基于单片机的篮球计时计分器设计毕业设计论文 精品.docx

1、基于单片机的篮球计时计分器设计毕业设计论文 精品毕 业 论 文（设 计） 题 目 基于单片机的篮球计时记分器设计 内 容 提 要随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制的球赛计时计分器也应运而生，如用单片机控制LCD液晶显示器的计时计分器，用单片机控制LED七段显示器的计时计分器等。本设计以基本篮球规则为依据，可对篮球比赛实现实时控制，解决篮球比赛时计分与计时的问题。该装置包含硬件设计和软件编程，主要是以AT89C51单片机为核心元件，编程控制LED七段数码管作显示的球赛计时计分系统，计时部分采用CD4511（七段BCD码译码器）进行硬件译码；计分部分采用CD4094（8位移位存储总

2、线寄存器）作为串行口扩展显示器接口，并利用74LS21（双四输入与门）来实现比分的刷新功能。报警部分采用蜂鸣器为音响器件。该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。且价格低廉、操作简单、携带方便，适合学校单位举办友谊比赛等赛事的计时计分辅助工具。关键词单片机 ；篮球赛计时； 篮球赛计分； 显示Design of Timing and Scoring of Basketball Competition Based on microcontrollerAuthor: yang lu Tutor: wang danAbstractWith a wide r

3、ange of SCM applications in various fields, many with a sinle chip timing for the control of the game scoring device have emerged, such as liquid crystal display LCD with MCU control the timing of scoring device, LED seven segment display with MCU timing control points and more.This design based on

4、the basic rules of basketball, the game of basketball can achieve real-time control, total points and timing can be solved in the game of basketball. The device includes hardware design and software programming, mainly based on AT89C51 MCU as the core components, and programmed to control the LED se

5、gment digital tube for the display of the game time scoring，Part time using CD4511 (seven segment BCD decoder) for hardware decoding; scoring part is CD4094 (8-bit shift register storage bus) serial port expansion, monitor port, and use 74LS21 (Dual four-input AND gate) to achieve the score of the r

6、efresh function. Buzzer to sound the alarm part of the device used. The system is set up with the schedule from time to time, schedule time to pause, refresh in time A, B, and after the two sides achieved a temporary success functions. It is inexpensive, stable performance, easy to operate and easy

7、to carry and so on. A wide range suitable for all types of schools or small groups as time-points race.key wordsMCU; basketball time; basketball scoreboard; Show 基于单片机的篮球计时记分器设计081308129 杨璐 指导教师：王丹 讲师第一章 引言1.1 背景知识介绍 单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的

8、现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。1.2 设计意义单片机的应用是具有高度现实意义的。单片机极高的可靠性，微型性和智能性（我们

9、只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作），单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的日常生活当中。本设计就是基于单片机设计时计分系统，通过串口通信动态传输数据，使计时计分系统有了更多更完善的功能。1.3 设计目的篮球计时计分器就是以单片机为核心的计时计分系统，由计时器，计分器，综合控制器等组成。本次设计是由AT89C51编程控制LED七段数码管作显示的球赛计时计分系统。该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩等功能。设计内容包括给甲、乙两队分别设置加分按钮，各按钮按下分别实现给甲、乙队加分；给甲、乙两队分别设置减分按钮，各按钮按下分别

10、实现给甲、乙队减分；设置一个复位按钮，按下实现甲、乙队总分回到初试分及显示等。本设计通过串口通信动态传输数据，使计时计分系统有了更多更完善的功能。单片机系统的硬件结构给予了篮球计分器系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，使其在传统的篮球计时计分器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。第二章：系统设计方案2.1系统构成框图基于单片机系统的篮球赛计时计分器的系统构成框图如图2-1所示。图2-1 系统构成图本系统采用单片机AT89C51作为本设计的核心元件。利用7段共阴LED作为显示器件。在本次设计中，共接入十个七段共阴LED显示器，其中6个用于记录 甲、乙两队的分数，每队3个L

11、ED显示器，分数范围可达到0999分，足够满足赛程需要。另外4个LED显示器则用于记录赛程的时间，其中两个用于显示分钟，2个用于显示秒钟。赛程计时采用倒计时方式，即比赛前将时间设置好，比赛开始时启动计时，直至计时到零为止。根据设计，计时范围可达099分钟，也完全满足赛程的需要。其次，为了配合计时器和计分器校正、调整时间和比分，特在本设计中设立了7个按键。其中4个用于输入甲、乙两队的分数；另外3个则用于完成设置、调整、启动和暂停赛程时间等功能。再次,我们还设计了定时报警系统,即比赛时间到时,我们立即通过扬声器发出报警声，提示整个赛程结束。2.2 基本功能介绍首先在比赛之前,接通电源,系统自动复位

12、,此时计时电路与计分电路中的共阴极数码管全部显示为0，在计时电路中,按键开关来设置时间。比如:比赛时间是40分钟，分两节，每节20分钟，则通过按键,使数码管1显示“2”即可;再按键设置比赛时间的个位数,使数码管2显示“0”即可。时间设置好后,等待比赛开始。当比赛结束时,如果需增加比赛时间,这时增加比赛时间同样由按键开关来设置。由于在比赛中,甲、乙两队的比分是不断变化的,所以需设置比分刷新控制装置;此功能由计分电路中的按键开关完成，分别为给甲队加1分、加2分、加三分，给乙队加1分、加2分、加3分。当比赛结束时,系统会使用音频振荡器自动发出10秒钟报警声,提示比赛结束。音频振荡信号VS可为正弦波或

13、矩形波，一般800HZ1000HZ，可选用多种方案实现，如RC环形振荡器、自激对称多谐振荡器、555集成定时器构成的振荡器等。第三章 系统硬件设计3.1系统硬件部分组成 系统硬件主要是由单片机AT89C51、计时显示电路、计分显示电路、报警电路和按键开关五个部分组成。3.2器件的选择本系统在设计过程中主要选取了以下一些器件:单片机：AT89C51四个七段BCD译码芯片：CD4511并行 / 串行转换芯片：CD4094四输入与门：74LS21显示器件：7段共阴LED显示器按键：欧姆龙按键3.3系统硬件介绍3.3.1单片机AT89C511)、89C51单片机的主要特性本课题中用到的芯片是AT系列中

14、的AT89C51单片机芯片。AT89C51单片机包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，具有如下特性：（1）面向控制的8位CPU;(2)一个片内振荡器和时钟产生电路，振荡频率为0-24MHZ;(3)片内4KB Flash ROM程序存储器；（4）128 KB的片内数据存储器；（5）可寻址的64 KB片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；（6）2个16位的定时/计数器；（7）4个并行的I/O口，共32条可单独编程的I/O线；（8）5个中断源，2个中断优先级；（9）一个全双工的异步串行口；（10）21个特殊功能寄存器；（11）具有节点工作方式，机有限方式和掉电保护方式。2)、89C51单片机的

15、引脚功能AT89C51具有五种封装形式，以适应不同产品的需求。分别为（1）40脚双列直插封装（DIP封装）方式；（2）44脚方形封装方式；（3）48脚DIP封装（4）50脚方形封装方式；（5）68脚方形封装方式。其中40脚DIP封装和44脚方形封装为基本封装方式。89C51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的。89C51有40条引脚。这40条引脚可分为32条I/O接口线、2条主电源线、4条控制线或与其它电源复用的引脚、2条外接晶体线4部分。89C51单片机为双列直插式结构，如图3-1示。图3-1 89C51引脚分配图(1) 电源线89C51单片机的电源线有以下两种:a) V

16、cc：电源线，正常操作时接+5V电源b) GND：接地线。(2) 89C51单片机的外接晶体引脚a）XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端，片内振荡器反向放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。振荡电路的频率就是晶体的固有频率，当采用外部振荡器时，此引脚输入外部时钟脉冲。 b）XTAL2：接外部石英晶体和微调电容的另一端。片内振荡器反向放大器的输出端，采用外部振荡器时，该引脚悬空。通过用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出，可以确定89C51的振荡电路是否正常工作。(3)控制线 89C51单片机的控制线有以下几种：a)RST：复位输入,高电平有效，当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期以

17、上的高电平，就可以使单片机复位。b)ALE/PROG：地址锁存允许信号，89C51上电正常工作后，ALE端不断地往外输出正脉冲信号，此信号频率为振荡器频率的1/6。AT89C51在并行扩展外部存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的低8位地址信号，可以实现8位地址和数据的分离。ALE信号可以作为对外输出的时钟或定时信号，当访问外部存储器时，将跳过一个ALE脉冲。 c) ：外部程序存储器的读选通信号。当89C51在由外部程序存储器

18、取指令或常数时，每个机器周期内两次有效输出。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 d) /Vpp：内、外ROM选择端。当接高电。时，CPU访问并执行外部存储器的指令；但当PC（程序计数器）值超过4 KB（OFFFH）时，将自动转去执行外部存储器的程序。当接低电平时，CPU只访问并执行外部存储器中的指令，而不管是否有内部程序存储器， (4) I/O接口组成（32根I/O接口线）及功能a）P0接口：P0接口有8条接口线（P0.00.7），其中P0.0为低位，P0.7为高位。它由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成。P0接口是一个双向8位三态I/O接口，在访

19、问外部存储器时，可分时用做低8位地址线和8位数据线；在Flash ROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。 b)P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，在Flash ROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。 c) P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对Flash ROM编程和程序验证时，它接收高8位地址和其它控制信号。 d)P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，可驱动4个LSTTL门电流。在89C51单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能。表3-1 P3口的第二功能端口引脚第二功能

20、P3.0RXD（串行数据接收端）P3.1TXD（串行数据发送端）P3.2/INT0（外部中断0申请输入端）P3.3/INT1（外部中断1申请输入端）P3.4T0（记时器0计数输入端）P3.5 T1（记时器1计数输入端）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）3)89C51单片机的主要组成部分单片机一般由中央处理器、存储器和I/O接口组成。（1）CPU CPU是单片机的核心部分，它的作用是读入和分析每条指令。根据每条指令的要求控制各个部件执行相应的操作。89C51单片机内部有一个8位的CPU，它由运算器和控制器组成。运算器：运算器主要包括算术和逻辑运算部件A

21、LU、累加器ACC、寄存器YMP1、YMP2,程序状态寄存器PSW，布尔处理器及十进制调整电路。控制器：控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR和堆栈指针SP等。（2）存储器 89C51单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。89C51片内有4 KB的程序存储器和128 B的数据存储器，除此之外还可以在片外扩展64 KB的程序存储器和64 KB的数据存储器。其中64 KB的程序存储器中，有4KB地址对于片内程序存储器和片外程序存储器是公共的，这4 KB的地址为0000

22、H-0FFFH,从1000H-FFFH是外部程序存储器的地址，也就是说4 KB的内部程序存储器的地址是0000H-0FFFH，64 KB的外部程序存储器的地址是000H-FFFH;128 B的的片内数据存储器的地址是从00H-7FH(用8位地址)，而64 KB的外部数据存储器的地址是从0000H-FFFH.(3)并行I/O口 89C51有4个8位并行输入、输出端口，记做P0、P1、P2和P3，共32根线。实际上它们就是特殊功能寄存器中的4个。每个并行I/O口都能用做输入/输出，所以称它们为双向I/O口。3.3.2显示器及其接口1）显示器介绍同键盘一样，显示器也是人机交流的重要组成部分。计算机的

23、运行结果和运行状态可以通过显示器显示出来。单片机应用系统中常用的显示器有LED和LCD两种方式。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。两者之间的区别：（1）二极本身发光， 液晶本身不发光，只是透射光。（2）二极管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低。液晶成本较高，面积无法做得很大，但图像质量很好，适合做显示器。 （3）二极管耗电大，液晶耗电小。（4）二极管图像刷新率低，液晶的高。在本次设计中采用LED显示器。2）数码管结构与原理发光二极管LED（Light Emitting Diode）是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LE

24、D数码显示器就是由发光二极管组合而成的一种新型显示器件，但是由于低功耗的要求，LCD显示器越来越被广泛地使用。图3-2 LED显示器如图3-2所示：LED数码管显示器是由8个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的点或线段发光，将这些发光二极管排成一定的图形，控制不同组合的二极管导通，就可以显示出不同的字形和符号。单片机系统中常用的LED显示器为七段显示器，再加上一个小数点，因此也可以把它称之为八段数码管显示器。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器 。如图3-3所示

25、：图3-3 (a)共阴LED (b)共阳LED3） LED显示器显示方式点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。在本次设计中，采用的是静态显示。这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式 。3.3.3 CD4094芯片介绍在本次设计的计分电路中，我们使用集成电路CD4094。CD4094是8位移位寄存器，它主要完成串行输入/并行输出8位数据的功能，所以又叫8位串/并转换器。图3-4为CD4094的引脚图： 图3-4 CD4094引脚分布图3.3.4 74LS21芯片介绍本次设计中的比分

26、校正电路采用四输入与门74LS21来实现。74LS21是双4输入与门。在一个芯片里有两个相同的单元，其中一个任何一个都是1/2断口。同型号的74系列、74HC系列、74LS系列芯片，逻辑功能上是一样的。表3.4为74、74HC、74LS系列芯片资料 。表3.2 74、74HC、74LS相关资料表系列电平典型传输延迟ns最大驱动电流AHCCMOS8.5-8/8AHCTCOMS/TTL8.5-8/8HCCOMS25-8/8HCTCOMS/TTL25-8/8ACTCOMS/TTL10-24/24FTTL6.5-15/64ALSTTL10-15/64LSTTL18-15/243.3.5 报警器1） 报

27、警器的分类报警器的种类很多，比如：扬声器，蜂鸣器等，蜂鸣器有两类品种。一类是压电式，一类是电磁式，电磁式又有两大品种，铁振膜式和动圈式，二者原理一样只是结构不同。所有蜂鸣器都有两种类型：纯蜂鸣器和带驱动的蜂鸣器，蜂鸣器都是用音频信号驱动的，都是交流驱动。 2) 报警器工作原理本次设计采用的是电磁式蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、震动膜片以及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号通过电磁线圈，使得电磁线圈产生了一个磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声 。3.4计时电路部分3.4.1 振荡电路本次设计要使用到AT89C51单片机的时钟振荡功能。

28、AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。这个放大器与作为反馈元件与片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。图3-5 时钟振荡电路图3-6 外部时钟电路3.4.2 计时电路的工作原理计时电路如图3-7所示，主要由开关K5-K7，单片机AT89C51，译码器以及LED显示器构成。 图3-7 计时电路原理图其工作过程如下：当比赛准备开始的时候，当调时（十位）开关K5按下时，产生一个低电平；立即数00H取出，同时对应调分（十位）控制端P2.0的LE输出高电平，表示此时可以向调分（十位）的CD4511发送数据，但CD451

29、1的输出端不会有输出，因为LE=1时，CD4511锁存。这时，只要将要显示数据的代码经过P1口的P1.0送到CD4511的输入端A-D端，送完后，将LE清零。这时便可以将要显示数据的代码经过CD4511译码后，从输出端a-g输出，送LED显示器显示即可。调时按键开关每按一次，数字自动加1，直到调到需要设置的时间即可。3.5 计分电路部分AT89C51单片机除了有4个8位并行口外，还有一个能同时进行串行发送和接收的全双工串行通信口。它能同时发送和接收数据，还能作为同步移位寄存器使用。球赛计分电路正是利用了AT89C51单片机串行口可以外接串行输入并行输出移位寄存作的功能来作为输出口实现球赛比分刷

30、新显示的 。3.5.1 串行接口工作原理AT89C51单片机片内有一个串行IO端口，通过引脚 RXD(P30)和TXD(P31)可与外设电路进行全双工的 串行异步通信 。 AT89C51单片机的串行端口有4种基本工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的IO电路；方式1多用于双机之间或与外设电路的通信；方式2，3除有方式l的功能外，还可用作多机通信，以构成分布式多微机系统。串行端口有两个控制寄存器(SCON和PCON)，用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率(每秒传送的位数)以及作为中断标志

31、等。串行端口有一个数据寄存器SBUF(在特殊功能寄存器中的字节地址为99H)，该寄存器为发送和接收所共同。发送时，只写不读；接收时，只读不写。在一定条件下，向SBUF写入数据就启动了发送过程；读SBUF就启动了接收过程。串行通信的波特率可以程控设定。在不同工作方式中，由时钟振荡频率的分频值或由定时器T1的溢出率确定，使用十分方便灵活 。3.5.2 计分电路的工作原理计分电路主要由单片机AT89C51，串行/并行转换器（CD4094），LED显示器，74LS21以及按键开关组成。图3-8 计分电路的原理图其工作过程如下：按键开关K1-K4组成甲、乙两队加减分控制。按键K1-K4一端接地，另一端输入与门74LS21的9脚，10脚，12脚，13脚，以及单片机AT89C51的P3.5，P3.4，P0.2，P0.1，8脚接AT89C51的P3.2脚。因为按键开关按下时为低电平 ，当按键开关K1-K4四个按键的任何一个按下时，与门的8脚输出都会产生低电平使单片机中断，从而使相应LED显示。 第四章 篮球计时计分器软件设计4.1 篮球计时计分器的工作过程本次设计的程序流程图如4-1：