【《基于单片机的篮球计时计分器的系统设计调试分析》8400字（论文）】

PAGE6PAGE7基于单片机的篮球计时计分器的系统设计调试分析目录TOC\o"1-1"\h\u84901.引言 11.1研究背景及意义 11.2国内外篮球比赛的现状分析 262142.系统总体设计及方案论证 22.1单片机控制模块 32.2LCD显示模块 32.3按键模块 32.4电源与蜂鸣器模块 325703.硬件设计 43.1单片机最小系统设计 43.2显示模块设计 53.3按键电路模块 73.4电源电路模块 83.5下载电路模块 83.6报警电路 9320374.软件设计 94.1软件设计环境介绍 94.2主程序的设计 104.3按键程序设计 1185865.篮球计时计分器的系统调试 115.1系统调试 115.2仿真结果 125.3系统焊接 13303186.结语 13参考文献 1516383附录1：系统完整原理图 168004附录2：系统完整PCB图 171摘要：篮球是众多人们喜欢的运动之一，篮球比赛有较好的观赏性和竞技性。我们观看最多的比赛无非是NBA、CBA等大型篮球比赛，这些比赛的比分和时间大多是由大显示屏来呈现，但在日常生活中我们显然没有这么多物力与财力。篮球比赛作为一项竞技运动就会有胜负，它的胜负是看在有限时间内两队得分多少来决定的。为了能够更加方便的控制比赛时间和比分可以基于单片机设计一款篮球计分器。我的设计主要由5个模块组成，分别是矩阵按键模块、电源提供模块、数据的显示模块、电路复位模块、报警模块。还设计了24秒进攻违例时间，可以帮助裁判判定比赛，当进攻方带球时间快要到24秒时，蜂鸣器会发出警报，提示进攻队员将要违规。关键词：按键调节AT89C51LCD1602计时计分1引言1.1研究背景及意义单片机让我们的生活更加便利，生活中的物件如果使用单片机来设计，就会事半功倍。随着社会的发展与进步，许多单片机设计的东西已经进入到我们的日常生活中。单片机正在飞速发展，正在逐步取代传统电子线路，单片机良好的前景，也让许多人看到了这一点，并投身到这来，单片机或许不是很直观，因为完成单片机的设计不光需要硬件还需要软件，正是软件这个因素让许多刚刚投身学习的人，刚开始会比较难以理解其中的原理与奥妙，但我相信只要潜心学习一定能更进一步。1.2国内外研究现状中国人越来越喜欢篮球这项运动，同时也对篮球比赛给予了许多关注。大型的篮球比赛大都采用现场大屏来显示比赛时间和分数，带给人们很清晰的感觉。中国的篮球水平也越来越接近世界水平，在篮球技术以及场馆硬件设施的建设方面，已经获得了长足的进步，但是在计分以及计时方面仍然需要采用先进的计分工具才能更好的满足现代竞技的需求。篮球计分器主要是为了显示控制比赛时间和比赛分数的，之前大多使用翻牌和表来显示和控制，观赛者并不能很清晰的看到比赛实时结果，而且在控制方面也十分不便，用单片机来设计可以帮助提高篮球比赛的观赏度，使得篮球这项运动深入人心，随着喜欢篮球这项运动的人数增加，就会有更多热爱篮球的人积极投身到我国的篮球事业中。

虽然在以前就开始了对篮球比赛时间和分数显示的研究，但大部分都是利用模拟电子器件、数字电子器件或是模拟、数字混合组成的，在使用方面并不是很方便，它的便捷性和准确性时常会出现问题。2系统总体设计及方案论证本设计单片机以AT89C51为核心元器件，再添加一些其他模块共同实现功能，显示器屏幕最上面显示双方球队比赛分数，最下面一行显示比赛时间，在比赛开始时按开始按钮，在零时间停止。一次12分钟，共4次。其次，为了方便使用者对比赛分数和时间的控制，设计了12个按键，用来提高和降低两个小组的分数；停止和启动计时，更新24秒攻击时间（分计时和定时），复位时间。当快要接近24秒时，单片机会发出警报，提醒进攻方进攻时间将要到了，如果没有报警表示攻击时间刚好在结束前。系统结构框图如图1所示： 图1系统总体设计图图1系统结构框图本次设计的模块主要有4个：实物控制模块，LCD数据显示模块，按键达到人机交互模块和电源告警模块。各模块作用如下：（1）实物控制模块：单片机以AT89C51为核心元器件，再添加一些其他模块共同实现功能。它内部有定时计数器24秒进攻违例时间和比赛实时分数记录可以通过这个方式来实现。AT89C51有空闲模式和掉电模式两种，在空闲模式下，外部CPU运行时，内部CPU将一直保持空闲状态。可通过重置和中断请求关闭空白运行。关闭模式的命令最后执行，内部RAM在关闭模式结束前被冻结。。（2）LCD数据显示模块：LCD1602液晶显示器显示本设计的数据，让观众体验感提升，同时也可以吸引观众眼球。（3）按键达到人机交互模块：这次设计使用的是3*4的矩阵键盘，可以人为控制按键发出指令。（4）电源告警模块：主要是提醒进攻方球员抓紧时间投篮，提高球员进攻有效性，增加比赛观赏度十分人性化。3硬件设计3.1单片机最小系统设计3.1.1AT89C51单片机简介AT89C51是一种低耗高能广泛使用的单片机，可以跟MCS-51单片机兼容。其寿命可以支持1000次擦写循环，它的内部有5个中断源，128×8位内部RAM，俩个16位定时/计数器，单片机特殊的结构及寄存器，会让我的软件设计变得丰富，是直接在串行端口添加地址的寄存器。如图2所示，这些特点可以完成本设计。图2AT89C51单片机3.1.2AT89C51管脚说明VCC：接电源。GND：接地。P0口：8位开放式泄漏双向端口I/O。各指针连接到第8个栅极电流。高电阻输入是第一次在端口P1上写入指针1。P1口：当写入1时，它将被用作进程和输入。从窗口删除P1端口时，将删除该端口。闪存已编程，未确认。端口P1作为第8个地址起作用。P2口：P2是I/O的第二形式，使用外部声音技术，P2端口缓冲可以在P2端口1上打印当前TL和出口，从而将电阻从路由内部分离并用于入口作为P2端口的结果使用。P2端口被输出，出口被扩展后，为什么会扫描出来呢？读写8位的地址信息后，将转换成“内联”地址。P3口：P3是8个双向I/O端口，具有对napetosti的内阻，允许4个箭头原始并以moduTTL输出。当P3luka定位为1时，将其扩展到更高级别以供入口使用。作为内部元素，端口P3产生电力，因为外部提取较低。RST：复位输入。ALE/PROG：使用flash编程时，使用ale/prog来实现输入脉冲的功能。通常这个按钮也可以执行强大的功能。/PSEN：在外部程序存储设备的选择信号。在每个机器周期，当它用于存储外部数据，文件/PSEN将是两次操作。如果是准入，这两种功能就不存在。/EA/VPP：如果pin/EA是低水平，这意味着内部和外部程序的存储时间；否则，当它是高层次的，这意味着一个内部的程序存储器。如果加密显示一个，它表明它是关闭的，结果是reset.在程序中可编程电压的电压值。3.1.3晶振复位电路外部时钟和内部时钟是AT89C51的两种主要工作模式。为了使得本次设计能达到电路就控制和复位的功能，我采用了内部时钟的工作方式来实现单片机的供电和作为复位电路来使用。需要在系统上电的短暂时间将单片机上电复位，此时电容两端的电压没办法发生突变，上电时电容突然短路，即使给第九脚RST加高电平时间很短，仍然可以帮助单片机系统实现复位。外部时钟的工作方式、内部时钟的工作方式是我开始考虑的两种工作方式，本设计综合各要求的考虑，为了方便电路的控制及复位功能，采用的是内部时钟工作方式。时钟电路负责计时，复位电路负责位单片机供电与复位。此次设计如下图3所示。复位电路时钟电路图3时钟、复位电路外部时钟工作方式以及内部时钟工作方式组成了AT89C51单片机最基础的两种工作方式，为了使本次设计有控制和复位的功能，我采用了内部时钟的工作方式来完成设计，复位电路在整个单片机系统中起到的作用可见一斑。如果在短时间内对宏处理器进行电复位以设计电源，则电容器上的电压不会发生突变，并且当通电的时间短时，将电平时间加到第九段的rst上是非常短的，这仍然有助于重置宏处理器系统。其具体原则如下。按下S1按钮将向200欧姆电阻器加载5伏电压。除了系统的rst外，您还可以通过手动按下按钮并恢复来重置它。一个单片机系统，晶振电路就好比人的心脏，是动力来源。3.2显示模块设计LCD1602是工业字符型液晶高清度显示器件，显示位数同时可以达到32位，芯片的工作电压在4.5-5.5V之间，工作电流在2.0mA,其重量较轻，体积也比较小，指令功能却很强，可以组成各种输入、显示、位移的方式来满足设计者的设计需求。液晶板上有几个5×7或者是5×10的字符显示位置，每个显示位置可以显示一个完整的字符，每行可分为8、16、20、24、32、40位这几种，接口方面是8条数据，来送入输入指令，指令输入完成后就可以正常工作，使用方面也需要多加注意，不能把金属框的定位梢完全，否则会影响LCD与电路的接触，导致电路无法正常运行，不能把LCD放在高温、高湿度的环境下，很可能会无法使用，。LCD1602是的控制器是KS0066，它能使LCD1602显示数字与字母，字符型LCD通常有14条或16条引脚线，它的控制线路结构原理与14脚的LCD相同。1602引脚如图4所示：结合以上LCD1602的一系列特性。具体电路原理图如下图5所示。图5显示模块电路原理图LCD1602在对外进行显示的时候，其形式体现为两行16字符的液晶模块。当前市场上，我们见到的一般都是由HD44780液晶芯片构成的。我们常见的LCD1602多数情况下会有十四或者十六条引脚线，两者的控制原理是相同的，只是后者比前者多了一条背光电源线VCC与一条地线GND。3.3按键电路模块为了控制单芯片微机系统的状态和输入的数据，人们通常设置按钮。例如，单芯片微机的重置键、功能转换命令键和数据交换的数字键在整个系统中起着非常重要的作用。编码键盘广泛应用于单芯片微机应用系统，它可以简单地连接和分离接触点，因此需要一个合适的程序来制作密钥代码。密钥数量多，如果一个密钥环中包含的文件包多，则使用矩阵键。在单片机应用系统中，键盘通常作为输入设备，操作者可以通过按键来完成对单片机指令的发送，达到人机交互的目的，市场上的键盘主要是两种，一种是可以编码的键盘可以编码的键盘使用硬件来完成设计，每按一次按键就会自动生成代码，达到消抖的效果，但是其价格昂贵，对于本次设计意义不大，另外一种是不可有编码的键盘，不可以用来编码的键盘只提供按键切换状态，依赖计算机程序来达到目的，因此价格便宜，更适合本次设计。按钮开关遥控功能目前单芯片微机应用系统的按钮总是用机械点按空格，按键按下时输入电压波形。由此可见，电压在按键上会发生膨胀，膨胀的时间是由按键的性能决定的。不同的按键会导致膨胀的时间不同，时间一般是5-10ms，当开始抖动时将不能正确读取状态，所以尽量选用性价比高的，性能更好的按键。让CPU关闭一次，必须清除导向线（拖放线）抖动的影响。过程如图6所示：图6按键过程通常消除抖动的方法主要是硬件和软件两种方法，如果设计使用按键数量不多时，使用硬件方法消除抖动。如图6所示，加一个R-S触发器置于电路中去，触发器的使用可以保证在人为一直按同一个按键时，系统只会响应一次，如果设计必须要多个按键来完成，这个时候使用硬件的办法消除抖动就不可行了，得用软件的方法来消除抖动。我的设计思路是用一个3*4的矩阵键盘来完成设计，方便使用者的操作，键盘电路如图7所示。图7按键电路3.4电源电路模块本设计的电源模块是USB接口供电，因为我观察到当今社会许多电器，比如手机，键盘，鼠标等都是用USB来供电，可以方便使用人使用。在24秒违例时间即将结束时，在24秒进攻时间快要结束的时候蜂鸣器发出告警，提醒球员抓紧时间，十分人性化。电源电路就是指给用电部分提供电力能源的电路设计。而本次设计在电路中安装了稳压器其目的就是利用其功能给整个电路提供一个5V的稳定电压，以确保整个电路的正常运行。而为了了解电路供电是否通畅我们在电路中接一个二极管来观察。电源模块电路图如下图8所示。图8电源电路3.5下载电路模块单芯片微型计算机具备全双串行通信端口，使得单芯片和计算机能够方便地进行串联通信，在满足一定条件的情况下可以开始串联通信，比方说电脑的串联端口为RS232，我的电脑的串行端口是TTL，这两者之间等级不同，需要将两者的等级化为同一级，就需要设计等级转换，本设计将选择下载电路进行转换。下载模块电路原理图如下图9所示。图9下载电路3.6报警电路AT89C51单片微机所提供的工作电流仅为20mA，因此蜂鸣器的正常工作电流一般较高，无法直接驱动单片微机的I/O端口，这个时候就需要一个外部驱动为其提供电流。在报警电路中BEEP将会连接到每个芯片上。LS1接口是蜂鸣器，晶体管在饱和状态下运行相当于一个开关。报警电路如图10所示。图10报警电路原理图4软件设计程序设计软件是整个系统设计的核心，也是计划功能的关键。整个程序设计通常在C语言和汇编语言中。记录芯片的方式演变为内部放置的hex文件和二进制文件。使用C语言程序设计将会便利我的设计，将功能全部实现。我在制定计划之前，深入分析了此次软件设计的任务，该如何完成此次任务，分析完成这次任务的难度以及后续的调试，尽可能的做到有备无患，不要到了关键的时候卡住，努力将这次设计做到完美。4.1软件设计环境介绍Keil是全球广泛使用的C语言编程软件，它使用方便，价格低廉。业内有很多人在使用这种得到广泛认可的解决方案，C语言具有各方面的优势，使学习方便快捷。KEIL51软件大部分生成了操作文字的编译代码非常简单易懂。一个大的软件开发是可能的。反映先进语言的优点。软件设计，主要介绍了设计中所用的软件设计。根据刚开始设计的需求，可以将软件设计分为几个部分来进行。软件设计介绍中通过如何设计、怎么设计、能不能实现这几个方面去分别叙述的，所用到的算法也会叙述，编程语言为了方便，所以选择了我所熟悉的KeiluVision3。最终编写出满足设计需求的软件程序。下面将一一介绍每个部分的设计。4.2主程序的设计在C语言编程代码中，我们将功能用函数的形式来表现出来，所以一个函数往往就是一个功能的代表，并且可以与其他代码互相实现调用。主函数是系统的开始，软件系统的入口就是主函数。接通电源后，需要将电路重置，使得时间是12分钟，两队比分为零分，按下开始按钮后，系统需要判断时间是否开始走，当12分钟结束或者接近24秒违例时，是否定时发出警报，当暂停按钮被按下后，时间是否不再变化，当比赛分数加减按钮被按下后，比赛分数是否发生预计的变化，如果发生变化了，两队分数可以正常显示，如果没有发生预计变化，则倒计时开始定时，当4节比赛全部打完后，需要判断是否结束，如果判断结束了，则直接结束，如果没有则会重新等待开始，本设计主程序流程图如下图11所示。图11主程序流程图4.3按键程序设计键盘控制程序需要检测：（1）检测按键是否被按下，按键是否有故障。（2）当人为按下按键后，按键会不会发生抖动，提示创作者解决抖动。（3）是否具备完善的逻辑处理，保证每次人为按键都能准确，当人为同时按下多个按键时，器械是否只处理一个按键，对其他没有影响，当人为一直按一个键的时候，是不是就执行一次程序，是否存在多次执行的现象。（4）可以准确完成人的指令，是否有的按键按下后短路或者是无反应。根据上述按键的按键处理过程列出按键处理流程图，开始后，先会开始按键检测，当检测到按键按下，再进行延时去抖，如果检测到按键未被按下，则会返回主程序，延时去抖后，再次进行按键检测，检测按键被按下后是否有效果，最后在松开按键后检测按键是否归位，流程图如图12所示：图12按键处理流程图5篮球计时计分器的系统调试系统调试就是通过修改程序，将篮球计分器的功能进一步完善，为焊接实物做好准备。5.1系统调试参照系统设计书的要求，将系统进一步进行调试，直到完成设计需求。LCD显示模块的RS,RW,E接口分别于单片机的P25，P26,P27接口连接，D1-D7口分别与单片机的P00-P06端口连接；XTAL1与电容1、地端、晶振相连，XTAL2与电容2、晶振、电源相连，复位输入与电阻R1、按键、电源等相连，EA与电源和矩阵按键相连，排阻的端口与单片机的32、33、34、35、36、37、38、39端口倒序相连，报警模块与单片机21端口以及电源相连，电源为报警模块提供电量，报警模块还需连接一个电阻，Proteus总体仿真图13所示。图13系统仿真图5.2仿真结果与实物打开仿真软件，快速点击两次主芯片，在新的框中找到Programfile这一行，打开keil，将写好的C语言编译成hex文件，然后点击Programfile这一行后面的黄色文件将hex文件导入，点击仿真按钮。仿真开始后，控制各个按键测试仿真效果，结果如下图14所示。图14仿真结果图 将USB接口插到手机充电头上，接通电源，按下复位按键，将比分清零，比赛时间回到12分钟，节数为1节，实物设计如图15所示。第一个按键为初始化按键，第二个按键选中A队，第三个按键选中B队，第4、5、6按键分别是分数增加1、2、3分，第7、8、9个按键分别是分数扣掉1、2、3分，第10个按键为启动暂停按键，第11、12个按键分别为24秒违例时间开关，当12分钟结束后，会自动换边，比赛的节数会变为2。图15实物图5.3系统焊接在整个电路焊接中，都是自己去手动焊接的，在焊接中遇到了许多问题，所以在此说明一下，使得整个设计更加容易实现。在以往的课程当中，我们已经做过许多焊接上的课程，但只是负责一部分的工作，没有像这次从头到尾都是一个人负责。所以还是遇到了许多困难，在反复的练习和跟同学一起探讨，还是知道了这其中需要注意的问题。焊接技术对于本次的设计还是非常重要的，焊接好了可以避免少走许多弯路，否则器件问题、电路问题、时间问题都会成为阻扰设计完成的关键。首先需要先把电路板清理干净，不要留下一些灰尘或者污垢来对后续的电路产生影响。在电路板上打印电路时尽可能多留些间隙，以免后续在打孔或者组装器件时产生拥挤或者打穿的情况，在电路板上打印好电路后，要先洗掉电路板上的铜，洗铜需要用温水勾兑一定浓度的酸，要注意稀释酸所用到的水必须是纯净水，这是为了防止自来水中的杂质会与酸进行反应，使得酸的浓度下降导致洗铜环节所用时间过长，纯净水的话则可以避免这些问题。在勾兑好洗铜所用的液体后，就可以将电路板放入酸剂中了。之后将电路板用线拴住，放入酸中反复洗刷，不可操之过急，并且需要注意安全，不要将液体溅到身上，也不要用手去触碰，待得电路板上只剩下电路那些铜后，就可以将电路板取出，放置通风的地方等待一天晾干。待得晾干后就可以拿来进行下一步的操作了。之后是器件锡焊。第一步是往电路板上进行打孔。在往电路板上焊接器件时，打孔时候要轻放轻打，否则会导致电路板的损坏。在打孔完成后，就是将器件焊接在电路板上了，焊接时要注意手尽量保持不抖动，焊铁也要保持适当的焊锡，多了会使得器件焊接不美观，少了会使器件焊接不稳定。同时也要注意不要把焊接的器件偏离了位置，使得最后的电路不通，更有甚则会导致器件的损坏不能二次使用。焊接器件这个过程是非常枯燥并且无聊的，但不可以掉以轻心，否则一不小心就会使得之前所做的努力白费，不得不重新制板、打孔、焊接，在我焊接了两次之后才终于成功将器件全部焊上去，由于之前的一些失误，我也从中找到了一些手感，最后焊接出来的成品自认为还是比较美观的。焊接完毕后，要注意检查每个焊点是否成功焊接，尽量避免焊接的器件没焊接上，或者焊接错位等问题的发生。待检查完毕后器件焊接就完成了。最后等待焊接器件完成后，要先拿去进行测试，查看是否可以通电，是否可以完成设计所需要的操作。在这一环节要注意电源不可超出器件承受范围，否则会导致器件的烧毁，接通电源后，查看显示灯以及LCD显示屏是否可以正常显示。如果可以则代表此次电子器件已完成，如有需要再进行调整使得设计看起来美观就可以了。6结语本文以单芯片微型计算机为基础，完成了篮球计分器设计，提出了设计思想，单芯片微型计算机程序设计原理完成了各种功能，本次设计的电路简单易懂，便于用户操作价格低廉，敏感可靠，记录准确，连接方便，具有较高的实用价值，设计内容包括计时器、标签、包括警报器等玩家可以使用的零件，仲裁员和大众要看清目前的结果，尽快提出。本文论述了篮球计分器是什么，篮球计分器的主要应用和发展，说明了实用篮球计分器设计的必要性，并介绍了设计该产品的必要性。该产品以AT89C51单片机为控制核心，并以显示模块、设计按钮模块和其他模块共同实现功能，在掌握主要部件后，使用Proteus软件绘