篮球计时器论文

I 建东职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书 课题名称课题名称 篮球竞赛计时器设计篮球竞赛计时器设计 系部名称系部名称 电子信息工程系电子信息工程系 专业班级专业班级 应用电子技术技术应用电子技术技术 0802062 学学 号号 0800206224 学生姓名学生姓名 陈陈 铖铖 指导教师指导教师 徐德勇徐德勇 职称职称 讲师讲师 指导教师指导教师 职称职称 完成日期完成日期 2010 年年 10 月月 29 日日 I 篮球竞赛计时器设计篮球竞赛计时器设计 摘摘 要要 本文介绍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 其功能主要有 一场篮球比赛 共分四节 每节 12 分 每次进攻为 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光提示 具有得分计数功能 关键词 单片机 计时器 倒计时 LED II 目目 录录 前 言 1 第 1 章 绪论 2 1 1 设计目的和意义 2 1 2 设计题目 2 1 3 设计的要求 2 第 2 章 硬件电路设计 3 2 1 系统的硬件构成及功能 3 2 1 1 AT89S51 单片机及其引脚说明 3 2 2 电源电路及复位电路设计 5 2 2 1 电源电路 5 2 2 2 复位电路 6 2 3 时钟电路设计 7 2 4 显示电路设计 8 第 3 章 系统软件的设计 10 3 1 定时中断的程序设计 10 3 2 独立键盘服务程序的设计 10 3 3 显示子程序的设计 10 3 4 系统软件的调试 10 第 4 章 系统调试及结果分析 11 4 1 使用的主要仪器和调试工具的简介 11 4 2 系统调试 11 4 3 测试结果 11 结 论 12 致 谢 13 参考文献 14 建东职业技术学院毕业设计 论文 1 前前 言言 近年来随着计算机在社会领域的渗透 在电子技术飞速发展的今天 单片机的应用 正在不断地走向深入 单片机技术在自动控制领域有着十分广泛的应用 如汽车 航空 电话 传真 视频等 很多行业涉及到自动控制的情况下涉及到单片机技术 电子产品 的人性化和智能化已经非常成熟 单片机就是一个微型中央处理器 通过编程即能完成 很多智能化的工作 因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用 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 譬如举办 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 建东职业技术学院毕业设计 论文 2 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 设计目的和意义 首先 巩固和加深在 模拟电子技术 和 数字电子技术 中所学到的基本理论知识 和基本技能 本次设计的目的在理论学习的基础上 通过完成一个涉及 89S51 芯片单片 机的资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用 使学生不但能够将课 堂上学到的理论知识与实际应用结合起来 基本掌握常用电子电路的一般设计方法 提 高和培养在电子电路方面的设计和实验能力 而且能够对电子电路 电子元器件 印制 电路板等方面的知识进一步加深认识 同时在软件编程 排版调试 焊接技术 相关仪 器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高 学会运用理论来分析和解决实际问 题 提高实际工作的能力 为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下 一定的基础 1 2 设计题目 设计一个篮球比赛的计时器 1 3 设计的要求 1 篮球比赛上下半场各二十分钟 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 应配用相应的译码器 4 用按钮开关控制计时器的启动 暂停 5 半场 全场到自动音响提示 用按钮开关关断声音 分与秒要有不同报警声音 建东职业技术学院毕业设计 论文 3 第第 2 2 章章 硬件电路设计硬件电路设计 2 1 系统的硬件构成及功能 89S51 端口分配 P0 0 P0 7 口 LED 显示器段选口 P2 2 P2 7 口 LED 显示器段选口 P2 1 P2 1 口 加减指示灯 代替数码管闪烁 P 3 0 P3 7 口 键盘列线输入 P1 0 P1 1 口 光报警 P1 2 口 声响报警 2 1 1 AT89S51 单片机及其引脚说明 AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗 高性能CMOS 8位单片机 片内含4KB的可系 统编程的Flash只读程序存储器 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准8051指令系统及引脚 它集Flash程序存储器既可在线编程 ISP 也可用传统 方法进行编程及通用 8位微处理器于单片芯片中 具有高性价比 AT89S51 是一个有 40 个引脚的芯片 引脚配置如图 2 1 1 所示 图 2 1 1 AT89S51 引脚配置 AT89S51 芯片的 40 个引脚功能为 VCC 电源电压 GND 接地 建东职业技术学院毕业设计 论文 4 RST 复位输入 当 RST 变为高电平并保持 2 个机器周期时 将使单片机复位 WDT 溢出将使该引脚输出高电平 设置 SFR AUXR 的 DISRTO 位 地址 8EH 可打开或关闭该功 能 DISKRTO 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡放大器的输出 P0 口 一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用 时 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 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 访问期间激活内部上拉电阻 在 Flash 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 一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 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 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P1 口部分端 口引脚及功能如表 2 1 1 所示 表 2 1 1 P1 口特殊功能 P1 口引脚特殊功能 P1 5 MOSI 用于 ISP 编程 P1 6 MOSI 用于 ISP 编程 P1 7 SCK 用于 ISP 编程 P2 口 一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 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时 P2 口线上的内容在整个 访问期间不改变 Flash 编程和程序校验期间 P2 亦接收低 8 位地址 P3 口 一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 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 P3 口写 1 时 它们被内部的上拉电阻把拉到高电并 可作输入端口 作输入端口使用时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如表 2 1 2 所示 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号 建东职业技术学院毕业设计 论文 5 表 2 1 2 P3 口特殊功能 P3 口引脚特殊功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 P3 3 外部中断 1 P3 4 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 1 外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 P3 7 外部数据存储器读选通 PSEN 程序储存允许输出是外部程序存储器的读先通信号 当 AT89S51 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 当访问外 部数据存储器 没有两次有效的 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 EA 端必须保持低电平 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 Flash 存储器编程时 该 引脚加上 12V 的编程电压 VPP 2 2 电源电路及复位电路设计 2 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 其转化图如图 2 2 1 所示 图 2 2 1 内部转化图 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 2 2 所示 建东职业技术学院毕业设计 论文 6 图 2 2 2 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 2 3V 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 2 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 3 3 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 22 F R 取 1K 建东职业技术学院毕业设计 论文 7 图 2 2 3 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 2 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如图 2 3 1 图 2 3 1 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 30pF 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 2 12MHz 之 建东职业技术学院毕业设计 论文 8 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 2 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 但是这种方式用共阴极数码管时需用三极管驱动 4 个数码管需要用 7 个三极 管来驱动 总共占用单片机 12 个 I O 口线 也可以用静态显示方式 共阴极数码管用 74HC595 驱动 只需占用 3 个 I O 口 数码管管脚图 2 4 1 及其七段 LED 码表 2 4 1 所示 图 2 4 1 数码管管脚 建东职业技术学院毕业设计 论文 9 表 2 4 1 七段 LED 显示字 符 共阳极 段码 显示字 符 共阳极 段码 0C0H592H 1F9H682H 2A4H7F8H 3B0H880H 499H990H 建东职业技术学院毕业设计 论文 10 第第 3 3 章章 系统软件的设计系统软件的设计 3 1 定时中断的程序设计 如图 3 1 1 图 3 1 1 定时中断程序流程图 3 2 独立键盘服务程序的设计 键盘有功能按键和直接查询按键 功能按键需要子程序不断的调用 并在主程序中 否 开始 保护现场 重置计数初值 中断 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 是 建东职业技术学院毕业设计 论文 11 循环检测 直接按键通过查询方式 判断相应的数据进行相应的调整 3 3 显示子程序的设计 显示程序时通过查询数组的方式 进行动态扫描 给 P0 口送段码 P2 口送位码 3 4 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 我使 用的是爱思超级仿真开发系统 电脑里安装上了仿真软件后 把 89S51 的仿真头接至电 路板上 把仿真器 RS 232 口与电脑的 RS232 口连接 就可以进行仿真了 第第 4 4 章章 系统调试及结果分析系统调试及结果分析 4 1 使用的主要仪器和调试工具的简介 数字万用表 DT9203 单片机仿真器 WAVE6000 烧写器 GF2100 双踪稳压稳流电源 DH1718E 5 数字示波器 TDS1002 在调试过程中 使用的调试工具是爱思 超级仿真开发系统 该仿真系统包括 G3000 仿真器 稳压电源 仿真头及串口通信控制线构成 使用方法为将仿真头连接在用 户板上 控制线连接仿真器和电脑 接上电源 在电脑上安装仿真软件就可以进行仿真 调试了 在仿真系统中可以进行程序的编写 编译 运行 运行的同时可以对各个寄存器 存 储空间及变量的值进行观察 当编写的程序有错误时 编译时就会出现错误的信息及所 在的位置 在运行程序时可以设置断点 进行单步运行 也可以连续运行 4 2 系统调试 根据系统设计方案 本系统的调试共分为三大部分 硬件调试 软件调试和软硬件联