篮球比赛计时计分的器设计毕业论文.doc

编号：_商丘工学院毕业论文（设计） 题目：篮球比赛计时计分的器设计学 院： 信息与电子工程学院 专 业： 电子信息工程技术 班 级： 11电信1班 学生姓名： 指导教师： 成 绩： 2014 年5月目 录摘 要I第一章 前 言11.1 背景知识介绍11.2 设计意义11.3 设计目的1第二章 系统总体方案设计22.1 系统总体方框图22.2 系统基本功能介绍32.2.1 赛程时间设置32.2.2 赛程时间启动暂停设置32.2.3 比分交换控制32.2.4 比分刷新控制42.2.5 计时计分显示42.2.6 赛程结束报警4第三章 硬件电路的设计53.1 系统主要器件53.1.1 单片机53.1.2 七段数码显示器93.1.3 芯片74ls154113.1.4 芯片74ls573113.1.5 芯片 24C02113.2 硬件电路设计123.2.1 振荡电路123.2.2 计时电路123.2.3 计分电路143.2.4 按键电路143.2.5 报警电路15第四章 软件设计164.1 软件设计流程图164.2 软件设计简介174.3 软件设计编程工具介绍17结 论18参考文献19摘 要 篮球比赛计时计分器是为了解决篮球比赛时计分与计时准确的问题。此装置利用单片机AT89S52（AT89C51）完成了计时和计分的功能。本文详细地介绍了系统硬件与软件的设计过程，设计由AT89S52(AT89C51)编程控制LED七段数码管作显示的球赛计时计分系统。该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。它具有价格低廉，性能稳定，操作方便并且易于携带等特点。广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时计分。 关键词：单片机 ；篮球赛计时 ；篮球赛计分 第一章 前 言 1.1 背景知识介绍 单片机是单片微型计算机的简称,它是在一片半导体芯片上集成微型计算机的基本功能部件，包括CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM以及输入/输出接口电路等。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、结构简单、控制功能强，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1。1.2 设计意义 单片机的应用是具有高度现实意义的。单片机极高的可靠性，微型性和智能性（我们只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作），单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的日常生活当中。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-52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 设计目的 随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而产生，如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器，用单片机控制LED七段显示器计时计分器等。 本次设计用由AT89S52编程控制LED七段数码管作显示的球赛计时计分系统。该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。它具有价格低廉，性能稳定，操作方便并且易于携带等特点。广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时计分 5。 通过本次基于S52系列篮球计时计分器的设计，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。第二章 系统总体方案设计2.1 系统总体方框图图2.1 系统总体方框图 体育比赛计时计分系统是对体育比赛过程中所产生的时间，比分等数据信息进行快速采集记录、加工处理、传递和利用的系统。根据运动项目的不同，比赛规则要求也不同，体育比赛的计时计分系统包括测量类、评分类、命中类、制胜类和得分类等多种类型。 篮球比赛是根据运动队员在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统。篮球比赛的计时计分系统由计时器、计分器等多种电子设备组成的，同时，根据目前高水平篮球比赛要求，完善的篮球比赛计时计分系统设备应能与现场成绩处理、现场大屏幕、电视转播车等多种设备相联，以便实现激烈的比赛现场感和表演娱乐等功能目标。现在，根据设计要求，介绍一下设计方案。本系统采用单片机AT89S52作为本设计的核心元件。利用7段共阴LED作为显示器件。在本次设计中，共接入十二个七段共阴LED显示器，其中6个用于记录 甲、乙两队的分数，每队3个LED显示器分数范围可达到0999分，足够满足赛程需要。另外6个LED显示器则用于记录赛程的时间，其中两个用于显示分钟；2个用于显示秒钟；2个用于24秒计时。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099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，特在本设计中设立了8个按键。其中4个用于输入甲、乙两队的分数；另外4个则用于完成设置、调整、启动和暂停赛程时间等功能 。2.2 系统基本功能介绍 本设计要实现的基本功能有：赛程时间设置，赛程时间启停设置，比分交换控制，比分刷新控制，计时计分显示，赛程结束报警。以下对个功能进行介绍。2.2.1 赛程时间设置 在计时电路中，按键开关K16、K11、K12、K13、K14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K16键，然后按K11或K12调节使分钟数码管20；再按K13或K14键，设置比赛时间的秒钟数码管显示“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K16、K11、K12、K13、K14来设置，并且设置方法与上面所述一样。2.2.2 赛程时间启动暂停设置 当时间设置完成后，比如设置赛程时间为45分钟，则在LED显示器上显示为4460，45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K18，表示赛程开始，计时显示则由4460变成4459，4458一直计时直到计为0000时表示赛程结束。按键K18为赛程启动和暂停控制。2.2.3 比分交换控制 比分交换控制由K15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，也就是说比分交换要受赛程时间控制，只有当上半场计时器指示为0000时，按K15键，则会自动交换甲、乙两队的比分。2.2.4 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；此部分功能按键开关K11K14来完成的： K11键：完成甲队加1分操作 K12键：完成甲队减1分操作 K13键：完成乙队加1分操作 K14键：完成乙队减1分操作2.2.5 计时计分显示 计时计分显示器是采用七段共阴极LED显示器来显示的。其中计分是用6个LED显示器。计时采用6个LED显示器；显示格式为000 000和00 00 00。2.2.6 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。第三章 硬件电路的设计3.1 系统主要器件3.1.1 单片机 本课题中用到的芯片就是AT系列中的AT89S52单片机芯片。 AT89S52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AT89S52提供了高性价比的解决方案 。AT89C52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，AT89S52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2。如图所示图2-1为AT89S52单片机基本构造，其基本性能介绍如图3.1：图3.1 AT89C52引脚图 AT89S52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，AT89S52 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1。（1） 主要特性 AT89C51的主要特性如表3.1所示： 表3.1 AT89S52主要功能描述兼容MCS51指令系统4k可反复擦写(>1000次）Flash ROM32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0-24MHz1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（2） 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1。 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1。 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。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1。 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1。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表3.2所示： 表3.2 AT89S52特殊功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（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：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2。 /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1。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。（3） 芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89S52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止1 。（4） 掉电模式 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并且稳定的工作 。 表3.3 外部引脚状态表模式空闲模式空闲模式掉电模式掉电模式程序存储器内部外部内部外部ALE1100/PROG1100P0数据浮空数据浮空P1数据数据数据数据P2数据数据数据数据P3浮空浮空数据数据（5） 程序储存器的加密 AT89S52可使用对芯片上的三个加密位LB1、LB2、LB3进行编程（P）或者不进行编程（U）。当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA断的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有服位，则锁存起的初始值是一个随机数，这个随机数会保存到真正复位为止 。3.1.2 七段数码显示器 此系统中我们用到的七段数码显示器有两种，分别是三位七段显示器和二位数码显示器。（1） 三位七段数码显示器 三位七段数码显示器如图3.2所示，11、7、4、2、1、10、5、3引脚分别是七段显示器的a、b、c、d、e、f、g、h段，12、9、8引脚分别是数码管的一、二、三号显示管的公共端，6脚在此为无用脚。图3.2 三位七段数码显示器 （2） 二位七段数码显示器 二位七段数码显示器如图3.3所示，3、9、8、6、7、4、1、2引脚分别是七段显示器的a、b、c、d、e、f、g、h段，10、5引脚分别是数码管的一、二号显示管的公共端。图 3.3 二位七段数码显示器3.1.3 芯片74ls154 74ls154如图3.4所示，当SA和SB是低电平时74LS154才实现4-16译码功能。图 3.4 74LS154引脚图3.1.4 芯片74ls573 74ls573如图3.5所示，74HC573是一个8数据锁存器。主要用于数码管的控制，在这里使用主要作用是提高驱动能力。图3.5 74LS573引脚图 3.1.5 芯片 24C02 24c02如图3.6所示，它的在这里的作用主要是作为一个外部存储设备。a0,a1,a2器件地址选择。Wp写保护。Scl串行时钟。Sda串行数据地址。图 3.6 24C02引脚图 3.2 硬件电路设计3.2.1 振荡电路 AT89S52中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。振荡电路如图3.7所示。图3.7 晶振电路原理图3.2.2 计时电路 计时电路如图3.8所示，主要由开关S10-S18，单片机AT89S52，译码器以及LED显示器构成。图3.8 显示原理图 计时电路主要由开关K11K18，单片机AT89C52，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，当调时开关K16按下时，产生一个低电平；K11K14就变成调时按键，分别分加一减一，秒加一减一。 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“4460”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“4359”四位数，表示时间已过去1秒钟，即为43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，裁判叫暂停，则只要按一下K18键，即可暂停计时。 LED显示采用是动态扫描方式。单片机的p1口给74ls573信号573作为数码管的段码驱动，从p0.0到p0.7相对应数码管的abcdefgh段。而74ls154作为数码管的位选择芯片，74ls154是一个16选1的译码器，当A0，A1，A2，A3分别输入不同的高低点位时，它的输出也不同，例如当A0，A1，A2，A3分别输入电平时，0000时，输出Y0=0，其他都为1，也就是说一号数码管亮，其余不亮。3.2.3 计分电路 计分电路主要由单片机AT89C52，LED显示器以及按键开关组成。其工作过程如下：按键开关K11K14组成甲、乙两队加减分控制。按键K11K14一端接地，另一端输入单片机AT89C52的P3.0，P3.1，P3.2，P3.3，当按键开关K11K14这四个按键的任何一个一位按下时，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3.9所示。图3.9 计分电路原理图 3.2.4 按键电路 按键电路，八个按键接在单片机的P3口上另一端接在地上，当按键按下时对应的单片机的脚输入一个低电平，当单片机检测到输入的低电平时，执行对应的程序步骤。如下图：图 3.10 按键电路原理图3.2.5 报警电路 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，周期性的振动发声。报警电路是通过一个三极管连接在单片机的P2.0口上，当单片机检测到需要报警的程序时，P2.0输出低电平，此时三极管导通，报警系统报警。报警电路，如下图：图 3.11 报警电路原理图 第四章 软件设计4.1 软件设计流程图 根据硬件电路的设计方案和电路图，设计软件的设计流程，根据流程图设计系统具体软件。图 4.1 程序设计流程图4.2 软件设计简介 程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点： 分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。 根据程序编写方法：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。 编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。 程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句(或指令)的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。4.3 软件设计编程工具介绍 本设计采用的Keil uVision2编程软件，Keil uVision2是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强， 使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境7。结 论 在本次毕业设计，我通过基于典型单片机AT89S52的设计和应用，对于单片机工作原理，功能有了宏观的了解，并对单片机C语言程序的应用有了新的、进一步的认识。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因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记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理。由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，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电路联系起来，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。 单片机目标系统装完之后，应该首先认真细致地检查一遍： 第一，根据硬件电路原理图和装配图仔细检查线路的正确性，并检查元器件安装是否正确。常常要注意的是芯片及开关管的型号、放大器和开关管的极性、电容器的耐压和极性、电阻的阻值和功率是否与设计图纸相符，重点检查系统总线间或总线与其它信号线间是否存在短路； 第二，检查焊接点是否牢固，特别要仔细检查有无漏焊和错焊；对于靠得很近的相邻焊点，要注意检查金属毛刺和是否短路，必要时可用万用表进行测量。调试过程有时可能要重复多次。另外，在烧写程序的时候，一定要注意到AT89系列默认的有芯片加密。 本次设计测试结果以及不足之处： 在做PCB板的时候没有仔细检查，以至于PCB板出现错误，使得74LS154的电源脚和接地脚弄反了。 整个系统做好后，数码管有时出现乱码情况。参考文献 1梁纯等.基于MCS-51 单片机的LED点阵图文显示屏设计.工矿自动化.2005 年第6 期 2胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京:清华大学出版社.1996. 3诸昌钤.LED显示屏系统原理及工程技术M.成都:电子科技大学出版社.2000. 4韩润萍等.点阵LED显示屏控制系统.微计算机信息.203 年第19 卷第10 期 5徐惠民，安德宁.单片微型计算机原理、接口及应用.第二版.北京：北京邮电大学出版社.2000 6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.2002 7郭天祥.新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发.北京电子工业出版社.2009 8 忠梅. 单片机的C语言应用程序设计M. 北京:北京航空航天大学出版社，1997 9 李伯成. 基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计M.电子工业出版社.2004 10 孙育才，王荣兴，孙华芳. ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用M. 北京:清华大学出版社，2005.1