基于51单片机的电子记分牌的设计.docx

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基于51单片机的电子记分牌的设计

摘要

单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。

它是一种集计数和多界面于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，本次毕业设计的主要任务是设计一个可以解决篮球比赛时记分与计时准确问题的篮球比赛记分牌，包括硬件设计和软件。

此装置利用低功耗、高性能CMOS8位微控制器---单片机AT89S52,完成计时和记分的功能,采用该装置可根据实际情况进行比分的修改和时间的准确显示。

本文详细地介绍了系统硬件与软件的设计过程。

硬件设计中，完成了LED数码管显示、按键控制系统设计以及辅助功能的设计。

软件设计中，完成了功能选择、倒计时。

本文还包括通过单片机实现篮球记分牌功能的整个设计流程，采用C语言编写程序。

该篮球记分牌硬件结构紧凑，成本低，运行可靠,可适应不同篮球规则，具有一定的使用价值和竞争价值。

关键字:

AT89S52单片机、LED数码管、7a4HC373、C、篮球记分牌

Abstract

Singlechipcomputerisamicrocomputerwhosemainfunctionalcomponentsareintegratedonasinglechip.Itisamicro-controllerwhichcancombinecountingandmultiinterfacestogether,andiswidelyusedinintellectualproductsandindustrialautomation.

Themaintaskofthisgraduationdesignistodeviseabasketballscoreboardtoassuretheaccuracyofscoringandtiminginbasketballgames,includinghardwareandsoftwaredesign.ThisdeviceutilizesAT89S52,alow-powerconsumptionandhigh-performanceCMOS8-bitmicro-controller,toachievetimingandscoringfunctions.Withthisdevise,wecanmodifyscoresanddisplayaccuratetimeaccordingtotheactualsituation

Thisarticledescribesindetailthedesigningprocessofthehardwareandsoftwareinsystem.Inhardware,IhaveaccomplishedthedesigningofLEDdisplay,buttoncontrolsystemandtheaccessibility.Insoftware,functionselectionandtherealizationofcountdowndesignmenthasbeendone.Thisarticlealsointroducesthewholedesignprocessthathowtorealizedevise’sfunctionthroughsinglechipcomputer.TheprogramwaswritteninClanguage.Thisreliablebasketballscoreboardhasacompacthardwarestructure,lowcost,andcanadapttodifferentrules.Aboveall,itisvaluableinpracticaluseandcompetition.

Keywords:

AT89S52singlechipcomputer,LEDdigitaltube,C,basketballscoreboard

第一章引言

1.1背景知识介绍

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。

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。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

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，所以应用很广，发展很快。

单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

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

单片机以其一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。

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。

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AT89S52就是其中典型的代表。

单片机内部也用和计算机功能类似的模块，比如CPU，存储器，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。

我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。

单片机是靠程序实现功能的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能。

一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件的话，电路一定是一块大PCB板。

但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。

只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。

1.1.1单片机的分类

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。

根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。

例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。

总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。

一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。

例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

1.1.2单片机的基本组成

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成一台功能独特的,完整的单片微型计算机.

1.1.3单片机的特点

单片机独特的结构决定了它具有如下特点：

（1）高集成度,高可靠性单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的.芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU.单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高.

（2）控制功能强为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:

分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能.

（3）低电压,低功耗为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V,而工作电流仅为数百微安.

（4）优异的性能价格比单片机的性能极高.为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术.单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB.由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高。

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。

通过此次基于单片机设计的篮球计时记分系统，我们可以更清楚详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧来讲述单片机编程，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，并且可以在将来的工作和学习中加以应用。

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记分系统也应运而产生，如用单片机控制LCD液晶显示器计时记分器，用单片机控制LED七段显示器计时记分器等。

本次设计用由AT89S52编程控制LED七段数码管作显示的球赛计时记分系统。

该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。

它具有价格低廉，性能稳定，操作方便并且易于携带等特点。

广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时记分。

通过本次基于51系列单片机篮球计时记分器的设计，可以了解、熟悉有关单片机开发设计过程，并加深对单片机的理解和应用以及掌握单片机与外围界面的一些方法和技巧，这主要表现在以下一些方面：

（1）篮球赛计时记分系统包含了8051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界面。

（2）可以了解到LED显示器的结构、工作原理以及这种显示器的界面实例与具体连接与编程方法。

本次设计的任务是该系统具备以下功能:

1.具有时钟倒计时功能，精确到秒。

2.时钟的数值可以调节，倒计时能够暂停。

3.时间倒计时结束之后，蜂鸣器报警功能。

4.能记录两队分数，并且能够加减功能。

5.半场比赛结束能够交换两队比分。

第二章系统硬件介绍

本次系统主要器材包括：

AT89S52、74HC373、七段共阴LED显示器、独立式按键。

2.1MCS-51单片机简述

2.1.1单片机AT89S52简介

MCS51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，该系列其他单片机都是在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他公司，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AT89S52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AT89S52单片机芯片。

AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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位中央处理器和Flash存储单元，AT89S52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89S52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，AT89S52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。

如图所示，图2-1为AT89S52单片机管脚图，其基本性能介绍如下：

图2-1AT89S52管脚图

主要管脚：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/DDVP（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

图2-2为AT89S52方框原理图：

图2-2AT89S52方框原理图

2.1.2主要特性

功能特性：

AT89S52提供以下标准功能：

8字节FLASH闪速记忆体，256字竹内部RAM,32个I/O口线，3个16位定时／计数器，一个6矢量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器。

串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

功能引脚介绍：

Vcc：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向1/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时．每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间启动内部上拉电阻。

在FLASH由编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出　　

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）　　

P1.5MOSI（在系统编程用）　　

P1.6MISO（在系统编程用）　　

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）　　

P3.1TXD（串行输出口）　　

P3.2INTO（外中断0）　　

P3.3INT1（外中断1）　　

P3.4TO（定时/计数器0）　　

P3.5T1（定时/计数器1）　　

P3.6WR（外部数据存储器写选通）　　

P3.7RD（外部数据存储器读选通）　　

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE启动。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

2.1.3存储器结构

MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。

程序存储器：

如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：

2000H~FFFFH。

数据存储器：

AT89S52有256字节片内数据存储器。

高128字节与特殊功能寄存器重叠。

也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。

当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。

直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。

例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV0A0H,#data使用间接寻址方式访问高128字节RAM。

例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。

　　MOV@R0,#data堆栈操作也是间接寻址方式。

因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。

2.1.4AT89S52中断源

中断源就是向CPU发出中断请求的来源。

AT89S52共有六个中断源：

2个外部中断（INT0和INT1）、3个定时器中断（定时器0、1和2）和1个串行中断。

如图2-3所示：

图2-3AT89S52中断源

外部中断：

外部中断包括外部中断0和外部中断1。

它们的中断请求信号分别由单片机引脚

/P3.2和

/P3.3输入。

外部中断请求有两种信号方式：

电平方式和脉冲方式。

电平方式的中断请求信号是低电平有效，即只要在

或

引脚上出现低电平时，就激活外部中断标志。

脉冲方式的中断请求信号则是脉冲的负跳变有效。

在这种方式下，在两个相邻机器周期内，

或

引脚电平状态发生变化，即在第一个机器周期内位为高电平，第二个机器周期内为低电平，就激活外部中断标志。

内部定时和外部计数中断：

单片机芯片内部有三个定时器/计数器，对脉冲信号进行计数。

若脉冲信号为内部振荡器输出的脉冲（机器周期信号），则计数脉冲的个数反映了时间的长短，称为定时方式。

若脉冲信号为来自T0/P3.4、T1/P3.5、T2/P1.0的外部脉冲信号，则计数脉冲的个数仅仅反映外部脉冲输入的多少，称为计数方式。

当定时器/计数器发生溢出（计算器状态由FFFFH再加1，变为0000H状态），CPU查询到单片机内部硬件自动设置的一个溢出标志位为1时，便激活中断。

定时方式中断由单片机芯片内部发生，不需要在芯片外部设置引入端。

计数方式中断外部输入脉冲（负跳变）引起，脉冲加在引脚T0/P3.4、T1/P3.5、T2/P1.0端。

串行中断：

串行中断是为串行通信的而需要设置的。

当串行口发送完或接收完一帧信息时，单片机内部硬件便自动串行发送或接收中断标志位置1。

当CPU查询到这些标志位为1时，便激活串行中断。

串行中断是由单片机内部自动发生的，不需要在芯片外设置引入脚。

2.1.5AT89S52的极限参数

表2-1AT89S52的极限参数

2.2显示器及其界面

2.2.1显示器介绍

显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。

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。

发光二极管LED，组成的显示屏，每个点都是一个或多个发光二极管，通过控制电路控制二极管的亮与灭来控制点的发光，从而使整个大屏幕显示图案。

液晶显示器LCD最常见的就是TFT类型的，它是由光源，液晶光栅，和控制芯片组成，他的光源是常亮的白色强光，当光线通过液晶光栅（液晶屏）的时候，通过电压改变液晶颗粒滤光方向，从而改变每个点的颜色和强度来显示图案。

液晶显示器分很多种类，按显示方式可分为段式，行点阵式和全点阵式。

段式与数码管类似，行点阵式一般是英文字符，全点阵式可显示任何信息，如汉字、图形、图表等。

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

二者的档次相差比较大，一般来讲在一些图像简单，对成本控制较严格的场合，用二极管，比如商场、银行等服务部门的电子提示窗，街道、百货公司外面的广告宣传窗；而液晶一般都是作计算机显示器、电视、手持设备等对图像质量要求高的场合。

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