篮球比赛计时系统设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除精品文档摘 要本文基于at89c51单片机设计了篮球计时系统。以MCS系列单片机为核心，设计篮球比赛计时控制器。篮球比赛上下半场四节制，每节12分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一节比赛结束后可清零。按篮球比赛规则，进攻方有24秒为例计时。“分”“秒”显示用LED数码管。用开关控制计时器的启动/暂停。24秒计时时间到、每节结束、全场结束能自动音响提示。该篮球比赛计时器的设计，可对比赛总时间和各方每次控球时间计时。该计时器采用按键操作、显示，非常实用。此计时器在程序参数稍加修改后也可作为其他球类比赛的计时器。 关键字 AT89C51 8155 篮球计时系统摘 要I1 概 述11.1 选题背景11.2 设计要求22 系统方案设计32.1 系统框图设计32.2各部分功能介绍42.2.1 赛程时间设置42.2.2 赛程时间启动/停止设置42.2.3 加时赛时间启动/停止设置52.2.4 计时结束后报警53 硬件电路设计63.1 8031单片机的定时复位功能简介63.2 8155与数码管连接73.3 SN74LS240芯片简介113.4 控制电路设计124 程序实现134.1 显示部分软件的设计134.2 开关电路154.2.1键盘接口工作原理154.3 单片机对非编码键盘的控制方式184.4 复位电路205 结 论24参考文献25附 录26附录一 原理图部分26附录二 pcb部分27附录三 程序部分28附录四 元器件清单341 概 述1.1 选题背景单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。同时，一个学习与应用单片机的新高潮正在大规模地兴起。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 设计要求1、以MCS-51系列单片机为核心，设计篮球比赛计时控制器。2、篮球比赛上下半场四节制，每节12分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一节比赛结束后应可清零。3、按篮球比赛规则，进攻方有24秒为例计时。4、 “分”、“秒”显示用LED数码管。5、 用开关控制计时器的启动/暂停。6、 24秒计时时间到、每节结束、全场结束能自动音响提示。2 系统方案设计2.1 系统框图设计基于单片机的篮球比赛计时计分系统的构成框图如图所示：控制模块显示模块端口扩展及驱动模块AT89C51单片机图1 系统框图以MCS系列单片机为核心，设计篮球比赛计时控制器。篮球比赛上下半场四节制，每节12分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一节比赛结束后可清零。按篮球比赛规则，进攻方有24秒为例计时。“分”“秒”显示用LED数码管。用开关控制计时器的启动/暂停。24秒计时时间到、每节结束、全场结束能自动音响提示。该篮球比赛计时器的设计，可对比赛总时间和各方每次控球时间计时。该计时器采用按键操作、显示，非常实用。此计时器在程序参数稍加修改后也可作为其他球类比赛的计时器。 主控芯片为MCS51系列8031，采用6MHz晶振，P1.0-P1.6作键盘输入。A1为总计时工作开启键，比赛开始；A2为启动24秒计时键，投篮或交换控球时按下此键，24秒计时开始；A3为24秒计时停止键（没有违例）；A4为暂停键，可以控制总计时和24秒计时暂停；A5为总计时和秒计时同时启动键。 电路采用动态显示，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1ms左右，使人看起来就好像在同时显示不同的字符一样。第位显示完后，再进行锁存输出。显示器的前两位显示秒计时，后位显示总计时的分、秒。用定时器中断进行总计时处理，秒计时用定时器中断计时。同时电路通过键盘扫描，根据键值转相应键处理，定时道响铃。2.2各部分功能介绍2.2.1 赛程时间设置通过按键A1、A2、A3来设置赛程时间。篮球比赛的一节时间为12分钟，通过按A1按键，使LED数码管显示“01”即可。在按A2按键，设置比赛时间的个位数，即使数码管显示“02”。当比赛结束时，如果由于一些特殊原因要增加比赛时间，这时比赛时间的调整由A3按键来设置，且方法和上面一样。设置比赛时间的个位数，即使数码管显示“03”。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A4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A4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A4按键，继续进行计时。2.2.3 加时赛时间启动/停止设置加时赛一般是5分钟的时间，则数码管14上分别显示0500，即05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A5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。2.2.4 计时结束后报警当赛程时间或24s计时结束时，系统会自动发出报警声提示。3 硬件电路设计3.1 8031单片机的定时复位功能简介8031单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式：一种是内部时钟方式；一种是外部时钟方式，该设计应用片内震荡方式（如图2）。采用内部时钟方式时，片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2 外接作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振会路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在1.2-12MHz之间任选，电容C1、C2可在5-30pF之间选择，电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。MCS-51单片机在时钟电路工作后，在RST/Vpd 端持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位操作(一般复位脉冲宽度大于10ms).复位分为上电复位和外部复位两种方式。图2 片内震荡方式图3 外部复位3.2 8155与数码管连接图4 8155芯片由于该设计涉及到LED数码显示器有六个，故不能直接把8031单片机和LED数码显示器相连，而是通过可编程接口8155实现数据的转化与传递。8155是一种多功能接口芯片。它内部有两个可编程的8位并行I/O口、一个6位并行I/O口、一个14位定时/计数器以及256字节的RAM存储器。可以直接和MCS-51系列颠片机相连接，而不需要增加硬件电路，它是单片机应用系统中最常见的一种接口芯片。如图5，8153的AD0-AD7为地址/数据复用线。它直接与8031单片机的P0口相连接，实现地址、数据、命令及状态信号传输，并由PA0-PA7分别接LED数码显示器的a,b,c,d,e,f,dp端，由PC0-PC5六个输出端口来调节LED数码显示器。由于仅用到一个8155接口，从电路结构来看，采用静态显示不可能实现对六个LED数码显示器的控制，因此只有采用动态法对LED数码显示器的控制。CE为片选信号，输入，低电平有效。IO/M为RAM和I/O口选择线。当IO/M=1匙，选中I/O口；当IO/M=0时，选中RAM。ALE为地址锁存信号。在ALEde下降沿将CPU输出到AD0-AD7总线上的地址信号和CEji IO/M信号锁存到8155内部锁存器中。RD和WR分别是读选通信号和写选通信号，输入低电平有效。在读信号是，当CE=0，且 RD=0 时，将8155片内RAM单元I/Okou中的内容传送到AD0-AD7总线上去。在写信号时，当CE=0，且WR=0时，将CPU输出到AD0-AD7总线上的信号写道8155的RAM单元或I/O口中。RESET为复位信号，高电平有效。当RESET端加沙功能5us左右宽的正脉冲式，8155初始复位，把3个I/Okou均置为输入方式。TIMERIN为定时器输出。它是8155片内定时器的脉冲信号输入端。TIMEROUT为定时器输出。通过它可以输出矩形波或脉冲波。该设计通过8031的P1.2来作为8155的片选信号，P1.1控制IO/M。Vcc为电源正端，采用单一+5V电源。Vss为电源。 LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管数码显示器。其内部结构如图6和图7。该设计用到共阴极7段LED数码显示器。把发光二极管的阴极连载一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮。而输入低电平时则不点亮。该设计采用软件为主的接口方法。这种接口方法的电路如图8所示，它是以软件查表代替硬件译码，不但省区了译码器，而其还能显示更多的字符。但是驱动器是必不可少的，因为仅靠接口提供不了较大的电流共LED显示器使用。实际使用的LED数码显示器位数较多，为了简化线路、降低成本，大多采用以软件为主的接口方法。对于多位LED数码显示器，通常采用动态扫描显示方法，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任意识可只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应能够，看起来与全部显示器持续点亮的效果基本一样。为了实现LED显示器的动态扫描显示，除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“段控”和“位控”。因此对于多位LED数码显示器的接口电路来说，需要有两个输出口，其中一个用于输出显示段码；另一个用于输出位控信号。“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位。图5 数码管封装图及内部结构图图6 数码管与8155连接图3.3 SN74LS240芯片简介这种八缓冲器和线驱动器是为提高三态输出存储地址驱动器，时钟驱动器和总线定向接收器和发射器的性能可和集成度而特意设计的。设计者可按需要将原码，反码输出。对称/G(有效低电平输出控制）图7 sn74ls240芯片引脚及功能图3.4 控制电路设计由于次设计所需控制按键较少，所以并没有采用矩阵键盘的设计方法。只是采用了较为简单的按键扫描电路。其电路如图所示：图8 按键控制电路设计 4 程序实现显示部分软件的设计根据硬件单位连接然后进行软件的编写。开关电路时间长短与开关的机械性有关，一般为5-10ms。单片机对非编码键盘的控制方式：独立式键盘的编程。复位电路：复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态重新开始工作。4.1 显示部分软件的设计有了硬件的基础，软件部分就比较容易了，那就是根据硬件单位连接然后进行软件的编写。在编写程序前首先要弄清显示器显示十六进制和空白字符与P的显示段码，其中对应关系为fdp，如果要显示数字0的话那么其中fdp相对应的数码为（10000000），其段码表如表1所示。字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H表1 十六进制数及空白字符与P的显示段码注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。程序如下列所示：XS: MOV R0,#30H ；段码的送入 MOV R2,#01 ；位码的送入 LL1:MOV DPTR,#1000H MOV A,R2 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#4000H MOVX DPTR,A LCALL YS INC R0 MOV A,R2 JB ACC.7,LL2 RL A MOV R2,A SJMP LL1 LL2:RET TAB:DB 80H,0F2H,48H,60H,32H,24H,04H,0F0H,00H,20H,0FFH;显示子程序4.2 开关电路4.2.1键盘接口工作原理：在单片机应用系统中，常用键盘作为输入设备，通过它将数据、内存地址、命令及指令等输入到系统中，来实现简单的人机通信。键盘是一组按键的组合，通常有数据键和功能键组成。计算机所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘就能自动产生键代码，去除抖动等功能。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘仅提供键的开关状态，依靠程序来识别闭合按键。并具有去处抖动产生键的代码并转入执行该键的处理等功能。因此，非编码键盘硬件电路简单成本低，但占用CPU的时间较长。目前在单片机应用系统中多采用这种键盘。我们这里主要讨论非编码键盘接口。（1）键输入原理 在单片机应用系统中，除了复位键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其他按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键被按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。其过程是: 首先CPU采用查询或中断方式了解有无键输入并检查是哪一个键被按下, 然后将该键号送入累加器A, 再通过散转指令JMP A+DPTR转入执行该键的功能程序,执行完后返回到主程序。（2）按键开关的去除抖动功能 目前,89C51单片机应用系统上的按键常采用机械点式按间，它在开关、闭合是输入电压波形如图3.1所示。可以看出机械点在闭和及断开瞬间均有抖动过程,时间长短与开关的机械性有关,一般为5-10ms。由于抖动，会造成被查询的开关状态无法准确读出。例如，一次按键产生的正确开关状态，由于键的抖动，CPU多次采集到底电平信号，会被误认为按键被多次按下，就会多次进行键输入操作，这是不允许的。为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时作一次键输入处理，必须消除产生的前沿（后沿）抖动影响。图9 按键过程通常消除抖动影响的方法有硬件、软件两种。在按键较少时，可采用硬件方法消除抖动。如图3.2所示，在键输出端加R-S触发器构成消除抖动电路，可确保每按下一次键，只会产生一次低电平输出。 在按键较多时，可采用软件方法消除抖动。根据按键的抖动时间为5-10ms，稳定闭合时间一般为十分之几秒时间的特点，采用软件消除抖动的方法是： 在检测到有键按下时，执行一个10ms左右的延时程序，而后，在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持为闭合状态电平，则确认为该键处于闭合状态，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。同理，在检测到该键释放后，也采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。图10去抖动开关电路(3).键盘控制程序应完成的功能a.监测有无键按下。b.有键按下后，在无硬件消除抖动电路情况下，应用软件延时方法消除抖动影响。c.有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间任何按下又松开的键不产生影响，不管一次按键持续有多长时间，仅执行一次按键功能程序。d.输出确定的键号以满足散转指令的要求。4.3 单片机对非编码键盘的控制方式独立式键盘的接口电路及编程（1）独立式键盘的接口电路：在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时，可将每个按键直接接在一根I/O接口线上，这种连接方式的键盘称为独立式键盘。每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。（2）独立式键盘的编程：独立式键盘的编程常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O接口线的输入状态，如某一根I/O接口线输入为低电平，则可确认该I/O接口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。所示电路程序的清单如下：START：MOV A，P1 ；读入键盘状态 MOV R0，A ；保存键盘状态值 LCALL DL10ms ；延时10ms消除抖动 MOV A，P1 ；再读键盘状态CJNE A，R0，RETN ；再次结果不同。说明是抖动引 起，转RETN CJNE A，#0FEH，KEY2 ；K1键未按下，转KEY2 LJMP PRO1 ；K1键按下，转PRO1处理程序KEY2： CJNE A，#0FDH，KEY3 ；K2键未按下，转KEY3 LJMP PRO2 ；K2键按下，转PRO2处理KEY 3：CJNE A，#0FBH，KEY ；K3键未按下，转KEY4 LJMP PRO3 ；K3键按下，转PRO3处理KEY4： CJNE A，#0F7H，KEY5 ；K4键按下，转KEY5 LJMP PRO4 ；K4键按下，转PRO4处理KEY5： CJNE A，#0EFH，KEY6 ；K5键未按下，转KEY6 LJMP PRO5 ；K5键按下，转PRO5 处理KEY6： CJNE A，#0DFH，KEY7 ；K6键未按下，转KER7 LJMP PRO6 ；K6键按下，转PRO6处理KER7： CJNE A，#0BFH，KEY8 ；K7键未按下，转KEY8 LJMP PRO7 ；K7键按下，转PRO7处理KEY8： CJNE A，#7FH，DODO ；K8键未按下，转RETN LJMP PRO8 ；K8键按下，转PRO8处理RETN： LJMP START ；重键或无键按下，不处理返回DL10ms： ；延时程序略PRO1： ；K1键执行完返回LJMP START ；K1键执行完返回PRO2：；K2键功能程序：PRO8： ；K8键功能程序 LJMP START ；K8键执行完返回4.4 复位电路单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态重新开始工作。89C51单片机的复位靠外部电路实现，信号由RESET(RST)引脚输入，高电平有效，在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期，单片机即复位。复位后，PC程序计数器的内容为0000H，其他特殊功能寄存器的复位状态如表3.3所示。片内RAM中内容不变。复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种，如图3.3所示。图11 单片机复位电路根据以上设计,系统的软件由主程序模块，计时模块，计分模块，显示模块，按键输入模块，报警模块等组成。程序采用C51进行编程。主程序流程图见图12：图12主程序流程图1 根据以上设计,系统的软件由主程序模块，计时模块，计分模块，显示模块，按键输入模块，报警模块等组成。程序采用C51进行编程。主程序流程图见图12：图12主程序流程图 图13主程序流程图25 结 论本次设计叙述了篮球计时计分器的基本原理及使用方法，给出了一种篮球计时器的设计方案。利用单片机程序设计原理，来实现篮球计时计分器的各项功能。此次设计的篮球计时计分器，电路简单，而且易懂，使操作使用者使用非常方便，成本较低，灵敏可靠,计录准确,连接简单，具有非常高的使用价值。设计内容包括计时器、计分器、到时报警、比分显示等部分,可以使参加比赛的成员、裁判和观众一目了然的看到所有参加者的成绩,以最快的速度评出结果.该篮球计时计分器还能广泛应用于各类知识竞赛。本设计由AT89C51编程控制LED七段数码管作球赛计时计分系统具有赛程定时设置、赛程时间暂停、性能稳定、操作方便且易携带等特点。可广泛适合各类学校和小团体作为赛程计时计分。参考文献1彭为，黄科，雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲.北京：电子工业出版社.20062樊明龙，任丽静.单片机原理与应用.北京：化学工业出版社.2005.63李东生.Protel99 SE电路设计技术入门与应用.第一版.北京：电子工业出版社.20024何立民.MCS-51单片机应用系统设计.北京：北京航天航空大学出版社.19905王新贤.通用集成电路速查手册.山东：山东科学技术出版社.20046罗温萍等.球类比赛计时计分系统.江西：赣南师范学院学报.2003年第三期附 录附录一 原理图部分：附录二 pcb部分附录三 程序部分second EQU30Hminute EQU 31Ht EQU 32H ORG 1000HMOV minute , #0FF；minute=-1MOV R7 , #0FFH ;(R7)=-1MOV R6 , #100 ;(R6)=100MOV A3H , #00H ;P2.2为低电平MOV A2H , #0FH ；P2.1为高电平KEY1: INC R7 ；（R70=(R7)+1 （R7）初值为0 MOV A , R7 ；A第一次为0 循环以后不为0 JNZ CLOCK ；在每次12秒结束时响音响 LCALL KS1 ；检查有闭合键没有 JNZ A1 ；A非0，有键闭合则转 LJMP LK8 ；无键闭合则则转并返回A1: LCALL DIR ；消抖 LCALL DIR MOV A, 90H ；P0.0地址送累加器 CJNE A, #0FH, START；比较判断是非是A键，使则转START: INC minute MOV A , minute； MOV B , #10 DIV AB MOV DPTR , #TABLE MOVC A ,A+DPTR MOV P0 , A LCALL MOV A , B MOV A , A+DPTRMOV P0 , AMOV PC2 , 0FHLCALL DDLCALL LD1MOV A, BMOV A, A+DPTRMOV P0 , AMOV PC3 , 0FHLCALL DDLCALL LD1MOV A, minuteCJNE A, #0CH,KEY1NEXT: MOV second #00H MOV B, #10DIV ABMOV DPTR , #TABLEMOVC A, A+DPTRMOV P0, AMOV