毕业设计（论文）-基于单片机的田径比赛比分告示器LED显示设计.doc

第一章 田径比赛比分告示器概述当电子技术和计算机技术还没有当今这么发达的时候，一些体育比赛和其它项目的比赛中，对于比赛结果，裁判人员主要通过纸和纸笔来进行相应选手的记录，然后由专门的统计人员将记录结果汇总、统计，最后公布成绩。在这过程中，往往需要等待很长的时间，而且也可能带来结果的误差性，因为有着外在因数的影响。更是需要较多的工作人员，成绩也不能够实时地向现场观众告示，特别在比较正式的的体育赛事里面。所以，随着体育事业的发展，迫切需要一种更方便，更可靠，更实用的田径比赛告示器，来减轻人的劳动，增强比赛的客观性和可视性。各种相关技术的日益成熟，给体育事业带来了新的活力和发展。根据各项比赛的具体要术，将现代技术应用于体育事业中，形成了各种各样电体育器材。田径比赛比分告示器就是在结合了单片机技术，通讯技术，控制技术，液晶显示技术，机械技术等相关技术后而设计的，它可应用于田赛各项比赛中，来替代传统的比分告示方法。单片机是单片微型计算机的简称。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器cpu、随机存取存储器ram、只读存储器rom、i/o接接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。其控制功能强，有优异的性能/价格比，体积小，耗电少，可靠性高和容易掌握等优点，所以其应用范围不断扩大，已成为生产中和人类生活中不可缺少的有力工具。综合以上优点，田径比赛比分告示器，以单片机为核心部件，通过对其进行接口电路扩展，来进行系统开发，以实现应达到的设计要求。本田径比赛比分告示器，按键输入选手的成绩、号码等信息内容，在液晶显示端（即裁判控制器）可以看到输入的信息，确认输入正确无误后，按键发送，成绩就通过通讯线路输送到大屏比分告示器，同时也可以将信息送入计算机数据处理，可以让场上的观众即时看到运动员比分。它采用许多比较流行的元件如w77e58而不是8031，简化了软硬件结构增加了实用性，因此更具有适应性。现有的田径比赛比分告示器要实现的功能都大同小异，只是实现手段方面略有差异，所采用的技术有些区别。田径比赛比分告示器数字体育的一个应用，将会对田径比赛产生良好的促进作用，随着比赛的信息化时代的到来，其应用必将越来越广泛。在近年来我国举行的许多重大体育赛事中，我们欣喜的看到许多数字体育技术的应用，标志着体事业正越来越向现代化方向发展。中国的体育事业正蓬勃发展，2008北京奥动会将是我国数字体育的一个里程碑，我们相信这必将带动体育数字技术的进步，也将使的这些数字设备的更加完备和成熟。第二章 田径比赛比分告示器系统的原理及组成田径比赛比分告示器系统的结构框图如图2.1，它主要有三个组成系统：主控制系统、液晶显示系统和大屏幕告示器系统。主控制系统排列有矩阵键盘，用以实现运动员信息的采集，经过处理后，通过20ma电流环路串行接口采用异步通讯的方法送与液晶显示和大屏幕告示器系统,并能采用rs232接口电路与pc机进行通讯。液晶显示器当接受到主系统送来的信息，进行实时显示，以便于工作人员确认输入正确与否。大屏幕告示器系统与液晶显示器同时收到主机送来的信息，但并不立即显示，而是在得到确认命令后，再显示号码、次数、成绩、成功与否情况，转动大屏幕向全场告示。各个原理图将在下面分别详细的说明。 2.1主控制器的系统原理及组成 主控制器的系统原理图见图2.2 ,w77e58单片机通过p0、p2口组成38矩阵键盘来达到对单片机的控制和数据信息的输入功能。w77e58是双串口的芯片，用p1.2 和p1.3组成的串口与max232接口相连，来与pc机进行数据通信，w77e58的另一个串口与电流环接口相连，中间用光电耦合器（4n25）进行单片机与电流环的电气隔离，通过ne556n的电气转换，将单片机的ttl电平转换成环路的电流信号。p0.0p0.3：矩阵式键盘行接口引脚；p2.0p2.7: 矩阵式键盘行接口引脚；p1.2: rxd1(w77e58串行口1输入端)；p1.3: txd1(w77e58串行口1输出端)；p3.1: txd2(w77e58串行口2输出端)接光电藕合器。图2.2主控制器的系统原理2.2液晶显示系统的原理及组成液晶显示系统的原理图见图2.3。采用at89s52单片机，其完成的主要工作是接受从主控制系统异步通讯传输过来的数据与控制信息，经处理将数据显示在m1286403液晶屏上，以方便操作人员判别输入的数据正确与否，从而进行必要的修改。at89s52具体的引脚连接如下：p1.1p1.7: mls-12864液晶显示器的8位数据输入；p3.0p3.5: mls12864液晶显示器的控制信号输入；p3.0: rxd(串行口输入端引脚)。 图2.3液晶显示系统的原理图2.3 大屏幕告示器显示板的原理及组成大屏幕告示器显示板的原理见图2.4。同样采用at89s52单片机，其完成的主要工作是接受从主控制系统异步通讯传输过来的数据与控制信息，在接受到主控系统送来的信息正确无误的确认命令后，将数字信息输入串行输入并行输出移位寄存器cd4094，进行led显示，同时控制显示器的转动停止（控制信号控制电机正反转）。at89s52具体的引脚连接如下：p0.6、p0.7: 大屏显示牌正、反转控制； p1.6、p3.1: 屏幕转动行程开关信号；p3.0 ：rxd(串行口输入端引脚)；p0.1、p0.5: cd4094时钟信号；p0.2、p0.4: cd4094煤串行数据输入端；p0.0、p0.3 ：d4094并行输出控制信号输入端。图2.4大屏幕告示器显示板的原理图第三章 控制系统的硬件设计硬件系统的设计主要是在满足设计要求的前提下,选择合适的芯片以及电路连接方式,以提高系统的性和性价比 。3.1 主控制器部分设计3.1.1 cpu 的选择 cpu是其核心部分，应根椐信息处理需要选择合适的芯片，在田径比赛比分告示器系统中，由于需要一个串口通过rs-232总线与pc机相连，又需要一个串口通过电流环与液晶显示系统和大屏幕显示系统进行通讯，为减小系统的花销，提高软件实时性，所以采用具有双串口的芯片w77e58。为更好的和pc机通讯，设定晶振为11.0592mhz。 一、w77e58简介w77e58是台湾华邦公司（inbond）生产的与mcs51系列单片机兼容的可多次编程的快速微处理器，在它内部集成有32k的可重复编程的flash rom,256字节的片内存储器，1k的movx指令访问的sram，可编程的看门狗定时器,3个16位定时器，2个增强型的全双工串行口，片内rc震荡器，双16位数据指针等诸多功能。在很多场合，几乎不用扩展外围芯片就能够满足系统要求，而且，由于它采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和存储周期，因此，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051系列快1.5到3倍，一般情况下，平均可达到2.5倍以上，另外，由于w77e58采用全静态cmos设计，能工作在低速晶振频率下，因此，和普通的8051相比，若w77e58采用低速工作频率，在相同的指令吞吐量下，w77e58的节电性能也将大大提高。右图是其引脚功能。二、w77e58串口w77e58串口是一个全双工端口。w77e58为用户提供余外的功能，如帧错检测和自动地址识别。串口有异步和同步通信的能力。在同步模式下，w77e58产生时钟并工作在半双工模式。在异步模式下，全双工通信可以实现。发送寄存器和接收缓冲区地址都是sbuf特殊功能寄存器。任何对sbuf的写操作将被传送到传送寄存器，而从sbuf的读操作将从接收缓冲寄存器读得。串口能工作在4种不同方式下，如下所述。方式0：提供和外部设备的同步通信。此方式下串行数据在rxd上传送和接收。txd用于发送时钟。如果设备发送或接收数据则时钟由w77e58提供。因此此方式为半双工串行通信。此方式下，发送和接受的每帧8位。lsb先被发送或接收。波特率被固定在晶震的1/12或者1/4。波特率由scon.5位sm2决定。当此位为0，串口运行在时钟的1/12。当为1，串口运行在时钟的1/4。在最后一位传送结束之后ti标志被设置为高。当ren为1并且ri为0时串口将接收数据。当所有8位都接收之后，ri将为高，接收终止，要继续接收许用软件将ri设置为0。方式1：全双工异步方式。串行通信帧由10位组成，在txd上传送，在rxd上接收。10位包含一个起始位，8个数据位（lsb先）和一个停止位。接收时，结束位进入scon的rb8。此方式下波特率可变。传送从写到sbuf开始。串行数据被传送到txd引脚。传送与16计数器同步。在停止位被传送到txd之后ti标志被置位。接收仅仅当ren为1时就可进行。串口真正开始接收数据是在rxd引脚上探测到一个下降沿时开始的。方式2：全双工11位异步通信方式。每帧包括一个起始位，8个数据位（lsb先），一个可编程的第9位（tb8）和一个停止位。收到的第9位被放到rb8。写sbuf时传输开始。在停止位被送到txd脚之后，ti被置1。仅当ren为1时接收开始。为了成功接收必须满足一些条件：1.ri必须为0；2.或者sm2=0或者接收停止位为1。如果这些条件满足,那么停止位进入rb8，8位数据进入sbuf并且ri被设置为1。否则，收到的帧会被丢失。接收方重新到rxd脚寻找下降沿。方式3：除了波特率可变外，工作方式3与工作方式2完全相同，工作方式3串行口为波特率可变的9位异步串行通讯。3.1.2键盘接口电路键盘是一组按键开关的集合，它能实现向计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手手段。键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。前者用软件来识别和产生代码，后者则用硬件来识别。键盘处理程序实现对键盘的管理，它的主要任务是：（1） 确定是否有键按下。（2） 当有键按下时，则对键进行键译码，找出按下的是哪一个键；当无键按下时，即返回。（3） 如按下的是数字键，便送显示缓冲区单元；当按下的是功能键，即转到对应的键服务程序。（4） 去抖动。按键从开启到闭合稳定，或者从闭合到完全打开，总要有数毫秒的弹跳时间（即抖动）。弹跳将引起按一次键被多次读取的误动作。因此，在键盘处理程序中，必须设法去抖动。键盘的消抖通常有软、硬件两种方法，硬件有双稳态消抖、滤波消抖电路等方法，软件消抖可以采用延时的办法。本设计采用软件消抖，延时10ms再判断键状态，以区键是否处理过，从而消除抖动带来的影响。（5） 处理同时按键。对于两个或者多个按键同时按下的重键问题，可以采用不同的方法来处理。最常用的方法为n键锁定技术，即只处理一个键，任何其它按下又松开的键不产生代码。通常采用“先入有效”或“后留有效”的原则进行处理。“先入有效”或“后留有效”的原则进行处理。“先入有效”的方法是，当两个或两个以上的按键被按下时，只有第一个按下的键是有效的，其余均2无效；“后留有效”的方法是，当多个键按下时，只有最后松开的键是有效的，其余均无效。由于此比分告示器除了10个数字键外，还有14个功能键，因此为减少单片机口资源消耗，将键盘设计成38矩阵式非编码键盘的形式（采用软扫描的方法处理键值）。具体安装如下：列线： p2.0（21脚） p2.1（22脚）p2.2（23脚）p2.3（24脚）p2.4（25脚）p2.5（26脚）p2.6（27脚）p2.7（28脚），行线：p0.0(39脚) p0.1(38脚) p0.2(37脚)。键值/功能依次是：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0、no（号码）、or（次数）、sc（成绩）、su（成功）、fa（失败）、f1（清号码）、f2（清次数）、f3（清成/败）、f4（清成绩）、f5（停转）、tn（转动）、cd（清液显）、cb（黑大屏）、pa（送大屏）。3.2 液晶显示系统设计3.2.1 cpu的选择液晶显示系统的cpu主要用于接受从主控制系统传送过来的数据和信息，根据显示命令，将数据和信息送入m1286403液晶显示器执行相关的显示。为存储数据和程序（需要有一定的存储空间），并且电路应尽量简单，故选用at89s52单片机。它是是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含8k bytes isp的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，此外，at89s52设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。具有较高的性价比。at89s52具有如下特点：40个引脚，8k bytes flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。为与主控制系统进行通讯，它们的晶振频率应相同，故晶振：11.0592mhz，上图为其引脚功能图。3.2.2 液晶显示模块液晶显示器是一种极低功耗显示器，其应用特别广泛，从电子表到计算器，从袖珍仪表到微型计算机以及一些文字处理机都利用了液晶显示器。液晶是一种介于液体与固体之间的热力学中间稳定相。其特点是在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性，其分子呈长棒形，长宽之比较大，分子不能弯曲，是一个流动的刚体，中心一般有一个桥链，分子两头有极性。其显示器的组成为：上偏振片、液晶盒、下偏振片、反射板。当外部光线通过上偏振片后形成偏振光，偏振方向成垂直方向，当此偏振光通过液晶材料后，被旋转90，偏振方向成水平方向，此方向与下偏振片的偏振方向一致，因此此光线能完全穿过下偏振片而达到反射板，经反射板沿原路返回，从呈现出透明状态。当在液晶盒煌上、下加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，从而失去旋光性。因此，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，当此偏振光到达下偏振片时，因其偏振方向与下偏振片垂直，因而被下偏振片吸收，无法达到反射板形成反射，所以呈现黑色。根据需要将电极做成各种文字，数字或点阵，就可获得各种显示。要利用lcd显示器，必须有相应的lcd控制器，以及一空间的rom和ram（用于存储字符码）。现在人们已经将lcd控制器，rom，rom和lcd显示器用pcb连接到一起，称为液晶显示模块lcm，使用者只要向lcm送入相应的命令和数据就可实现所需的显示，这种模块与cpu也很容易地接口，使用起来灵活方便。设计中选用mls-12864显示模块的就是这种模块。用北京精电蓬运显示技术公司的mls-12864显示模块，它内置有hd61202液晶显示控制驱动器。3.2.3 关于hd61202一般介绍一、61202的特点1、 内藏6464=4096位显示ram，ram中每位数据都对应lcd屏上的一个亮、暗状态；2、 hd61202是列驱动器，具有64路列驱动输入；3、 hd61202的占空比为1/321/64。二、hd61202的引脚功能 hd61202管脚图和功能原理图如下： 表3-1：接口引脚功能引脚符号名称状态功能cs1、cs2、cs3芯片选择输入cs1和cs2低电平选通，cs3高电平选通e读使能输入e下降沿，数据写入hd61202，高电平读出r/w读写选择输入r/w=1读选通 r/w=0时写选通d/i数据、指令选择输入d/i=1时为数据操作d/i=0为写指令或读状态db0db7数据总线三态读.写操作选择1;读;0:写rst复位信号输入有效时，关闭液晶显示，使显示起始为0。可和mpu连也可接vcc使之不起作用表3-2：与微处理器接口信号引脚符号名称状态功能m交流驱动波形信号输入frm帧同步信号输入cl锁存行显同步信号输入此信号上升时锁存数据，同时改变显示地址1，2内部操作时钟信号输入表3-3：hd61203接口信号引脚符号名称状态功能y1y64液晶显示驱动端vcc，gnd内部逻辑电源vee1，vee2液显驱动电路电源常令vee1 = vee2v1lv4lv1rv4r液显驱动电压值在vcc和vee之间常令v1l = v1r，v2l = v2rv3l = v4r，v4l = v4radc决定与液晶屏联接顺序adc =1,y1=$0，y64=$63adc =0，y1=$3，y64=$0可接地或vccrst复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始为0。可和mpu连也可接vcc使之不起作用三、hd61202时序hd612502具有能与68系列微处理器直接口的时序。各种波形对照如下：图3.1 hd612502与68系列微处理器直接口波形图表3-4：接口参数参数项符号最小值最大值单位使能周期tcyce1000-ns使能脉冲宽度pweh450-ns使能升,降时间ter,tef-25ns地址建立时间tas140-ns地址保持时间tah10-ns数据建立时间tdsw195-ns数据保持时间th10-ns五、hd61202显示的地址结构如下图3.2 hd61202显示的地址结构图六、hd61202的指令系统hd61202的指令系统比较简单，总共只有七种。分明说明如下：1、显示/开关指令：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db00 00 0 1 1 1 1 1 1/0当db0=1时，lcd显示ram中的内容：db0=0，关闭显示。2 显示起始行（row设置指令）：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db00 01 1 显示起始行（063）该指令设置了对应液晶显示屏最上一行的显示ram的行号，有规律地改变显示起始行，可以使lcd实现显示滚屏的效果。3 页（page）设置指令：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db00 01 0 1 1 1 页号（07） 显示ram共64行，分8页，每页8行。4列地址（y address）设置指令：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db00 00 1 显示列地址（063）设置了页地址和列地址，就唯一确定了显示ram中的一个单元，这样mpu就可以用读、写指令读出该单元中和内容或向该单元写进一个字节数据。5读状态指令：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db00 0busy 0 on/off rest 0 0 0 0读指令用来查询hd61202的状态，各参量含义如下：busy：1-内部在工作 0-正常状态on/off：1-显示关闭 0-显示打开rest：1-复位状态参 0-正常状态在busy和rest状态时，除读状态指令，其它指令均不对hd61202产生作用。在对hd61202操作之前要查询busy状态，以确定是否可对hd61202进行操作。6 写数据指令：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db01 0写数据7 读数据指令：d/i r/wdb7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db01 1读显示数据读、写数据指令每执行完一次读、写操作，列地址就自动增一。必须注意的是，进行读操作之前，必须有一次空读操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据。3.2.4 mgls-12864的电路结构特点mgls-12864使用hd61202作用列驱动器，同时使用hd61203为行驱动器的液晶模块。hd61203u是带有振荡器和显示时序发生器的行驱动器。它具有64路行驱动输入出，但它的特点在于本身带有振荡器和时序发生器，通过外接振荡电阻电容其上电后就以其设定的占空比系数1/n值开始行扫描工作；它可以自行完成行、列驱动时序的生成及分配，自动进行行驱动的工作；同时向列驱动器输出同步信号有显示数据驱动所需要的脉冲时序，控制列驱动器工作。这不与mpu发生直接的连系，所以比较简单，不作深入介绍了。mgls-12864共有两片hd61202和一片hd61202，如下图：图3.3 mgls-12864芯片原理图在mgls-12864中，两片hd61202的adc均接高电平，rst也接高电平，这样在使mgls-12864时就不必考虑这两个引脚的作用。/csa跟hd61202（1）的cs1相连；/csb跟hd61202（2）的cs1相连，因此/csa、/csb选通组全信号为/csa，/csb=01选通（1），/csa，/csb=0选通（2）。3.2.5 汉字的显示1个汉字显示的原理，我们以ucdos中文宋体字库为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。mgls-12864液晶显示模块具有64128象素点，可显示48人汉字。如上所述，每块hd61202分别控制四列汉字的列驱动，hd61203用以四行汉字的行驱动。通过将汉字的点阵码送入行列控制器，就可以实现汉字（数字）的显示。3.3 大屏幕显示系统设计3.3.1 cpu选择由于所要实现的功能与液晶显示系统相似，同样采用at89s52单片机,同样晶振频率：11.0592mhz。3.3.2 cd4094becd4094be是8位品行输入、并行输出的移位寄存器。具体引脚如图，串行数据由2脚输入，移位脉冲从3脚输入，在移位脉冲的作用下串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入cd4094be，数据全部输完后，对15脚加上高电平信号，输入的数据将由q0q7并行输出。由于要显示4位号码、1位次数、4位成绩共9位数据，则需9片cd4094be（分两行：第一行4位运动员号码，第二行1位次数4位成绩）。3.3.3 led显示设计及显示界面在这里主要采用的是发光二极管（led）显示。发光二极管是一种当半导体p-n结上正向流过电流时，少数载流子越过p-n结注入进来，与多数载流子复合时发光的器件。 led显示器具有体积小、坚固、可靠性高、寿命长等特点。发光二极管驱动电压低（1.52v），工作电流小（320ma），发光均匀稳定，发光亮度高，适合于户外显示。 如下显示界面所示，用若干个发光二极管排列组成一个“8”字，每一个“8”共七段，与常用的七段相似，只不过每一段由于串联的发光二极管较多,由若干个发光二极点阵组成，所而的驱动电流更大而已（驱动电压为12伏）。每一段若干发光二极管都采用共阳极的连接方法，即阳极串联电阻后接上+12伏的电源，阴极接cd4094be相应的并行输出口，当cd4094be此并行口输出为低电平时，形成电流回路,这一段二极管发光如图所示意。当cd4094be向七段提供不同的电平就会显示相应的数字，从而达到告示的效果。图3.4 显示屏示意图界面说明：第一行4位运动员号码；第二行1位次数4位成绩；试跳成功（白色，第一排左上角的显示），由p2.3控制，高电平有效，经三极管放大输出；试跳失败（红色，第一排左下角的显示），由p2.4控制，高电平有效，经三极管放大输出(发光电路同以上数字显示电路)。3.3.4大屏幕转动与停止的设计为让全场观众都能看清田赛比分告示器的显示内容，在显示的时候，需要让告示屏幕能正反方向转动45（即单向转动90）,并设定当公告牌转动到极限位置(安装有行程开关)后，停止等待5秒后，自动反向转动返回，到达极限位置(安装有行程开关)后停止。若屏幕在中间位置停止，再次转动时默认正向转动。因此须要控制电机的正反向转动。单片机输出的是ttl电平，不能直接控制电机,需要对其进行电平转换。所以设计为单片机输出经放大后，控制固态继电器的低压端，实现低压对高压（220v）的控制。由于转动扭矩较小，使用也不频繁，对于机械部分的设计校核可省略。电机采用单相异步电容起动式感应电机jy713a 频率50hz 370w 电压220伏 1400r/min(须减减速齿轮减速)，要使其实现正反向转动，只需将起动电容在两线圈中换接就行了，比较简单。使用两个cdc10-10交流接触器实现对电容的换接，两个xssr-d4810（低压端：3-32vdc，高压端：45-480vac）固态继电器控制交流接触器主线圈的通断，来实现正反转动。正方向转动到极限位置时，触动安装在此的行程开关，输入电平信号，导通光电藕合器给单片机一个低电平信号,当单片机接受到信号后，关断固态继电器，使电机停止，5s再向反方向起动电机。说明：p0.6控制牌正转，电平有效，经三极管放大输出，控制固态继电器1；p0.7控制公告牌反转，高电平有效，经三极管放大输出，控制固态继电器2；行程开关按装在两端极限位置，经光耦隔离后将信号返回（低电平有效）到p1.6（左端开关信号输入端，低电平有效）和p1.7（右端开关信号输入端，低电平有效）。电机正反向转动电路图如下:图3.5 电机正反向转动电路图3.4 异步通讯电路设计在田赛比分告示器的工作过程中主控制系统要不断地将数据和控制信号传送给液显系统和大屏幕显示牌，并且大屏幕显示牌要置于比赛场地，离控制器较远，普通的并行通讯是不能满足要求的，采用20ma电流环串行通讯接口电路，向计算机传送信息的接口采用rs232-c接口。由于在对w77e58串行口工作方式的介绍中,对异步通讯也有较多的介绍,故在此暂只主要介绍异步通讯电路设计。3.4.1 20ma电流环串行通讯接口20ma电流环目前串行通讯广泛使用的一种接口电路。对于要求接口具有远距离（1km）高速度通信能力，及工业现场的强抗干扰能力和噪声抑制能力，对于普通的rs232接口，采用点对点单线共地连接，电平驱动方式，最大通信距离为15.25m，显然不能满足要求。对于本设计也一样，因此考虑20ma电流环路驱动方式。电流环串行通讯接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，信号不易衰减，而且易实现光电隔离，抗干扰能力强。其原理图如上：发送正、发送负、接受正、接负四根线组成一个输入电流回路，一个输出电流回路。当发送数据时根据的逻辑1、0，使回路有规律的形成通、断状态。在每次发送数据时必须以无电流的起始作为每一个字符起始位，接收端检测到起始位时便开始接收字符数据。在田赛比分告示器系统中，从主控制系统到两个显示系统的数据的传送主要的为了显示，无须应答信号，因此，全部采用单向传输。对于主控制系统只须以p3.1串行输出数据，两个显示系统（接收系统）以p3.0接收即可。数据从p3.1串行输出时，经4n25光电藕合器隔离后，送入ne556n将ttl转换成环路的电流信号（将的+5v直流电压调节为+12v直流电压，为电流源提供驱动电压），在显示系统的接收端经4n25光电藕合器隔离后又转换成ttl电平（送p3.0）。以下是ne556n的引脚以及1bock的功能状态图。片内相当于两555集成定时器，若以本设计中的接法p3.1为高电平时(未发送时),1thres=1,1trig=1,1reset=1,故1out=0, 2thres=1,2trig=0,2reset=1,故2out=1(1即为2/3vdd),此时接收光藕不导通,不接收数据。同理，当p3.1为低电平时(发送时)， 此时接收光藕导通,接收数据。从而完成数据的单向传送，实现数据的通讯。3.4.2 rs232-c接口电路设计在前面的文字中已经说明，单片机与pc机采用了rs232-c接口标准。rs-323c标准是美国eia(电子工业联合会)与bell等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。目前在ibm pc机上的com1、com2接口，就是rs-232c接口。rs-232-c有如下特点：采用直通方式，双向通信，基本频带，电流环方式，串行传输方式，dce-dte间使用的信号形态，交接方式，全双工通信。rs-232-c所使用的连接器为25引脚插入式连接器，一般称为25引脚d-sub。dte端的电缆顶端接公插头，dce端接母插座。rs-232-c所用电缆的形状并不固定，但大多使用带屏蔽的24芯电缆。电缆的最大长度为15m。使用rs-232-c在200k位/秒以下的任何速率都能进行数据传输。rs232-c规定了自己的电气标准，用正负电压来表示逻辑状态，与ttl以高低电平表示逻辑状态的规定不同。而此标准并不能满足ttl电平传送要求，因此，为了能够同计算机接口或终端的ttl器件连接，必须在eia-rs-232c与ttl电路之间进行电平和逻辑关系的变换。因此使用了max232作为收发器芯片。max232系列芯片由4部分组成；电压倍增器、电压反向器、rs232-c发送器、rs232-c接收器。如原理图中的接法，电压倍增器利用电荷充电泵原理用电容c14把+5电压变换+10v电压，并存放在c13上。第二个电容泵用c12将+10v转换成-10v储存在滤波电容c11上。其类于1488/1489，只是收发器路数不同。3.5电源电路的设计电路工作时，需要要种电压的直流电源供电：+5v、+12v。而正常的电源是220v的交流电，因此需要有一系列的转换电路将交流电转换低压电源对电路供电。一把交流电变成直流电一般需由以下几个部分组成：整流变压器（将交流电源电压变换成符合整流需要的电压）、整流电路（将交流电压变换成单向脉动电压）、滤波器（减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要）、稳压环节（在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定，当对直流要求不高是此稳压环节也可不要）。根据+5v、+12v电压要求，稳压环节采用三端集成稳压器（仅有输入端、输出端和共公端三个引脚、芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，其所需外接元件少，使用方便、可靠，广泛用于电子设备中）w7805、 w7812（输出电压：55%、125%；输入电压范围：7.5-35v、14.5-35v）。整流电路采用单相桥式全波整流电路，主要器件为4个4007型二极管。整流变压器的输出参数为：10v/1a；17v/0.5a。各元件参数值如下电路图示。现在许多都使用开关，由专门厂家生产，从输出功率到稳压效果都更能符合使用要求。图3.6 硬件电路原理图第四章 系统的软件设计在进行应用系统的总体设计时,软件设计和硬件设计应统一考虑,相结合进行。当系统的电路设计定型后,软件的任务也就明确了。系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的,一般来讲,软件的功能可分二大类。一类是执行软件,它能完成各种实质性的功能,如测量、计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件,它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系,在系统软件中充当组织调度角色。设计时应考虑以下几个方面:根据软件的功能要求,将系统软件分解成若干独立部分,并由它们之间的联系和时间上的关系,设计出合理的软件总体结构；为提高设计的总体效率,在编写程序之前,应绘制出程序流程图;合理分配系统资源,分配时应充分利用各部分的特长,做到物尽期其用。4.1 主控制器软件设计 主控制器的系统w77e58单片机通过p0、p2口组成38矩阵键盘来达到对单片机的控制和数据信息的输入功能。用p1.2 和p1.3组成的串口与max232接口相连，来与pc机进行数据通信，w77e58的另一个串口实现与液显和大屏的通讯.在工作过程中,系统复位初始化后,为对以后的发送数据作准备,进行串行通讯口参数设置,然后系统不断对键扫描,当有键按下时,读出此键值,转移到相应的子程序操作。数字键按下,转移到数字键操作子程序,查标志位若此时无功能键按下则结束,否则数据保存到相应缓冲地址并调发送程序发送.功能键按下,设置标标位,进行相应功能操作。具体主程序流程图附后。4.1.1键扫描程序首先检查键盘是否有键按下，若无，则返回，若有，延时10ms时间，再次检测是否有键按下，有无，返回，若有，说明确实是有键按下，下面我们就要判断是哪一个键被按下了，先置端口为高电平，然后将端口的数据读入，若哪一位为低电平则说明此键被按下，等待此键释放，然后找到相应的键地址，若是数字键，则检查相应的功能健有没有按下，从而进行相应的显示。若为功能键，则转到相应的功能键地址去处理。处理完则进行下面的程序操作。框图部分程序如下：图4.1 部分程序框图部分程序如下：key:mov p2,#0 ;置列线低电平mov p0,#0ffh ;置行线高电平jnb p0.0,key1 ;有键按下,转key1 jnb p0.1,key2jnb p0.2,key3ajmp key ;行线都为高电平,无键按下,继续扫描key1:lcall t10ms ;延时10mssetb p0.0jnb p0.0,key11 ;仍有键按下,转此键子程序ajmp key ;无键按下,继续扫描 key2:lcall t10mssetb p0.1jnb p0.1,key21ajmp keykey3:lcall t10mssetb p0.2jnb p0.2,key31ajmp key ;子程序结束后, 继续扫描4.1.2 异步通讯的参数设置主要是进行方式的设置和波特率的设置.采用方式3发送.方式3是全双工11位异步通信方式。每帧包括一个起始位，8个数据位（lsb先），一个可编程的第9位（tb8）和一个停止位。当cpu向发送数据缓冲器subf写入一个数据就启启串行口发送，并通知tx电路有发送请求.发送开始,send和data都是低电平,把起始位送往txd.在移位脉冲的作用下，数据位由低位在前，由右端移出,左端移入，在txd控制块进行最后一次移位后，使send失效,并且置位发送中断标志位ti(须软件清0)。关于方式的波特率的设置.它是由smod(可设置为1复位时为0，本设中为0)的定时器的溢出率其同决定波特率=(2 smod/32)*t1溢出率 （4-1）溢出周期=(12/fosc)*(256-n) （4-2）t溢出率=fosc/12*(256-n) （4-3）则有： 波特率=(2 smod/32)*t1溢出率 （4-4）给定波特率的性况下,则t1计数初值为：n=256-2 smod* fosc/波特率*32*12 （4-5）其中fosc为晶振频率,设计中为1200 出水管bit/s,则t1的计数初值为:n=256-2 0* 11.0592/1200*32*12=232=0e8h （4-6）以下是串行口设置程序：mov scon,#0c0h ;串口控制状态寄存器设置,工作方式3mov tmod,#20h ;定时器方式寄存器,t1内控计数模式2mov th1,#0e8h ;串行口波特率发生1200mov tl1,#0e8hsetb tr1 ;启动定时器 发送子程序sout:mov sbuf,a ;数据发送数据缓冲器jnb ti,$ ;等待发送数据完clr ti ret4.2液晶显示系统软件设计液晶显示系统的cpu主要用于接受从主控制系统传送过来的数据和信息，根据显示命令，将数据和信息送入m1286403液晶显示器执行相关的显示。液晶显示与cpu接口主要有直接访问式和间接访问式。直接访问式就是将其接口作为存储器或i/o设备直接挂在计算机总线上，计算机以访问存储器或i/o设备的方式操作液晶模块的工作。间接访问式是计算机通过自身的或系统中的并行接口与液晶模块连接，如at89s52的p1口和p3口。计算机通过对这些口的操作，以达到对液晶显示模块的控制。这种方式的电路简单，控制时序由软件实现，可以实现高速计算机与液晶显示模块的接口，因此设计采用此种接法。如电路原载理图所示。对液显的程序操作,首先要对其写指令代码,以设置清屏返回光标移动方法数据显示位置等信息,然后可进行显示数据的写入和读出.部分程序(左半部分)如下:csa equ p3.0 ;片选/csacsb equ p3.2 ;片选/csbd/i equ p3.3 ;寄存器选择信号r/w equ p3.4 ;读/写选择信号e equ p3.5 ;使能信号 写指令代码程序(左)prl0: clr csa ;片选为01setb csbclr d/isetb r/wprl01:mov p1,#0ffh ;p1口置1setb emov a,p1 ;读状态字clr ejb acc.7,prl01 ;判忙标志为0否,否再读clr r/wmov p1,com ;写指令代码setb eclr eret 写显示数据子程序(左)：prl1:clr csasetb csbclr d/isetb r/wprl11:mov p1,#offh ;p1口置1setb emov a,p1 clr ejb acc.7,prl11 ;判忙标志为0否,否再读setb d/iclr r/wmov p,dat ;写数据setb eclr eret写显示数据子程序(左)：prl2:clr csa setb csbclr d/isetb r/wprl21:ov p1,#offhsetb emov a,p1clr ejb acc.7,prl21setb d/imov dat,p1 ;读数据clr eret异步通讯接收程序.串行口采用中断的接收方式工作于方式3.数据由p3.0(rxd)端输入,当rxd从1到0跳变时,启动接收,并将1ffh写入移位寄存器.当数据从右边移入移位寄存器,而原写入的1ffh逐位从左边移出,起始位移到移位寄存器的最左边,由位检测器通知rx控制电路进行最后一次移位操作;同时,ri或sm2须为0或ri为0接收第9位数据为1才能将数据送入subf,否则丢挫.波特率与发送机相同,设置方法也相同.部分程序如下：串行口设置程序：mov scon,#0d0h ;scon的sm2为0,接收控制位ren为1,允许