基于51单片机的四路抢答器设计-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了基于51单片机的四路抢答器设计。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

0 要求介绍

使用51单片机设计一个思路抢答器

正常抢答：主持人按下开始按钮后数码显示管显示最先按下按钮台号，蜂鸣器发出音响，其它抢答按钮无效；主持人按下开始按钮之前，若选手按下抢答器，抢答违规，显示器显示违规台号，违规指示灯亮，蜂鸣器发出音响，其他按钮不起作用

各台数字显示的消除，蜂鸣器音响及违规指示灯的关断，都要通过主持人按复位按钮

选手答题时间限制:正常抢答下，从按下抢答按钮开始规定时间内，选手没有回答完毕，则作超时处理，违规指示灯亮，显示器显示违规台号，蜂鸣器发出音响

可方便地修改规定答题时间

使用的单片机型号为：普中51-单核-A2（其他51单片机可能引脚和时钟频率不同，需更改一些定义）

1 硬件需求分析

1.1 独立按键

由于本设计为四路抢答器所以适合使用独立按键，且后续设计讲解和代码也使用独立按键，也可以更改为其他触发方式。独立按钮的四个按键分别对应选手1、选手2、选手3、选手4，按键按下时触发对应选手台号抢答

独立按键示意图

通过原理图可以得知其对应的引脚分别为：K1->P31 K2->P30 K3->P32 K4->P33

独立按键原理图

1.2 矩阵键盘

在设计要求中有裁判控制，分析可以得出裁判的职能有：设置倒计时时间、复位抢答、确认开始抢答。根据裁判职能大约需要4个键，分别为：倒计时分钟设置键、倒计时秒设置键、复位键、确认键，由于独立按键已被占用所以使用矩阵键盘中的部分按键来实现。本设计和后续代码中按键的对应关系为：倒计时分钟设置键->S1 倒计时秒设置键->S2 复位键->S3 确认键->S4

矩阵键盘

矩阵键盘原理图

1.3 蜂鸣器

设计需求中多处需要使用到蜂鸣器这一装置，通过原理图可以得知蜂鸣器通过五线四项步进电机模块转接，其对应引脚为P15

蜂鸣器原理图

1.4 数码管

通过数码管显示倒计时、台号、警告等相关数据

动态数码管模块

数码管通过74HC138编译器来确定每次点亮的数码管编号，从原理图可以得知74HC138有3个输入引脚分别为P22 P23 P24，对3个引脚施加不同的电平可以控制亮数码管，假设数码管从左到右依次为1号-8号，则3个引脚的电平信号对应点亮的数码管如下表所示：

P22引脚电平	P23引脚电平	P24引脚电平	点亮的数码管编号
0	0	0	1号
0	0	1	2号
0	1	0	3号
0	1	1	4号
1	0	0	5号
1	0	1	6号
1	1	0	7号
1	1	1	8号

74HC138译码模块原理图

动态数码模块

2 程序逻辑分析

程序逻辑如图所示

3 代码编写

3.1 系统基础配置

3.1.1 public.h

#ifndef _public_H
#define _public_H

#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16;    //对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;


void delay_10us(u16 ten_us);    //定义微秒延时
void delay_ms(u16 ms);  //定义毫秒延时 

#endif

3.1.2 public.c

#include "public.h"

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : delay_10us
* 函数功能         : 延时函数，ten_us=1时，大约延时10us
* 输    入       : ten_us
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
    while(ten_us--);    
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : delay_ms
* 函数功能         : ms延时函数，ms=1时，大约延时1ms
* 输    入       : ms：ms延时时间
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void delay_ms(u16 ms)
{
    u16 i,j;
    for(i=ms;i>0;i--)
        for(j=110;j>0;j--);
}

3.2 按键代码编写

3.2.1 Key.h

#ifndef _key_H
#define _key_H

#include "public.h"

//使用宏定义矩阵按键控制口    
#define KEY_MATRIX_PORT    P1    

//定义独立按键控制脚
sbit KEY1=P3^1;
sbit KEY2=P3^0;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;

//使用宏定义独立按键按下的键值
#define PLEAR_1        1   //选手1
#define PLEAR_2        2   //选手2
#define PLEAR_3        3   //选手3
#define PLEAR_4        4   //选手4
#define KEY_UNPRESS    0   //无选手按键

//使用宏定义矩阵按键按下的键值
#define MINUP       1   //分钟时间+1
#define SECUP       2   //秒时间+1
#define REST        3   //重置按键
#define ENTER       4   //确认、开始按键

u8 key_scan(u8 mode);   //独立按键按下检测

u8 key_matrix_ranks_scan(void);     //矩阵键盘按下检测
#endif

3.2.2 Key.c

#include "key.h"

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : key_scan
* 函数功能         : 检测独立按键是否按下，按下则返回对应键值
* 输    入       : mode=0：单次扫描按键
                   mode=1：连续扫描按键
* 输    出         : KEY1_PRESS：K1按下
                   KEY2_PRESS：K2按下
                   KEY3_PRESS：K3按下
                   KEY4_PRESS：K4按下
                   KEY_UNPRESS：未有按键按下
*******************************************************************************/
u8 key_scan(u8 mode)
{
    static u8 key=1;

    if(mode)key=1;//连续扫描按键
    if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0))//任意按键按下
    {
        delay_10us(1000);//消抖
        key=0;
        if(KEY1==0)
            return PLEAR_1;
        else if(KEY2==0)
            return PLEAR_2;
        else if(KEY3==0)
            return PLEAR_3;
        else if(KEY4==0)
            return PLEAR_4;    
    }
    else if(KEY1==1&&KEY2==1&&KEY3==1&&KEY4==1)    //无按键按下
    {
        key=1;            
    }
    return KEY_UNPRESS;        
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : key_matrix_ranks_scan
* 函数功能         : 使用行列式扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
* 输    入       : 无
* 输    出         : key_value：1-16，对应S1-S16键，
                   0：按键未按下
*******************************************************************************/
u8 key_matrix_ranks_scan(void)
{
    u8 key_value=0;

    KEY_MATRIX_PORT=0xf7;//给第一列赋值0，其余全为1
    if(KEY_MATRIX_PORT!=0xf7)//判断第一列按键是否按下
    {
        delay_10us(1000);//消抖
        switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第一列按键按下后的键值    
        {
            case 0x77: key_value=1;break;
            case 0xb7: key_value=5;break;
            case 0xd7: key_value=9;break;
            case 0xe7: key_value=13;break;
        }
    }
    while(KEY_MATRIX_PORT!=0xf7);//等待按键松开    
    
    KEY_MATRIX_PORT=0xfb;//给第二列赋值0，其余全为1
    if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfb)//判断第二列按键是否按下
    {
        delay_10us(1000);//消抖
        switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第二列按键按下后的键值    
        {
            case 0x7b: key_value=2;break;
            case 0xbb: key_value=6;break;
            case 0xdb: key_value=10;break;
            case 0xeb: key_value=14;break;
        }
    }
    while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfb);//等待按键松开    
    
    KEY_MATRIX_PORT=0xfd;//给第三列赋值0，其余全为1
    if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfd)//判断第三列按键是否按下
    {
        delay_10us(1000);//消抖
        switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第三列按键按下后的键值    
        {
            case 0x7d: key_value=3;break;
            case 0xbd: key_value=7;break;
            case 0xdd: key_value=11;break;
            case 0xed: key_value=15;break;
        }
    }
    while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfd);//等待按键松开    
    
    KEY_MATRIX_PORT=0xfe;//给第四列赋值0，其余全为1
    if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfe)//判断第四列按键是否按下
    {
        delay_10us(1000);//消抖
        switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第四列按键按下后的键值    
        {
            case 0x7e: key_value=4;break;
            case 0xbe: key_value=8;break;
            case 0xde: key_value=12;break;
            case 0xee: key_value=16;break;
        }
    }
    while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfe);//等待按键松开
    
    return key_value;        
}

3.3 蜂鸣器代码编写

3.2.1 Beep.h

#ifndef _beep_H
#define _beep_H

#include "public.h"

//管脚定义
sbit BEEP=P1^5;

//蜂鸣器报警函数
void beep_alarm(u16 time,u16 fre);
#endif

3.2.2 Beep.c

#include "beep.h"

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : beep_alarm
* 函数功能         : 蜂鸣器报警函数
* 输    入       : time：报警持续时间
                   fre：报警频率
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void beep_alarm(u16 time,u16 fre)
{
    while(time--)
    {
        BEEP=!BEEP;
        delay_10us(fre);    
    }        
}

3.3 数码管代码编写

3.3.1 smg.h

#ifndef _smg_H
#define _smg_H

#include "public.h"


#define SMG_A_DP_PORT    P0    //使用宏定义数码管段码口

//对字母的宏定义 
#define A 0x77
#define B 0x7c
#define C 0x39
#define D 0x5e
#define E 0x79
#define F 0x71
#define G 0x3d
#define H 0x76
#define I 0x0f
#define J 0x0e
#define K 0x75
#define L 0x38
#define M 0x37
#define N 0x54
#define O 0x5c
#define P 0x73
#define Q 0x67
#define R 0x31
#define S 0x49
#define T 0x78
#define U 0x3e
#define V 0x1c
#define W 0x7e
#define X 0x64
#define Y 0x6e
#define Z 0x59

//定义数码管位选信号控制脚
sbit LSA=P2^2;
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;

//储存数字字符串定义
extern u8 gsmg_code[17];

//数码管显示推送函数
void smg_display(u8 dat[],u8 pos);

#endif

3.3.2 smg.c

#include "smg.h"

//共阴极数码管显示0~9的段码数据
u8 gsmg_code[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
/*******************************************************************************
* 函 数 名       : smg_display
* 函数功能         : 动态数码管显示
* 输    入       : dat：要显示的数据
                   pos：从左开始第几个位置开始显示，范围1-8
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void smg_display(u8 dat[],u8 pos)
{
    u8 i=0;
    u8 pos_temp=pos-1;

    for(i=pos_temp;i<8;i++)
    {
           switch(i)//位选
        {
            case 0: LSC=1;LSB=1;LSA=1;break;
            case 1: LSC=1;LSB=1;LSA=0;break;
            case 2: LSC=1;LSB=0;LSA=1;break;
            case 3: LSC=1;LSB=0;LSA=0;break;
            case 4: LSC=0;LSB=1;LSA=1;break;
            case 5: LSC=0;LSB=1;LSA=0;break;
            case 6: LSC=0;LSB=0;LSA=1;break;
            case 7: LSC=0;LSB=0;LSA=0;break;
        }
        SMG_A_DP_PORT=dat[i-pos_temp];//传送段选数据
        delay_10us(100);//延时一段时间，等待显示稳定
        SMG_A_DP_PORT=0x00;//消音
    }
}

3.4 时钟代码编写（用于精准倒计时）

3.4.1 time.h

#ifndef _time_H
#define _time_H

#include "public.h"


//变量声明
extern u8 gmsec;//毫秒级定义
extern u16 gsec;//秒级定义
extern u16 last_gsec;//剩余时间存储


//时钟初始化
void time0_init(void);

//倒计时开始函数
void time0_start(u16 time_sec);

//倒计时停止函数
void time0_stop(void);
#endif

3.4.2 time.c

#include "time.h"

//变量定义
u8 gmsec=0;//ms级定义
u16 gsec=0;//秒定义
u16 last_gsec=0;//剩余时间存储

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : time0_init
* 函数功能         : 定时器0中断配置函数，通过设置TH和TL即可确定定时时间
* 输    入       : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void time0_init(void)
{
    TMOD|=0X01;//选择为定时器0模式，工作方式1
    TH0=0XDC;    //给定时器赋初值，定时10ms
    TL0=0X00;    
    ET0=1;//打开定时器0中断允许
    EA=1;//打开总中断
    TR0=0;//关闭定时器        
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : time0_start
* 函数功能         : 定时器0打开
* 输    入       : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void time0_start(u16 time_sec)
{
    TR0=1;//打开定时器
    gsec = time_sec;//倒计时设定    
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : time0_stop
* 函数功能         : 定时器0关闭
* 输    入       : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void time0_stop(void)
{
    TR0=0;//关闭定时器
    TH0=0X00;
    TL0=0X00;
    last_gsec = gsec;
    gsec=0;
    gmsec=0;//重置计时
}

void time0() interrupt 1 //定时器0中断函数
{
    TH0=0XDC;    //给定时器赋初值，定时10ms
    TL0=0X00;
    gmsec++;//10ms加1次
    if(gmsec==100)//定时1秒
    {
        gmsec=0;
        gsec--;//对秒计数
    }                    
}

3.5 主程序代码编写

3.5.1 main.c

#include <reg52.h>
#include "time.h"
#include "key.h"
#include "smg.h"
#include "beep.h"
#include "public.h"

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : answer_time
* 函数功能         : 选手回答倒计时，若成功暂停回答，若失败开启蜂鸣器
* 输    入       : error_plear上一阶段选手台号，time_sec倒计时时间
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
u8 answer_time(u8 error_plear,u16 time_sec)
{
   u8 key = 0;
   u8 time_buf[8];
   if(error_plear == 0)//如果有选手提前抢答，直接跳过倒计时过程
   {
      return 0;
   }
   time0_start(time_sec);//开始计时
   while (1)
   {
      key = key_matrix_ranks_scan();//获取矩阵按键按下的按键
      if(key == ENTER)//回答正确或错误停止计时
      {
         time0_stop();//停止计时
         while (1)
         {
            key = key_matrix_ranks_scan();//获取矩阵按键按下的按键
            if(key == REST)//如果裁判按下重置则退出抢答成功剩余计时展示
               {
                  return 0;
               }
            time_buf[0]=gsmg_code[error_plear];//选手编号
              time_buf[1]=0x40;
              time_buf[2]=0x40;
              time_buf[3]=0x40;
              time_buf[4]=gsmg_code[last_gsec/1000];
              time_buf[5]=gsmg_code[(last_gsec%1000)/100];
              time_buf[6]=gsmg_code[(last_gsec%100)/10];
              time_buf[7]=gsmg_code[last_gsec%10];          //秒显示
            smg_display(time_buf,1);//显示    
         }
      }
      else if(gsec <= 0)//倒计时结束
      {
         time0_stop();
         while (1)
         {
            key = key_matrix_ranks_scan();//获取矩阵按键按下的按键
            if(key == REST)//如果裁判按下重置则退出倒计时结束展示
            {
               return 0;
            }
            time_buf[0]=gsmg_code[error_plear];//选手编号
              time_buf[1]=0x40;
              time_buf[2]=0x40;
              time_buf[3]=0x40;
              time_buf[4]=gsmg_code[0];
              time_buf[5]=gsmg_code[0];
              time_buf[6]=gsmg_code[0];
              time_buf[7]=gsmg_code[0]; 
            smg_display(time_buf,1);//显示
            beep_alarm(10,10);//蜂鸣器响
         }
         return 0;
      }
      else//刷新剩余时间
      {
         time_buf[0]=gsmg_code[error_plear];//选手编号
           time_buf[1]=0x40;
           time_buf[2]=0x40;
           time_buf[3]=0x40;
           time_buf[4]=gsmg_code[gsec/1000];
           time_buf[5]=gsmg_code[(gsec%1000)/100];
           time_buf[6]=gsmg_code[(gsec%100)/10];
           time_buf[7]=gsmg_code[gsec%10]; 
         smg_display(time_buf,1);//显示      
      }
   }
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : answer
* 函数功能         : 获取抢答成功的选手台号
* 输    入       : ready阶段的选手台号
* 输    出         : 若抢答成功返回选手台号，若上一阶段有选手提前抢答返回0
*******************************************************************************/
u8 answer(u8 error_plear)
{
   u8 key = 0;
   if(error_plear != 0)//如果有选手提前抢答，直接跳过抢答过程
   {
      return 0;
   }
   while (1)
   {
      key = key_scan(0);
      if(key != 0)//有选手抢答成功返回选手编号
      {
         return key;
      }
   }
   
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : ready
* 函数功能         : 判断是否有选手提前抢答
* 输    入       : 无
* 输    出         : 如果有选手抢答返回选手台号，若无返回0
*******************************************************************************/
u8 ready(void)
{
   u8 key = 0;
   u8 key_plear = 0;
   u8 ready_buf[8];
   ready_buf[0] = R;
   ready_buf[1] = E;
   ready_buf[2] = A;
   ready_buf[3] = D;
   ready_buf[4] = Y;
   ready_buf[5] = 0x40;
   ready_buf[6] = 0x40;
   ready_buf[7] = 0x40;
   while (1)
   {
      key = key_matrix_ranks_scan();//获取矩阵按键按下的按键
      key_plear = key_scan(0);//检测是否选手提前抢答
      if (key == ENTER)//裁判按下开始健
      {
         break;
      }
      else if(key_plear != 0)//有选手提前抢答
      {
         while(1)
         {
            key = key_matrix_ranks_scan();//获取矩阵按键按下的按键
            if(key == REST)//如果裁判按下重置则退出提前抢答选手展示
            {
               break;
            }
            ready_buf[0] = gsmg_code[key_plear];
            ready_buf[1] = 0x40;
            ready_buf[2] = 0x40;
            ready_buf[3] = E;
            ready_buf[4] = R;
            ready_buf[5] = R;
            ready_buf[6] = O;
            ready_buf[7] = R;
            smg_display(ready_buf,1);//显示提前抢答选手和错误信息
            beep_alarm(10,10);
         }
         return key_plear;
      }
      else//无选手抢答且裁判未按开始建
      {  
         smg_display(ready_buf,1);//显示'READY'
      }
   }
   return 0;
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : countdown_t
* 函数功能         : 获取倒计时时间
* 输    入       : 无
* 输    出         : 倒计时时间
*******************************************************************************/
u16 countdown_t(void)
{
   u8 key = 0;
   u8 time_buf[8];//储存倒计时
   u8 min = 0;//倒计时分定义
   u16 sec = 0;//倒计时秒定义
   while (1)
   {
      key = key_matrix_ranks_scan();//获取矩阵按键按下的按键
      if(key == MINUP && min < 99)//分钟倒计时+1
      {
         min++;
         beep_alarm(1000,10);//短暂提示音
      }
      else if(key == SECUP && sec < 99)//秒倒计时+1
      {
         sec++;
         beep_alarm(1000,10);//短暂提示音
      }
      else if(key == REST)//重置倒计时
      {
         min = 0;
         sec = 0;
         beep_alarm(1000,10);//短暂提示音
      }
      else if(key == ENTER)//倒计时时间确定
      {
         beep_alarm(1000,10);//短暂提示音
         break;
      }
      time_buf[0] = gsmg_code[min/10];
      time_buf[1] = gsmg_code[min%10];//分
      time_buf[2] = 0x40;//-
        time_buf[3] = gsmg_code[sec/10];
        time_buf[4] = gsmg_code[sec%10];//秒
        time_buf[5] = 0x40;//-
      time_buf[6] = 0x40;//-
      time_buf[7] = 0x40;//-
      smg_display(time_buf,1);//显示    
   }
   sec = sec + min*60;
   return sec;
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : main
* 函数功能         : 主程序运行
* 输    入       : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void main()                                
{   
   u8 answer_plear;                 //抢答选手
   u16 time_sec;                     //倒计时时间
   time0_init();
   while(1)
    {
      time_sec = 0;               //重置倒计时时间
      answer_plear = 0;          //重置成功抢答的选手
      time_sec = countdown_t();  //获取倒计时时间
      answer_plear = ready();     //准备函数
      answer_plear = answer(answer_plear);     //返回抢答成功的选手
      answer_time(answer_plear,time_sec); 
    }
}

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