篮球计时计分器设计.docx

篮球计时计分器设计.docx

《篮球计时计分器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《篮球计时计分器设计.docx（54页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

篮球计时计分器设计

摘要

单片机发展极为迅速，自从问世以来就以极高的性价比受到人们的关注，由于它体积小，环境适应性好，价格低，易开发，所以在各个领域都得到了推广。

广泛应用于智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络、医疗设备、汽车设备等领域中。

当前世界上各大芯片公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位等，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。

本次设计就是采用单片机AT89C51编程控制7段共阴LED数码管作显示的篮球比赛计时计分系统。

在体育比赛的计时计分系统中包括测量类、评分类、命中类、制胜类、得分类等多种类型。

而篮球比赛时根据运动队在规定时间内得分多少来决定胜负的，因此篮球比赛的计时计分器是一种得分类型的系统。

本系统采用模块化设计，主体部分可分为计时显示模块、计分显示模块、定时报警模块、按键控制模块。

利用KeilC51软件进行编程，程序编写完成后通过编译生成HEX文件装入AT89C51芯片中，采用仿真软件Proteus检验功能是否能够正常实现。

最后采用ProtelDXP画出电路原理图并生成印刷电路板图。

本系统由计时电路、计分电路、报警电路和控制电路四个电路组成。

篮球比赛计时计分器的主要功能有赛程时间设置、赛程时间启动/停止设置、比分交换控制和比分刷新控制等。

它具有很高的灵活性，同时操作步骤也很简单且具有低功耗，可靠性，安全性以及低成本等特点。

关键词：

单片机；篮球比赛计时计分器；AT89C51

Abstract

SCMdevelopsrapidlysinceitsinceptiontothehighpricepeoplepayattention,becauseofitssmallsize,adaptabilitytoenvironment,lowprice,easytodevelop,soinallfieldshavebeenpromoted.Widelyusedinsmartinstrumentation,industrialcontrol,homeappliances,computernetworks,medicalequipment,automotiveequipment,andotherareas.Currentlytheworld'smajorchipcompanieshavelaunchedtheirownmicrocontroller,fromthe8-bit,16-32,etc.,buttheyaredistinctive,eachintoacomplementaryapplicationforthemicrocontrollerprovideavastworld。

ThedesigniscontrolledbymicrocontrollerAT89C51programming7-segmentcommoncathodeLEDdigitaldisplayfortimebasketballscoringsystem.Timinginsportsincludingmeasurementcategoryscoringsystem,evaluationcategories,hitcategory,winningclass,asegmentothertypes.Thebasketballgamesportsteamsbasedonpointswithinthespecifiedtimetobedecidedbyhowmuch,sothetimingbasketballgamescoringdeviceisatypeofscoringsystem.Thesystemismodularindesign,themainpartofthedisplaymodulecanbedividedintotime,scoringdisplaymodule,timingalarmmodule,keycontrolmodule.UsingKeilC51softwareprogramming,programmingiscompletecompiledHEXfileisloadedbyAT89C51chip,usingsimulationsoftwareProteustestfeatureisachievedcorrectly.FinallydrawthecircuitdiagramProtelDXPandgenerateprintedcircuitboarddiagram.Thesystemconsistsoftimingcircuitry,scoringcircuits,alarmcircuitsandcontrolcircuitsoffourcircuit。

Basketballtimescoringdevicemainfunctionsoftimescheduleset,schedules,timetostart/stopsettings,scoresandscoresexchangecontrolrefreshcontrol.Ithashighflexibility,whilethestepsareverysimpleandhaslowpowerconsumption,reliability,security,andlowcost。

Keywords：

SCM；Basketballtimescoringdevice；AT89C51

第1章引言1

1．1课题研究背景1

1．2课题研究内容及意义2

1．3设计目的2

1．4本文结构2

第2章系统总体设计3

2．1系统结构图3

2．3基本功能介绍4

2．3．1赛程时间设定4

2．3．2赛程时间启动/暂停设定4

2．3．3比分交换控制5

2．3，4比分刷新控制5

2．3．5计时计分显示5

2．3．6赛程结束报警6

2．3本章小结6

第3章系统硬件电路设计7

3．1系统硬件电路组成7

3．1．1系统原理图的绘制7

3．2器件选择7

3．3单片机AT89C51简述8

3．3．1单片机AT89C51简介8

3．3．2单片机AT89C51主要特性11

3．3．3单片机AT89C51引脚功能说明11

3．3．4芯片擦除13

3．3．5空闲节电模式14

3．3．6掉电模式14

3．3．7程序储存器加密15

3．3．8AT89C51极限参数16

3．4计时电路16

3．4．1计时电路的工作原理16

3．4．2显示器及接口17

3．4．3LED结构与原理18

3．4．4LED显示器显示方式20

3．4．5LED显示器接口实例22

3．4．6CD4511芯片介绍24

3．4．7计时电路原理图27

3．5计分电路28

3．5．1计分电路的工作原理28

3．5．2串口电路29

3．5．3CD4094芯片介绍30

3．5．474LS21芯片介绍31

3．5．5计分电路原理图33

3．6报警电路34

3．6．1报警器的类型34

3．6．2报警器的工作原理34

3．6本章小结35

第4章系统软件设计36

4．1开发环境介绍36

4．1．1汇编语言特点简介36

4．2仿真调试36

4．3篮球比赛计时计分器程序流程图39

4．4子程序设计40

第5章结束语41

参考文献42

致谢43

附录一44

附录二52

第1章引言

1．1课题研究背景

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，。

所以发展极快。

其优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境适应性好，价格低，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

例如，80C51系列单片机已经有十多年的生命期，现如今仍保持着上升的趋势，就充分证明这一点。

单片机以其自身一系列的优点，近几年得到了迅猛发展和大范围推广，广泛应用于智能仪器仪表、通信设备、家用电器、计算机网络、医疗设备、汽车设备等领域中。

并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器等。

可以说现在是单片机百花齐放的时期。

而美国ATMEL公司开发生产了新型的8位单片机——AT89系列单片机。

他不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，此次设计中所用到的单片机AT89C51就具有鲜明的代表性。

单片机是一台微型计算机，由中央处理器、存储器和输入/输出3大基本部分构成。

应用方面，只需在电路中添加少许元器件，通过编写程序就可以实现多种功能的单片机自动控制，接上显示器可以实现数据显示；接上喇叭可以实现声音输出；也可以用来计数和定时。

由于单片机体积小巧、功能强大、应用灵活、价格便宜、可靠性高，所以应用十分广泛。

[1]

1．2课题研究内容及意义

单片机的应用是具有现实意义的。

单片机有极高的智能性，微型性和可靠性（只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作），单片机已然成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到日常生活中。

通过此次设计，更为详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧，并对MCS-51单片机的结构和原理进行讲述，以及基于单片机开发应用的相关芯片的工作原理，并且为在将来的工作和学习中加以应用做好了铺垫。

1．3设计目的

随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而产生。

本次设计采用单片机AT89C51编程控制LED七段共阴极数码管作显示的球赛计时计分系统。

该系统具备的功能有赛程时间设置，赛程时间启动/暂停，半场比分交换，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存。

通过本次基于单片机AT89C51篮球比赛计时计分器的设计，可以了解并熟悉有关单片机开发设计的过程，并加深对单片机的理解和应用以及掌握单片机与外围接口的一些方法和技巧，这些主要表现在以下几方面：

●篮球赛计时计分器包含了80C51系列单片机的最小应用系统的构成，同时在此基础上扩展了一些使用性强的外围接口。

●可以了解LED显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例与具体连接与编程方法。

●怎样利用串行口来扩展显示接口等。

1.4本文结构

本文采用总分的形式进行叙述，首先介绍系统所能实现的功能以及系统的组成，然后对于系统每一个部分进行逐一详细介绍。

第2章系统总体设计

2．1系统结构图

基于单片机系统的篮球比赛计时计分器的系统构成框图如图所示。

图2.1篮球比赛计时计分器系统图

本系统采用单片机AT89C51作为本设计的核心元件。

采用七段共阴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，其中四个LED显示器用于计录比赛赛程的时间，两个用于显示分钟的个位和十位；两个用于显示秒钟的个位和十位。

比赛赛程计时采用倒计时的方式。

即比赛开始前将时间设定好，比赛开始即启动计时，直至计时到零为止。

根据设计，计时范围可达0—99分钟，完全满足赛程的需要。

其余六个用于计录甲、乙两队的分数，每队为三个LED显示器分数范围可达到0—999分，也足够满足赛程需要。

其次，为了配合计时器和计分器校正、调整时间与比分，在本设计中设立了七个按键。

其中三个用于完成设置、调整、启动和暂停赛程时间等功能；其余四个则用于输入甲、乙两队的分数。

系统还设置了报警系统，即比赛时间到时，立刻通过蜂鸣器发出报警声提示比赛结束。

2．2基本功能介绍

2．2．1赛程时间设置

在图3.9所示的计时电路中，用按键开关K5、K6来设置赛程时间。

如：

篮球比赛分四节每一节时间为10分钟，半场时间为20分钟，则通过按键K5键，使数码管1（计时数码管分钟的十位）显示“2”即可；再按K6键，使数码管2（计时数码管分钟的个位）显示“0”即可。

一般比赛时间为40分钟，所以只需要按K5键使数码管1显示“4”，按K6使数码管2显示“0”即可。

时间设置好后，等待场上裁判吹响开始的哨声，则开始倒计时。

当比赛结束时，如果比赛双方比分相同则需要增加比赛时间，这时增加比赛时间同样由按键K5、K6来设置，并且设置方法与上面所述的一致，但一般情况下只需要按K6键（计时数码管分钟的个位）进行设置，因为如篮球比赛加时赛只有五分钟而已。

2．2．2赛程时间启动/暂停设置

当时间设置完成后，比如设置比赛时间为40分钟，则在图3.9所示的LED显示器上显示为4000，40表示分钟，00表示秒钟。

这时，如果场上裁判吹响开始的哨声，则应该立刻按下按键K7，表示比赛开始，计时显示则由4000变成3999，3998……一直倒计时直至LED显示器上显示0000时表示比赛结束。

按键K7为赛程启动和暂停控制。

2．2．3比分交换控制

比分交换控制由图3.9所示的K7键完成，比赛半场结束比赛双方进攻位置会交换，比分也随之转换，也就是说比分交换受赛程时间控制，也只有当上半场计时器指示为0000时，按K7键，才会自动交换甲、乙两队的比分。

如果上半场赛程时间没有到0000时，在此时按下K7键，只会暂停比赛，而不会交换双方比分。

如果要继续比赛，再按一次K7即可。

因此，K7键完成三种功能，即：

启动，暂停，交换比分。

2．2．4比分刷新控制

比赛开始甲、乙双方的比分就会不断变化，所以需要设置比分刷新控制装置；此部分功能由图3.13所示的计分电路中的按键开关K1至K4来完成的：

K1键：

甲队加1分操作

K2键：

甲队减1分操作

K3键：

乙队加1分操作

K4键：

乙队减1分操作

2．2．5计时计分显示

计时计分显示器是采用七段共阴LED数码管来显示的。

其中计时是采用4个LED显示器。

计分是采用6个LED显示器。

计时采用4个LED显示器；显示格式为0000和000000。

2．2．6赛程结束报警

当比赛结束时（即计时显示为0000时），系统会通过蜂鸣器自动发出10秒钟报警声，提示比赛结束。

2.3本章小结

本章主要介绍了由单片机AT89C51控制LED七段数码管作显示的篮球比赛计时计分器所能实现的各项基本功能，以及简要介绍了如何通过按钮操作实现上述的功能。

本次设计完全满足实际赛程的需要，此装置具有价格低廉、性能稳定、操作方便且易于携带等特点，广泛使用于各类学校和小团体作为赛程及时计分。

本次设计的核心是：

运用单片机AT89C51，四至七段BCD译码芯片CD4511，并行/串行装换芯片CD4094实现比分控制刷新、赛程时间暂停继续、赛程时间设定等功能，并能够在7段共阴LED显示数码管上显示。

在下一章会做详细叙述。

第3章系统硬件电路设计

3．1系统硬件电路组成

系统硬件电路由单片机AT89C51；计时电路；计分电路；报警电路；按键开关组成。

3．1．1系统原理图的绘制

本次绘制原理图所使用是软件是ProtelDXP。

ProtelDXP的功能十分强大，它为用户提供了一个集原理图设计、PCB电路板设计、电路仿真、信号完整性分析和逻辑电路设计等功能为一体的工作平台，使用户能够在简捷明快的环境里轻松完成电子线路设计的全过程。

软件采用集成元器件库替代分离的元器件库，使原理图设计和PCB电路板设计之间的转换更加简洁、方面，并且支持多通道设计，提高了模块电路设计的效率。

[2]图见附录二

3．2器件选择

系统在设计的过程中主要选取了以下这些器件：

单片机：

AT89C51

四一七段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单片机AT89C51

3．3．1单片机AT89C51简介

MCS51[3]是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。

INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。

本课题中用到的芯片就是AT系列中的AT89C51单片机芯片。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的快速可擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51提供了许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

它是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图3.1所示为AT89C51单片机基本构造，其基本性能介绍如下：

图3.1AT89C51引脚图

AT89C51本身内含40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

下图为AT89C51方框原理图

3．3．2单片机AT89C51主要特性

AT89C51的主要特性如下表所示：

 兼容MCS—51指令系统

4k可反复擦写（>1000次）FlashROM

 32个双向I/O口

可编程UARL通道

 两个16位可编程定时/计数器

全静态操作0-24MHz

 1个串行中断

128x8bit内部RAM

 两个外部中断源

共6个中断源

 可直接驱动LED

3级加密位

 低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

表3.1AT89C51主要功能描述

3．3．3单片机AT89C51引脚功能说明

GND：

接地。

VCC：

供电电压。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

表3.2AT89C51特殊功能表

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

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）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3．3．4芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯