出持續1s的10Hz的頻率輪流切換的500Hz、630Hz兩種音頻信號，蜂鳴器發(fā)出類(lèi)似電話(huà)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。在主持人確認后，按下復位按鍵，兩位數碼管顯示“00”，狀態(tài)指示燈LED亮，搶答器進(jìn)入準備狀態(tài)。

2 軟件設計
取ADC轉換結果的高8位就已經(jīng)滿(mǎn)足本搶答器對分辨率的需要，將相鄰兩個(gè)狀態(tài)的轉換結果的平均值固定下來(lái)作為區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，只要轉換結果大于該值，即判為無(wú)鍵按下；又例如(10H+20H)/2=18H，作為K2的判別值，只要轉換結果大于該值，即判斷為K2按下。按鍵的掃描采用啟動(dòng)AD轉換的方法來(lái)實(shí)現。每次掃描過(guò)程是從高到低，用各鍵判別值去衡量AD轉化結果，以區分按下的是哪個(gè)鍵或無(wú)鍵按下，這樣便于程序的編寫(xiě)。若無(wú)按鍵，繼續掃描，若有鍵按下，取出AD轉化結果，關(guān)閉AD轉換，判別哪個(gè)鍵按下，并送顯所按下鍵的編號，RA5輸出低電平，熄滅狀態(tài)指示燈，RA3送出持續1s 500Hz和630Hz以10Hz輪流切換的音頻信號。500Hz的音頻產(chǎn)生的方法如下，該信號對應的周期為2000us，該音頻信號一個(gè)的周期之內，保持在高電平和低電平的時(shí)間都是1000us。
利用定時(shí)器/計數器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)音頻信號再以10Hz的頻率輪流切換，從單片機的RA3口線(xiàn)上送出，也就是每個(gè)音頻信號持續的時(shí)間是50ms。那么，對于500Hz來(lái)說(shuō)，50ms之內包含的周期個(gè)數為25個(gè)，包含從低到高的電平切換次數為50次；對于630Hz來(lái)說(shuō)，50ms之內包含的周期個(gè)數為31.5個(gè)，包含從低到高的電平切換次數為63次。發(fā)生1s需要輪流調用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。