毕业设计（论文）-基于单片机的篮球比赛计时器硬件设计.doc

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文学生毕业设计（论文）报告系 别： 专 业： 班 号： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 设计（论文）题目： 篮球计时器的设计 指 导 教 师： 设 计 地 点： 起 迄 日 期： 毕业设计（论文）任务书专业 班级 姓名 一、课题名称： 篮球计时器的设计 二、主要技术指标：每场篮球比赛分四节，每节各12分钟；每次进攻为24秒，计时器均能以倒计时方式显示，24秒计时用两位数码管显示；所有的计时都要具有暂停、继续、清零和时间调整功能；当每节比赛时间结束、24秒倒计时减为零有声音提示。 三、工作内容和要求：1）设计篮球比赛分四节各12分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一场比赛结束后可清零（复位）重新开始。 2）计时器由分、秒计数器完成。 3）“分”、“秒”显示用led数码管。 4）用按钮开关控制计时器的启用/暂停。 5）每节比赛结束自动响铃提示。 四、主要参考文献：1 杨素行 著. 模拟电子技术基础m，北京: 清华大学出版社. 2008年. 2 邓亚平 著. 微型计算机接口技术m , 北京: 清华大学出版社. 2007年. 3 赵保经 著. 中国集成电路大全m，北京: 国防工业出版社. 2004年. 4 童诗白 著. 现代电子学及应用m，南京: 东南大学出版社. 2008年. 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日 系 主 任（签名） 年 月 日篮球计时器的设计目 录摘要abstract第一章 前言11.1设计选题的发展情况及背景 11.2设计的目的和意义 1第二章 总体设计方案2.1系统的构成框图 22.2各部分功能介绍 2 2.2.1赛程时间设置2 2.2.2赛程时间启动/停止设置 32.2.3 24s显示控制3 2.2.4 报警设置3第三章 硬件电路设计43.1 器件说明 43.2 电源电路及复位电路设计 7 3.2.1电源电路设计 8 3.2.2复位电路设计 93.3 时钟电路设计 93.4 显示电路设计 10第四章 系统软件设计124.1 主程序流程图图124.2 定时器中断流程134.3 系统软件调试14第五章 仿真调试5.1 软件仿真155.2 仿真结果15结束语 参考文献答谢辞 附录1模块子程序2电器原理仿真图摘 要本文设计了一个基于单片机的篮球比赛计时器硬件设计，包括at89c51、6个八段显示led、上电复位电路、时钟发生电路等基本模块的设计。其功能主要设计为：初始化时间为12分钟；进攻时间为24秒，计时器的显示均为倒计时方式，24秒计时用两位数码管显示；所有得计时都要具有暂停、继续、清零和时间调整功能；当每节比赛时间结束、24秒倒计时减为零有声音提示。关键词： 单片机，计时器，倒计时，ledabstract take the offensive to 24 way for, timer have to showing all for pouring accounting hours each time;the timer use( two cents, two seconds) four every stanza in luck,24 seconds account use two figureses tube manifestation;all account all have the pause, continue, the pure zero adjusts the function with time;when each stanza game time ends,24 seconds pour to account reduce to have the sound and light to hint for the zero. keywords：microcontrollerunit，calculagraph，count down ，led第1章 前言1.1设计选题的发展情况及背景篮球比赛在中国越来越受到人们的关注，同时也被更多的青少年所喜爱。本设计除了具有赛程时间计时、调整及暂停和比赛计分的功能，还具有24s倒计时的功能。且造价低廉、操作方便且便于携带，适合于学校和小团体作为比赛赛程的计时计分工具。从另一方面说，本设计方便了人们比赛时的计时计分工作，在某种程度上也促进了篮球赛的开展，既有利于发展篮球这项体育运动，又有利于增强人们的体质。另外参与篮球运动的人多了，也利于篮球运动员的选拔，对我们国家的篮球事业也具有促进作用。1.2 设计目的和意义随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始注重身体素质的提高。臂如举办篮球比赛需要有一个专门计时的工具。因此有必要设计适合篮球比赛计时器。本设计造价低廉、操作方便且便于携带，适合于学校和小团体作为比赛赛程的计时工具。在某种程度上也促进了篮球赛的开展，既有利于发展篮球这项体育运动，又有利于增强人们的体质。另外参与篮球运动的人多了，也利于篮球运动员的选拔，对我们国家的篮球事业也具有促进作用。第二章 总体设计方案2.1系统的构成框图基于单片机的篮球比赛计时系统的构成框图如图1-1所示计时显示at89c51复位晶振赛程时间设置键盘置位24秒24秒显示图1-1比赛计时构成图本系统采用at89c51作为设计的核心元件，利用七段共阳led数码管作为显示器件。计时电路中共接6个led数码管，其中4个用于显示赛程时间，即2个显示分钟，2个显示秒钟。赛程采用倒计时方式，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，比赛暂停时停止计时，比赛重新开始时计时继续，计时范围099分钟。另外两个数码管用于显示24秒计时，即采用倒计时，比赛开始启动计时，计时到零或控球发生改变时重新计时开始由24s倒计时，如此循环，直至比赛结束。当有暂停同样停止计时，重新开始时继续计时。其次，为了配合计时器的校正、调整时间，设计中接入2个按键，另外四个用于完成设置、调整、启动、暂停、交换和24s重新计时功能。此外，系统中还有一个按键，用于手动复位。最后，设计中还有定时报警系统，即每节时间结束或24s结束时，立即通过蜂鸣器发出报警声提示。2.2各部分功能介绍2.2.1赛程时间设置通过按键来设置赛程时间。篮球比赛的一节时间为12分钟，赛程初始时间为12分00秒，若因为加时赛，加时赛为五分钟，可以通过调节加一，减一键对时间进行调整，调整为五分钟开始计时。2.2.2 赛程时间启动/停止设置当时间设置好之后，比如每节时间为12分钟，则数码管14上分别显示1200，即12表示时间，00表示秒钟。这时，如果裁判吹响开始哨声，则立即按下k0按键，即比赛开始，计时显示由1200变为1159、1158一直到0000时为止，即表示比赛结束。在比赛过程中，遇到换人。暂停等时按下暂停开始按键时间停止计时，数码管上的数值保持不变。当比赛继续进行时，应立即按下暂停开始按键，继续进行计时。2.2.3 24s显示控制24s值在程序中设置，由数码管5、6来显示，即数码管5、6显示24.比赛开始时按下k0按键24s随赛程时间一起计时，即计时显示由24变成23、22、21直到00.然后再由24s开始重新计时。比赛过程中，当进攻的一方改变时，应立即按下秒复位按键，即使24s重新计时。2.2.4报警设置当每节时间或24s计时结束时，系统会自动发出报警声提示。第三章 硬件电路设计3.1 系统的硬件构成及功能硬件部分的设计是整个设计中的一个重要部分。在进行硬件部分设计时，首先要确定元器件，并且知道这些器件的工作原理和功能。然后才可以进行设计。本设计的硬件电路包括两部分：计时电路、计分电路。89s51端口分配：p0.0-p0.7口led显示器段选口p2.2-p2.7口led显示器位选口p3.0-p3.7口键盘列线输入p1.2口-声响报警3.2 at89c51mcs-51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。图2-1 at89c51引脚图 at89c51是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes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。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。如图所示，图2-1为at89c51的引脚图，其基本性能介绍如下：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。at89c51的主要特性：与mcs-51 兼容 4k字节可编程flash存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 1288位内部ram 32可编程i/o线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 at89c51管脚说明： vcc（40）：供电电压，接5v的电压。 gnd（20）：接地。 p0口（3932）：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p0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（18）：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（2127）：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(1017)：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： p3口管脚备选功能：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(9)：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(30)：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(29)：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（31）：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（19）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2（18）：来自反向振荡器的输出。3.2 电源电路及复位电路设计3.2.1 电源电路在该系统中需要用到+5v的直流稳压电源，在我们的生活中一般都是使用220的交流电，为了获得高质量的5v直流稳压电源，这就需要我们进行电压转化。其电源电路方框图如图2.3所示： 图2.3电源电路方框图这里的滤波是为了滤去外界电源输入带来的一些不稳定的因素，比如说纹波的影响，而用一个大电容和一个小电容的组合，是为了分别滤去低频或高频的纹波。电源部分的电路如图2.4所示：图 2.4 电源部分原理图7805系列集成稳压器，只有输入端、输出端和公共端三个引线端子，可输出1a以上的电流，有必要的保护电路，使用起来安全可靠。它输出固定的正电压。从变压器输出的交流电压经过整流、滤波后产生的不稳定直流电压，从稳压器的输入端输入，在稳压器的输出端就可得到稳定的直流电压输出。正常工作时，稳压器输入、输出电压差为23v，电容用来实现频率补偿。图中c1为0.1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。c2为0.1用来减少由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。c3为100为容量较大的电解电容，用来进一步减少输出脉动和低频干扰。 3.2.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给8051的复位引脚rst加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得8051复位，复位时，pc初始化为0000h，使8051从out单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得rst脚为高电平，使8051重新启动。在系统中，有时会出现显示不正常，也为了调试方便，我们需要设计一个复位电路，在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的rc电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能更完善的电路。本系统采用的电路如图2.5所示。工作原理是：上电瞬间，rc电路充电，reset引脚端出现正脉冲，只要reset保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。当时钟频率选用6mhz时，c取22f，r取1k。图 2.5 复位部分原理上电自动复位电路由上电瞬间c与r构成充电电路，reset端的电位与vcc相同，随着充电电流的减少，reset的电位逐渐下降。图中rc时间常数越大，上电时reset端保持高电平的时间越长，图中这组参数足以保证复位操作。若复位电路失效，加电后cpu从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运行。3.3 时钟电路设计 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。此设计选用内部时钟方式见下图2.6：图2.6 时钟电路部分原理图 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚xtal1，输出端为引脚xtal2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容c1和c2典型值通常选择20pf左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212mhz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24v，19脚对地约2.09v。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和5v连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路没有问题。3.4显示电路设计在单片机系统中，常常用数码管做显示器，一般的显示器为4位或8位。本系统使用数码管显示分、秒，因此需要6位数码管。数码管显示电路有静态显示和动态显示两种。本设计中采用的是4位数码管动态扫描的方式。数码管管脚图及其七段led码led连线如下图3.4，3.5，3.6所示：图3.4数码管管脚图图3.5七段led码图3.6led数码管连线方式第四章 系统软件的设计4.1主程序流程图开始初始化工作状态计时开始是否到1秒y定时是否到了？n刷新显示是否有时间调整键按下？执行相应的操作，调整时间yn图4.1 主程序流程图4.2 定时中断的流程图开始保护现场重置计数初值否定时器0中断 是数据送显示缓冲单元调用显示子程序恢复现场并中断返回 图4.2定时中断流程图4.3 系统软件的调试显示部分是采用三极管驱动七段led数码管，采用+5v直流稳压电源进行供电。把程序下载到proteus，进行仿真调试。第五章 仿真调试5.1软件仿真根据系统设计方案用模拟软件proteus进行仿真调试。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试。5.2 仿真结果s1为开始按钮暂停键，s2为功能选择键，s3为加计数键，s4为减计数键，s5为分复位键，s6为24秒复位键。仿真结果能够进行12分钟，24秒倒计时，能够对分钟，秒进行调节，能够对分钟，24秒复位，基本达到任务要求。结束语本文介绍了以89c51单片机为核心的篮球比赛计时器，并详细介绍了各个部分的功能的结构，原理，本系统所选的。在论文制作的整个过程中，本人最深的体会是做一定要认真，仔细。这一点与只写一篇文章的论文有很大的不同。在画原理图，编程，调试的过程中，都必须以认真，仔细的态度去对待每一个细节，任何不慎都将导致最终的失败。当然，这些都是我未来学习和工作的重要步骤，相信有了这一步，我将会走得更远。参考文献1 杨素行 著. 模拟电子技术基础m，北京: 清华大学出版社. 2008年. 2 邓亚平 著. 微型计算机接口技术m , 北京:清华大学出版社. 2007年. 3 赵保经 著. 中国集成电路大全m，北京： 国防工业出版社. 2004年. 4 童诗白 著. 现代电子学及应用m，南京： 东南大学出版社. 2008年. 答谢辞感谢老师对我论文的悉心指导，从论文选题到论文的写作过程给予我真诚的鼓励、中肯的建议和指导。他严谨的治学作风给予我深深地影响，促使我在论文写作中精益求精。对巫老师的辛勤指导，呈上我最诚挚的谢意。感谢各位同学给予我的帮助和支持，在