篮球比赛计时计分器.doc

学号 南湖学院 毕业设计 题 目 篮球赛计时计分器的设计与仿真 作 者届 别2010 届 系 别专 业电子信息工程 指导老师职 称讲师 完成时间2010 年 05 月 湖南理工学院南湖学院毕业设计 I 摘 要 随着单片机在各个领域的广泛应用 许多用单片机作控制的计时计分系统 也应运而生 如用单片机控制 LCD 液晶显示的计时计分器 用单片机控制 LED 七段显示的计时计分器等 本文设计了一种由 AT89C51 型号单片机编程控制 LED 七段数码管作显示的篮球赛计时计分系统 并仿真实现 该系统具有赛程 时间设置 赛程时间暂停 以及即时刷新甲乙两队比分 上下半场交换比分 时间结束报警等功能 此外 该系统具有低功耗 可靠性 安全性以及低成本 等特点 可广泛用于学校和小团体作为赛程计时计分 关键词关键词 单片机 AT89C51 篮球赛计时 篮球赛计分 仿真 湖南理工学院南湖学院毕业设计 II Abstract With the extensive applications of the MCU many system of timing and scoring which is controlled by MCU have come into being for example the timing and scoring indicator displayed by the LCD which is controlled by MCU and the timing and scoring indicator displayed by the MCU controlled seven segment numeric display In this article the author designed a timing and scoring system for the basketball game showed by the seven segment numeric display and it was programmed and controlled by the MCU in type AT89C51 This system has realized its simulation implementation This system has various functions such as setting and suspending the time of the game schedule refreshing the results of the two groups and the point exchanging the places of the scores after shift their playgrounds and giving alarm when the game is over Besides this device owns the characters of low power consumption reliability safety and low cost etc the system is popular among the schools and group as a match schedule timing and scoring indicator Keywords SCM AT89C51 basketball timing basketball scoring simulation 湖南理工学院南湖学院毕业设计 III 目录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 背景知识介绍 1 1 2 设计目的和意义 1 1 3 球赛计时计分系统的发展和现状 2 1 4 本文的主要研究内容 2 第 2 章 系统硬件介绍 3 2 1 MCS 51 单片机简述 3 2 2 显示器及其接口 5 2 3 CD4511 芯片介绍 7 2 4 74LS21 芯片介绍 8 2 5 报警器工作原理 8 第 3 章 硬件电路设计 9 3 1 系统硬件组成和器件选择 9 3 2 基本功能介绍 10 3 3 计时电路和计分电路 11 3 4 串行接口工作原理 14 3 5 比分校正控制电路 14 3 6 球赛计时计分器的工作过程 15 第 4 章 系统软件设计和 PROTEUS 仿真 16 4 1 总流程框图 16 4 2 主要模块说明 16 4 3 系统仿真情况 18 第 5 章 结束语 20 参考文献 21 致 谢 22 附附 录录 23 湖南理工学院南湖学院毕业设计 4 第 1 章 绪论 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 AT89C51 就是其中典型的代表 1 2 设计目的和意义 通过本次基于AT89C51系列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 篮球赛计时计分器相对于人工计时计分的优点在于 1 高亮度性 由LED数码管显示 具有高亮度性 便于比赛队员和观众了解 湖南理工学院南湖学院毕业设计 5 比赛状况 2 方便性 单片机系统开发的倒计时系统可以方便比赛的暂停和继续开始 3 公平性 能够保证比赛的公平性 比如时间 是绝对公平的 通过此次基于单片机设计的篮球计时计分系统 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 球赛计时计分系统的发展和现状 伴随着球赛的诞生计时计分系统也就相应诞生 最开始有人工的统计时间 和分数 随着科技的发展 球赛的计时计分系统的得到了很好的完善 奥运会 NBA都是大屏幕的LCD显示时间和分数 然而 现在的小型比赛的计时计分系统还不够完善 原始的方法还在使用 中 因此 开发一种便于携带的廉价计时加分系统有着广泛的应用 对小团体比赛 会有很大帮助 1 4 本文的主要研究内容 本系统可分为两个子系统 计时系统和计分系统 主要研究以下几个方面 单片机驱动数码管显示 单片机的串口通信 单片机的定时 计数功能 单片机 汇编语言的软件开关去抖动 汇编语言的延时程序 单片机驱动喇叭报时 Proteus 软件的调试 湖南理工学院南湖学院毕业设计 6 第 2 章 系统硬件介绍 2 1 MCS 51 单片机简述 1 单片机 AT89C51 简介 MCS51 1 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 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 下图所示为 AT89C51 引脚图 图 2 1 AT89C51 引脚图 2 主要特性 湖南理工学院南湖学院毕业设计 7 AT89C51 的主要特性如下表所示 表 2 1 AT89C51 主要功能描述 兼容 MCS 51 指令系统4k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 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 LED3 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 3 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 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 能够作为外部程序数据 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 因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 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 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 湖南理工学院南湖学院毕业设计 8 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 址的低位字节 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 4 AT89C51 的极限参数 表 2 2 极限参数表 工作温度 55 to 125 储藏温度 65 to 165 任意引脚对地电压 1 0v to 7 0v 最高工作电压6 6 v 直流输出电流15 0 mA 2 2 显示器及其接口 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 下面介绍发光二极管显示器 LED 的结构 工作原理及其接口电路 2 结构与原理 下图为典型的数码管 湖南理工学院南湖学院毕业设计 9 图 2 2 7 段 LED 数码管 如上图 LED 显示器又称为数码管 LED 显示器由 8 个发光二极管组成 其中 7 个长条形的发光管排列成 日 字形 另一个贺点形的发光管在显示器 的右下角作为显示小数点用 它能显示各种数字及部份英文字母 LED 显示器 有两种不同的形式 一种是 8 个发光二极管的阳极都连在一起的 称之为共阳 极 LED 显示器 另一种是 8 个发光二极管的阴极都连在一起的 称之为共阴极 LED 显示器 如下图所示 图 2 3 共阴与共阳极 LED 显示器 LED 显示器可分为共阳和共阴两种结构 如上图所示 3 LED 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 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 每位 LED 显示器需要单独占用 8 根端口线 共阴数码管的静 态显示的典型程序如下 MOV P2 00H P2 置 0 湖南理工学院南湖学院毕业设计 10 MOV P3 00H P3 置 0 CLR P3 0 清零 P3 0 MOV P2 01H 把数字 1 移入 P2 口 NOP 空操作 NOP SETB P3 0 锁存对应 4511 CLR P3 1 MOV P2 04H NOP NOP SETB P3 1 CLR P3 2 MOV P2 06H NOP NOP SETB P3 2 按照上面的程序和电路就可以实现用较少的I O 口控制多个数码管显示 2 3 CD4511 芯片 CD4511 是常用的硬件译码显示芯片它的引脚分布如图 2 4 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 24 May 2010Sheet of File I 个个个个 MyDesign1 ddbDrawn By A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE 5 GND 8 Vcc 16 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 CD4511 图 2 4 CD4511 引脚图 其中 为试灯脚 为消隐 都接高电平 LE 为选通脚 接低电平可以计时LTBI 输出 A B C D 的输入信号 LE 接高电平所存住原来的信号 湖南理工学院南湖学院毕业设计 11 2 4 74LS21 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 2 5 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 湖南理工学院南湖学院毕业设计 12 第 3 章 硬件电路设计 3 1 系统硬件组成和器件选择 1 系统硬件组成 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 2 器件选择 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 系统构成框图 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 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所视 湖南理工学院南湖学院毕业设计 13 AT89C51 显示驱动 复位 晶振 赛程时间设置键盘 时间 显示 串并转换分数显示 74LS21 赛程比分调整键 盘 图 3 1 系统构成图 3 3 基本功能介绍 1 赛程时间设置 在 3 2 所示的计时电路中 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 赛程时间启动 暂停设置 当时间设置完后 比如设置赛程时间为 45 分钟 则在图 2 2 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 3 比分交换控制 比分交换控制由图 1 1 所示的 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 湖南理工学院南湖学院毕业设计 14 能 即 启动 暂停 比分交换 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 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 000 000 和 00 00 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 3 3 计时电路和计分电路 1 计时电路的工作原理 计时电路如图 3 2 所示 主要由开关 K5 K7 单片机 AT89C51 译码器 以及 LED 显示器构成 其工作过程如下 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 湖南理工学院南湖学院毕业设计 15 判叫暂停 则只要按一下 K7 键 即可暂停计时 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 24 May 2010Sheet of File F 个个个 个个个个 ddbDrawn By a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn S LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn 个个个 a1 1 a2 2 a3 3 P2 4 25 P2 5 26 P2 5 27 P3 6 16 a4 4 a1 1 a3 3 a4 4 a2 2 a3 3 a4 4 a1 1 a2 2 RESET 9 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 b4 8 b3 7 b2 6 b1 5 b4 8 b3 7 b4 8 b2 6 b1 5 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P1 3 4 P1 2 3 P1 1 2 P1 0 1 b3 7 EA 31 VCC 16 8951 U1 12MHz C2 30pF C1 30pF C3 22uF R1 1K 个个 个个个 个个 个个个 个个 个个 个个 AT89C51 5V A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE 5 GND 8 Vcc 16 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 CD4511 CD4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE 5 GND 8 Vcc 16 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 CD4511 CD4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE 5 GND 8 Vcc 16 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 CD4511 CD4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE 5 GND 8 Vcc 16 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 CD4511 CD4511 5V GND 5V 图 3 2 计时电路原理图 2 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 9 脚 10 脚 12 脚 13 脚 以及单片机 AT89C51 的 P3 5 P3 4 P0 2 P0 1 8 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 计分电路如图 3 3 所示 例如 现在先在以甲队加分为例 来说明整个过程 假设比赛刚开始 双 方比分为 000 000 当某一时刻之后 当甲队加分时 则按下 K1 键 这时 K1 0 低电平 其余 K2K3K4 1 1 1 为高电平 K1K2K3K4 相与之后的结果 为低电平 这时与门 8 脚输出低电平到 AT89C51 的 P3 2 脚 使其外部中断 湖南理工学院南湖学院毕业设计 16 INT0 发生中断 从而调用中断服务程序 将要显示的数据从程序中定义的 LED 显示常数表 TAB 中取出数据 06H 经串行发送端 RXD P3 0 送至串行 并 行转换器 CD4094 的第二个输入引脚 即数据输入 DATA 脚 在 RXD P3 0 引 脚输出数据的过程中 连续使单片机 RD P3 7 引脚输出 6 次高电平 6 这样便 使 6 片 CD4094 中得到不同的显示代码 然后使单片机 RD P3 7 引脚输出低电 平 将 6 片 CD4094 中显示代码送 LED 显示器显示 便得到结果 显示为 001 000 其对应的程序原理如下阐述 因为 在程序中定义了 33H 34H 35H 36H 37H 38H 6 地址单元分 别对应乙队 甲队 3 个 LED 显示器在程序中定义的 LED 显示常数表 TAB 4 的 偏移首地址 单片机的 RXD 每次发送 6 个数据 分别对应以 33H 34H 35H 36H 37H 38H 为偏移首地址单元里的数据 例如 甲队加 分表示以 36H 为偏移首地址的单元加 1 指向第二个数据 06H 其他以 33H 34H 35H 37H 38H 为偏移首地址单元的数据仍然指向第一个数据 3FH 这样将这六个数据 3FH 3FH 3FH 06H 3FH 3FH 经单片机的 RXD 发送出去 再在单片机 RD P3 7 输出的 6 次高电平作用下产生 6 次移位 便在 6 片 CD4094 中得到显示代码 3FH 3FH 06H 3FH 3FH 3FH 然后 在 RD P3 7 输出时显示为 001 000 湖南理工学院南湖学院毕业设计 17 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 24 M ay 2010Sheet of File F 个个个 个个个个 ddbDrawn By 个个个个 PHOTO 1A 1 1B 2 NC 3 IC 4 ID 5 IY 6 个个 7 2Y 8 2A 9 2B 10 NC 11 2C 12 2D 13 Vcc 14 74LS21 D 74LS21 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST VPD 9 RXDP3 0 10 TXDP3 1 11 INT0 12 INT1 13 T0P3 4 14 T0P3 5 15 WR3 6 16 RD3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA V 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 89C51 89C51 R1 510 R2 510 R3 510 R4 510 R5 510 R6 510 K1 个个 1 K2个个 1 K3 个个 1 K3 个个 1 GND 5V STR 1 DATA 2 CLOCK 3 OUTPUT 15 Q8 11 Q S 10 QS 9 VSS 8 VDD 16 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 CD4094 S CD4094 STR 1 DATA 2 CLOCK 3 OUTPUT 15 Q8 11 Q S 10 QS 9 VSS 8 VDD 16 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 CD4094 S CD4094 STR 1 DATA 2 CLOCK 3 OUTPUT 15 Q8 11 Q S 10 QS 9 VSS 8 VDD 16 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 CD4094 S CD4094 STR 1 DATA 2 CLOCK 3 OUTPUT 15 Q8 11 Q S 10 QS 9 VSS 8 VDD 16 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 CD4094 S CD4094 STR 1 DATA 2 CLOCK 3 OUTPUT 15 Q8 11 Q S 10 QS 9 VSS 8 VDD 16 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 CD4094 S CD4094 a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn S LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn S LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn LED a a a b c d e f g b c d e f g LEDgn S LED STR 1 DATA 2 CLOCK 3 OUTPUT 15 Q8 11 Q S 10 QS 9 VSS 8 VDD 16 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 CD4094 CD4094 GND 个个 个个 个个 个个 个个 个个 图 3 3 计分电路原理图 3 4 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 串行端口有一个数据寄存器 SBUF 在特殊功能寄存器中的字节地址为 99H 湖南理工学院南湖学院毕业设计 18 该寄存器为发送和接收所共同 发送时 只写不读 接收时 只读不写 在一 定条件下 向 SBUF 写入数据就启动了发送过程 读 SBUF 就启动了接收过程 串行通信的波特率可以程控设定 在不同工作方式中 由时钟振荡频率的分频 值或由定时器 T1 的溢出率确定 使用十分方便灵活 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 其中引脚分布图如第二章总图 2 9 所示 其中 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 1 3 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 5 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所示 图 3 4 74LS21 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 湖南理工学院南湖学院毕业设计 19 3 6 球赛计时计分器的工作过程 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 000 000 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 计时采用倒计时方式 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 湖南理工学院南湖学院毕业设计 20 第 4 章 系统软件设计和 Proteus 仿真 本章紧接上章的硬件电路原理介绍软件的设计 由于篇幅原因主要介绍软 件设计的流程图 思路 具体的全部系统程序参见附录 2 4 1 总流程框图 图 4 1 系统总流程框图 4 2 主要模块说明 1 计时部分模块流程 时间清 0 分数清 0 设置时间 如 20 分钟 启动键按下 倒计时开始定时 定时时间到否 暂停键按下否 分数按键按下 对应队加减分数 喇叭响 10 秒 交换键是否按 交换分数并显示 Y Y Y Y Y N N N N N 开始 湖南理工学院南湖学院毕业设计 21 图 4 2 计时部分流程图 这是典型的单片机计时系统 他们的原理都是利用单片机晶振的固有频率 12MHz 的晶振单片机的一个机器周期为 1 s 也就是说单片机计时器加一时间流 逝 1 s 在到了 1 20 秒时 来判断是否需要暂停和计时刷新比分 2 记分部分模块流程 计分电路是 K4 K5 K6 K7 四个开关通过四输入与门引发中断 当有其中有 任意一个按键按下时 都会引发外部中断 0 当系统进入外部中断服务程序的 时候来查找到底是哪个按键按下再做响应的处理 选计时定时方式 T0 装初值 开中断 1 20 秒到 否 R 20 R R 1 暂停 加分 R 0 秒减一 装初值 Y N N Y Y N 做出响应 开始 启动 T0 湖南理工学院南湖学院毕业设计 22 图 4 3 计分部分流程图 4 3 系统仿真情况 本文是利用的 EDA 软件 Proteus 进行仿真的 Proteus 是一款非常出色的 EDA 软件 有着广泛的应用 下面展示一下本次设计的仿真情况 1 系统上电 图 4 4 上电时仿真图 系统上电时进行初始化 时间 分数各位均为 0 计时没有开始 计时指 示灯灭 计时没有结束 结束报警灯灭 开中断 有外部中 断 判断是 K4 K5 K6 K7 中哪个按键按下 对应的处理分数 Y N 开始 湖南理工学院南湖学院毕业设计 23 2 设置比赛时间 图 4 5 设置比赛时间仿真图 系统设置比赛时间时 计时没有启动 计时指示灯灭 报警结束灯灭 不 能加减分数 3 开始倒计时 图 4 6 倒计时开始时仿真图 倒计时中 计时指示灯亮 结束报警灯灭 4 刷新比分 图 4 7 刷新比分仿真图 刷新比分时 计时照常进行 计时指示灯亮 结束报警等灭 比分随着场 上比赛情况即时更新 湖南理工学院南湖学院毕业设计 24 第 5 章 结束语 在本次毕业设计中 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 工作方式及其功能有了宏观的了解和把握 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 我发现自己还存在很多不足 给我的感觉就是下手 难 看似很简单的电路 要动手将它设计出来 不是一件容易的事情 究其原 因 便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熟悉 致使我花费了大量的时 间去查阅各种资料 而资料的查找也是一大难题 这就提醒我们在以后的学习 和工作中 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 和实际的应用紧密联系起来 这不论是对我们以后的就业还是学习 都会起到 很大的促进和帮助作用 总之 通过本次毕业设计 我收获了不少 在巩固所学专业知识的基础上 发现了自己还存在很多的不足 在今后的工作和学习中 我会不断夯实基础 完善知识 学以致用 找准定位 湖南理工学院南湖学院毕业设计 25 参考文献 1 佟云峰 等 单片机原理及其应用 重庆 重庆大学出版社 2004 1 2 刘瑞新 单片机原理及应用教程 北京 机械工业出版社 2005 3 聂毅 宏汇编语言程序设计教程 北京 电子工业出版社 1998 4 周航慈 单片机应用程序设计技术 北京 北京航空航天大学出版社 2002 5 杨忠煌 单芯片 8051 实务与应用 M 北京 中国水利水电出版社 2001 6 求是科技 单片机典型模块设计实例导航 M 北京 人民邮电出版社 2004 7 魏海明 实用电子电路 500 例 M 北京 化学工业出版社 2003 8 诸昌晨 LED 显示屏系统原理及工程技术 M 北京 电子科技大学出版社 2000 9 张友德 单片微型机原理 应用与实践 M 上海 复旦大学出版社 1992 10 何希庆 高伟 MCS 51 单片机原理 实验 实例 M 山东 山东大学出版社 1989 11 M atthew R Robin T M icrop rocessor controlled pow er supp ly J ElectronicWorldW irelessWorld 1994 12 Mark N Horedstein Microelectronic Circuits and Devices 2nd ed Prentice Hall Inc New Jersey 1996 湖南理工学院南湖学院毕业设计 26 附 录 1 源程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP CXT ORG 000BH AJMP CTCO ORG 200H MAIN MOV 33H 00H MOV 34H 00H MOV 35H 00H MOV 36H 00H MOV 37H 00H MOV 38H 00H MP1 MOV 40H 00H MOV 41H 00H MOV 42H 00H MOV 43H 00H CLR P0 0 CLR P2 0 CLR P2 1 CLR P2 2 CLR P2 3 MOV P1 00H NOP NOP NOP SETB P2 0 SETB P2 1 SETB P2 2 SETB P2 3 NOP NOP MOV SCON 00H CLR P3 7 MOV R1 33H MOV R2 06H LP MOV A R1 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV SBUF A JNB TI CLR TI INC R1 DJNZ R2 LP SETB P3 7 LOOP1 JB P2 4 LOOP2 CALL D10MS JB P2 4 LOOP1 INC 40H MOV A 40H 湖南理工学院南湖学院毕业设计 27 CJNE A 0AH DSP1 MOV 40H 00H AJMP DSP1 DSP1 CLR P2 0 MOV P1 40H NOP NOP SETB P2 0 ACALL D500MS AJMP LOOP1 LOOP2 JB P2 5 LOOP3 ACALL D10MS JB P2 5 LOOP2 INC 41H MOV A 41H CJNE A 0AH DSP2 MOV 41H 00H AJMP DSP2 DSP2 CLR P2 1 MOV P1 41H NOP NOP SETB P2 1 ACALL D