篮球赛计时计分器设计与研究毕业论文.docx

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篮球赛计时计分器设计与研究毕业论文

篮球赛计时计分器设计与研究毕业论文

第一章引言

1.1背景知识介绍

篮球比赛是根据运动队在规定比赛时间里得分多少来决定胜负的，一次比赛的计时计分至关重要。

在以前的传统体育比赛里，基本都是采用的人工手段计时计分。

人工手段存在诸多弊端。

首先，需要安排专门的人士负责计时和计分，这就引出了专业计时计分人员的需求。

其次，即使是专业计时计分员操作，也难免百密一疏，不能完全保证时间和分数记录的准确性，这就会引起比赛公平性方面的问题。

再者，如果比赛赛程频密，对人工计时计分的效率是一大考验。

所以在此基础上，如何才能更准确，更高效地实现比赛中的计时计分，是很迫切的要求。

因此，计时计分器慢慢发展起来。

体育比赛计时计分器是对体育比赛过程中所产生的时间、比分等数据进行快速采集记录、加工处理、传递利用的工具。

根据不同运动项目的不同比赛规则要求，体育比赛计时计分器包括测量类、平分类、命中类、制胜类、得分类等多种类型。

篮球比赛是根据运动队在规定时间里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工具。

篮球比赛的计时计分器由计时器、计分器等多种电子设备组成。

1.2设计意义

虽然篮球比赛里很早就开始研究应用了电子计时计分器，但通常都是利用模拟电子器件、数字电子器件或是模拟、数字混合组成的，其稳定性和高准确度计时计分仍存在一些问题。

随着科学技术的发展和电子技术的不断更新，对其稳定和高准确度计时计分的实现至今仍是生产和科研的课题。

工程技术电子化、集成化和系统化促成了电子工程技术的发展，同时也促成了电子工程技术在社会各行业中的广泛应用。

随着单片机在各个领域的广泛应用，许多单片机作球赛计时计分系统也就应运而生，例如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器，用单片机控制LED七段显示器计时计分等。

同时单片机在此领域的广泛应用，也大大提高了比赛中计时计分的稳定性和准确性。

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，如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器，用单片机控制LED七段显示器计时计分器等。

本次设计用由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计分。

通过本次基于C51系列篮球计时计分器的设计，可以了解、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，这主要表现在以下一些方面：

（1）篮球赛计时计分系统包含了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接口。

（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接口实例与具体连接与编程方法。

（3）怎样利用串行口来扩展显示接口等。

第二章方案设计

2.1系统方案设计

2.1.1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6个用于计录甲、乙两队的分数，每队3个LED显示器分数范围可达到0—999分，足够满足赛程需要。

另外4个LED显示器则用于计录赛程的时间，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0—99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，特定在本设计中设立了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。

2.1.2器件选择

本系统在设计的过程中主要选取了以下一些器件：

（1）单片机：

AT89C51

（2）BCD--7段译码芯片：

CD4511

（3）并行/串行转换芯片：

CD4094

（4）四输入与门：

74LS21

（5）显示器件：

7段共阴LED显示器

（6）按键：

欧姆龙按键

2.1.3基本功能介绍

2.1.3.1赛程时间设置

在计时电路中。

按键开关k5、k6用来设置赛程时间。

比如：

比赛时间上半场时间20分钟，则通过按键k5键，使数码管1显示“2”即可；再按k6键，设置比赛时间的个位数，使数码管2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，等待比赛开始。

当比赛结束时，如果由于一些特殊原因需要增加比赛时间，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一眼，但一般情况下只需要按k6键来设置即可，因为加时比赛一般只有几分钟而已。

2.1.3.2赛程时间启动/暂停设置

当时间设置完成后，比如设置赛程时间为45分钟，则在图3-4所示的LED显示器上显示为4500，45表示分钟，00表示秒钟。

这时，如果裁判吹响开始的哨声时，则应立即按下按键k7，表示赛程开始，计时显示则由4500变成4459，4458……一直计时直到计为0000时表示赛程结束。

按键k7为赛程启动和暂停控制。

2.1.3.3比分交换控制

比分交换控制由k7键完成。

我们知道，因为比分交换是在上半场赛程结束后进行的，也就是说比分交换受赛程时间控制，只有当上半场计时器指示为0000时，按k7键，则会自动交换甲、乙两队的比分。

如果上半场赛程时间没有到0000时，则此时按下k7键，只会暂停比赛，不能交换分数。

如果要继续比赛，再按一次k7即可。

因此，k7键完成三重功能，即：

启动，暂停，比分交换。

2.1.3.4比分刷新控制

由于在比赛中，甲、乙两队的比分是不断在变化的，所以需要设置比分刷新控制装置；此部分功能由图所示的计分电路中的按键开关K1~~K4来完成的：

K1键：

完成甲队加1分操作

K2键：

完成甲队减1分操作

K3键：

完成乙队加1分操作

K4键：

完成乙队减1分操作

2.1.3.5计时计分显示

计时计分显示器是采用七段共阴LED显示器来显示的。

其中计分是用6个LED显示器。

计时采用4个LED显示器；显示格式为000000和0000。

2.1.3.6赛程结束报警

当比赛结束时，系统会自动发出10秒钟报警声，提示赛程结束。

2.2硬件总体设计

这次设计的核心是：

如何运用AT89C51单片机，CD451译码芯片，CD40948位移位寄存器。

7段共阴LED显示数码管等电子元件完成显示设计在电路上的实现。

从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形和文字的各个点所在位置对应的LED器件发光，就能得到结果。

本次设计采用的是静态驱动方式。

所谓静态驱动，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小[1,2]。

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。

下面是用PROTEL画的总体电路图2-2[3,4]。

图2-2系统总体电路图

第三章硬件电路设计

3.1系统硬件介绍

系统硬件由以下几个部分组成：

（1）单片机AT89C51

（2）计时电路

（3）计分电路

（4）按键开关

说明：

整个系统只用一片AT89C51；在图中将计时电路与计分电路分开画，只是为了能够更好的更清晰的说明问题；并且在整个画图过程中将AT89C51引脚打乱是为了使图示能够更加的清晰明了。

3.1.1单片机AT89C51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。

本课题中用到的芯片就是AT系列中的AT89C51单片机芯片。

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和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，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[5,6]。

3.1.2显示器及其接口

3.1.2.1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。

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[7]。

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。

3.1.2.2LED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。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小[1,2]。

所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器[1,2]。

3.1.3CD4511芯片介绍

在本次设计中，由于只要求LED显示器显示0~~9十个数字，因此我们选用CD4511为LED显示器的译码芯片。

CD4511是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”电路[8]。

锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。

译码器将BCD码转换成7段码，再经过大电流反相器，驱动共阴极LED数码管。

译码器属于非时序电路，其输出状态与时钟无关，仅取决于输入的BCD码。

3.1.4CD4094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。

下图3-1为CD4094的引脚图：

图3-1CD4094引脚分布图

3.1.574LS21芯片介绍

本次设计中的比分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。

下表为74、74HC、74LS系列芯片资料。

3.1.6报警器

3.1.6.1报警器的分类

蜂鸣器有两类3大品种。

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[9]。

3.1.6.2报警器工作原理

报警器的种类很多，比如：

扬声器，蜂鸣器等，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，周期性地振动发声。

3.2计时电路部分

3.2.1振荡电路

本次设计要使用到AT89C51单片机的时钟振荡功能。

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的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器[10]。

振荡电路如下图3-2所示。

外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联谐振电路。

谐振器本身对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度以及温度的稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pF，而使用陶瓷谐振器建议选择40pF。

本次设计使用的是石英晶体谐振器，因此采用30pF的电容，频率大小采用12MHZ与6MHZ均可，这里采用的是12MHZ晶振。

图3-2时钟振荡电路

3.2.2计时电路原理

本次设计中的计时部分采用的是7段共阴LED显示数码管以及CD4511芯片构成。

由于本次设计采用的是静态显示，因此在连接电路时需要将CD4511的输入端，即显示数据口与AT89C51的P1.0~~P.13一一对应接上，并且由于采用了四个7段共阴数码管，因此也要采用四个CD4511芯片与之对应，同时LE端分别与AT89C51的P.2~~P2.3连接。

同时，CD4511的输出直接与LED的a~~g相接，便可实现对BCD的显示。

3.2.3计时电路原理图

计时电路原理图如图3-3所示。

3.2.4计时电路的工作原理

计时电路如图3-3所示，主要由开关K5~~K7，单片机AT89C51，译码器以及LED显示器构成[11]。

图3-3计时电路原理图

计时电路工作过程如下：

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CD4511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。

调时（个位）的操作方法与上面一样。

时间设置完成后，启动定时器T0开始定时计数。

计时采用倒计时，比如：

设置的时间为45分钟，则在LED上显示4500四位数。

定时T0计数60秒后中断返回，继续定时计数下一个60秒；同时则在4位LED显示器上显示4459四位数，表示时间已过去1秒钟，即为44分59秒。

这样一直持续下去，直到变为“0000”时表示赛程结束。

如果比赛中，裁判叫暂停，则只要按一下K7键，即可暂停计时。

3.3计分电路部分

8051系列单片机除了有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8051单片机串行口可以外接串行输入并行输出移位寄存作用为输出口来实现球赛比分刷新显示的。

3.3.1串行接口工作原理

MCS-51系列单片机片内有一个串行I／O端口，通过引脚RXD（P3．0）和TXD（P3．1）可与外设电路进行全双工的串行异步通信。

8051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I／O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）以及作为中断标志等[5,12]。

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，是典型的串行/并行转换芯片[13]。

其中引脚分布图中2脚DATA为串行数据输入脚；3脚CLOCK为时钟脉冲输入；4、5、6、7、14、13、12、11脚为并行8位数据输出，前7脚与LED显示器a~~g引脚相连，11脚置空；8脚接地；16脚接电源5V。

3.3.2比分校正控制电路

本次设计中的比分校正控制电路由四输入与门74LS21和4个按键组成，其中K1、K2键接74LS21的9、10脚，完成甲队加、减分控制；K3、K4键接74LS21的12、13脚，完成乙队加、减分控制。

有关74LS21集成电路的引脚分布及内部原理构造如下图3-4所示：

图3-474LS21引脚图

74LS21芯片的主要引脚说明：

14脚为电源脚

7脚接地

1、2、4、5、9、10、12、13为与门输入脚

6、8脚为与门输出脚

3.3.3计分电路原理图

计分电路原理图如图3-5所示。

3.3.4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。

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12脚，9脚，7脚，4脚，以及单片机AT89C51的P3.5，P3.4，P0.2，P0.1，13脚接AT89C51的P3.2脚。

当按键开关K1~~K4四个按键的任何一个一位按下时，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。

因为按键开关按下时为低电平。

图3-5计分电路原理图

3.4球赛计时计分器的工作过程

整个篮球计时计分器的工作过程如下：

首先在比赛之前，接通电源，系统自动复位，此时计时电路与计分电路中的共阴极数码管全部显示为0000和000000；然后我们按照计时电路中的K5键来设置比赛时间的十位数，例如比赛时间上半场为20分钟，则通过K5键，使数码管1显示“2”即可；再按下K6键，设置比赛时间的个位数，使数码管2显示“0”即可。

一般比赛时间为40分钟，所示只需要按下K5键显示“4”，按下K6键显示“0”即可。

时间设置好时，等待赛程开始，当裁判吹响哨声时，启动计时，这时计时电路便开始工作，计时采用到计时方式，即从20分钟减为0分钟表示上半场结束。

上半场结束时，蜂鸣器会发出10秒钟响声，通知上半场结束，这时按下K7键，便完成了甲、乙两队的分数交换。

在整个赛程中，我们还要对两队比分进行及时刷新，这时我们通过计分电路中的K1~~K4键完成此功能，K1和K2键完成甲队加分、减分，K3和K4键完成乙队加分、减分。

按键每按一下，表示加上或者减去1分。

由于加分、减分我们采用中断完成，且加、减分的中断优先权小于计时电路中的中断优先权，所以不会对计时电路造成影响。

如果在赛程过程中，一方的教练申请暂停时，经裁判批准，我们立即按下K7键，即可以暂停计时，暂停时间到时，再按下K7键继续计时，直至上半场赛程结束，蜂鸣器会发出10秒的响声。

下半场的流程和上半场基本上是一样的。

第四章软件编程及调试

4.1软件设计

软件的编程设计是单片机系统设计的核心部分，也是能否实现预定功能的关键。

单片机编程常用的语言是C语言和汇编语言，最终都要转为IntelHEX格式或二进制格式（Binary）文件拷入单片机芯片内。

这里我们使用的是汇编语言进行编程设计。

4.1.1编程设置及总流程框图

编程前，必须设置好地址、数据以及控制信号。

编程单元的地址加在P1口和P2口的P2.0—P2.3（11位地址范围为0000H—0FFFH），数据从P0口输入，引脚P2.6、P2.7、P3.6、P3.7的电平设置参考校验电路，/PSEN为低电平，RST保持高电平，EA/Vpp引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电压，ALE/PROG引脚输入编程脉冲。

本次设计的程序流程图如下图4-1所示：

图4-1程序流程图

4.1.2主要模块说明

4.1.2.1计时部分模块流程

图4-2计时部分流程图

4.1.2.2记分部分模块流程

图4-3计分部分流程图

4.2系统调试

4.2.1软件调试

上电时对系统中进行检测是单片机程序中的一个良好设计。

在硬件设计时也应该细细考虑将各个使用到的芯片、接口设计成容易使用软件进行测试的模式。

很多有经验的单片机设计者都会在系统上电时（特别是第一次上电时）进行全面的检测，或者更进一步，将系统的运行状态中分为测试模式和正常运行模式，通过加入测试模式对系统进行详细的检测，使得系统的批量检测更为方便容易。

另外要注意的是，一个简单明了的故障显示界面也是颇要费得心思的。

比如：

系统的外部RAM（数据存储器）是单片机系统中常用的器件。

外部RAM如果存在问题，程序通常都会成为无法控制。

因此，程序在启动时（至少在第一次上电启动时）一定要对外部RAM进行检测。

检测内容包括：

（1）检测RAM中的单元。

这主要通过写入和读出的数据保持一致。

（2）检测单片机与RAM之间的地址数据总线。

总线即没有互相短路，也没有连接到“地”上。

另外，很多芯片，都提供了测试的方法。

如串行通信芯片UART，都带环路测试的功能。

另外，在仿真前要做好充分的准备。

单片机硬件仿真器给单片机开发者带来了极大的方便，同时也很容易造成人的依赖性。

很多时候，没有仿真器却能促使工程师写出更高质量的程序。

在硬件仿真调试之前，下面准备工作将是必要的：

（1）程序编完后，对代码仔细逐行检查。

检查代码的错误，建立自己的代码检查表，对经常易错的地方进行检查。

检查代码是否符合编程规范。

（2）对各个子程序进行测试。

测试的方法：

用程序测试程序，编制一个调用该子程序的代码，建立要测试子程序的入口条件，再看看它是否按预期输出结果。

（3）如果代码有修改，再次对代码进行检查。

第五章结论

在本次毕业设计，我通过基于典型单片机AT89C51的设计和应用，对于单片机工作原理，功能有了宏观的了解，并对单片机汇编程序的应用有了新的、进一步的认识。

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路。

另外单片机系统的知识似懂非懂，而且很多知识当时弄明白了，现在要用的时候又不记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理。

由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。

另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。

在利用单片机设计简易LED显示屏的整个设计过程中，从电路的设计，元器件的采购，电路的调试，程序的编写以及最后的电路板的制作，我都亲自参与了设计与制作，这对我对于理论和实际相结合有了新的认识。

本次设计测试结果以及不足之处：

上电复位后，进行定时设置，设置完成后，启动计时。

计时过程中按下K1～K4观察分电路是否工作正常。

计时结束后，是否有报警音出现。

上半场计时结束后，按下比分交换键，看比分是否产生交换。

测试结果：

计时电路可完成倒计时，暂停，继续等功能，在比赛时间到后可进行报警。

记分电路工作正常，可完成对比分的刷新与暂存。

但在测试过程中发现，在比赛上半场时间到后，不能进行比分的交换。

进行分析后得出结论如下：

系统电路部分设计没有原则性的错误，因此硬件部分功能完好。

但因为软件系统编写方面的疏忽，在比分交换及计