球赛计时计分器的硬件设计.docx

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1、球赛计时计分器的硬件设计I 球赛计时计分器的硬件设计 摘 要 计时计分器是用于比赛中记录时间和比分的一种装备，传统的计时计分器大都是利用模拟或数字或是两者的混合电子器件组成的，其稳定性和准确度都存在一些问题。由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特的优点，使单片机迅速得到了推广和应用，目前已经成为测量控制应用系统中的优选器件。本设计就是以单片机为核心的计时计分系统，利用单片机AT89S52完成了计时和计分的功能，该系统实现了赛程定时设置，赛程时间暂停，比分的调整，即时刷新双方成绩，上下半场交换比分，时间快进回退

2、，以及结束时报警的功能，其中利用7段共阴极LED作为显示器件，设置了7个按键，用于设定、调整时间，启动，调整分数和暂停等功能，使得该系统操作简单，安装方便，具有价格低廉，性能稳定并且易于携带等特点，可广泛适用于学校或者小团体比赛中，完成计时计分的功能。 关键词：单片机，球赛，计时，计分 II The Hardware Design of Timing and Scoring Device ABSTRACT The timing and scoring device is a kind of equipment for record the time and score in training

3、.The traditional Timing and scoring device using electronic equipment of analog and digital or a mixture of both mostly, there are some problems in stability and accuracy .The MCU has some Unique advantages ,such as, the high level of integration chip, the strong of function, the vide of useful , es

4、pecially ,it has small volume, light weight, low energy cost, low price , highly reliable, strong ability of restrain interference and easily to useful. All this merit making MCU quickly expanded and application, and now it has the first choice in system of measurement and control application. This

5、design is timing and scoring system which based on AT89S52 MCU, and achieved the function of timing and scoring. In addition, it has some other functions, such as, setting and pausing the time, adjust and refresh the scoring, exchange the scoring in the first half and second half, running into and b

6、ack forward the time, and alarming in the end of training. In the design, which used seven LED as display device, set up seven keys to set and adjust the time, start and end, change scoring in the processing of match as well. All this component making the design simple to operation, stable to perfor

7、mance and easily to carry, especially, it is very cheap. So, it can be used in school sports or the small group game widely for scoring and timing. KEY WORDS：MCU, match, timing, scoring III 目 录 摘要.错误！未定义书签。 ABSTRACT.错误！未定义书签。 1 绪论. 1 1.1 背景知识介绍.1 1.2 设计内容.1 1.3 设计任务和要求.2 1.4 设计意义.2 2 系统硬件介绍.3 2.1 MC

8、S-51单片机简述.3 2.1.1单片机简介.3 2.1.2单片机AT89S52性能介绍.3 2.1.3主要特性.5 2.1.4 管脚说明.6 2.1.5存储器结构.7 2.1.6中断源.7 2.2 显示器及其接口 .8 2.2.1 显示器介绍.8 2.2.2 结构与原理 .9 2.2.3 LED显示器显示方式 .10 2.3 报警器 .12 2.3.1 报警器的分类 .12 2.3.2 报警器工作原理 .12 3系统总体方案及设计.13 3.1 系统总体方案.13 3.1.1 系统构成框图 .13 3.1.2 器件选择 .13 3.1.3 基本功能介绍 .14 3.2 硬件电路设计.15 3

9、.2.1时钟电路模块.15 IV 3.2.2 复位电路模块.16 3.2.3 显示模块.17 3.2.4 报警模块.18 3.2.5 上下半场指示模块.18 3.2.6 按键控制模块.18 3.2.7总硬件电路设计.19 3.3 球赛计时计分器的工作过程 .20 4 流程设计与仿真.21 4.1 软件设计方案.21 4.2 PROTEUS仿真.23 4.2.1 PROTEUS简介 .23 4.2.2 仿真过程.24 4.2.3 仿真中的问题 .27 5 总结.28 致谢.29 参考文献.30 附录.31 球赛计时计分器的硬件设计 1 1 绪论 1.1 背景知识介绍 体育比赛计时计分系统是对体育

10、比赛过程中所产生的时间,比分等数据进行快速采集记录，加工处理，传递利用的信息系统。根据不同运动项目的不同规则要求，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，得分类等多种类型。 本次设计的球赛计时计分系统是得分类的。由计时器，计分器等多种电子设备组成，同时，根据目前高水平比赛的要求，完善的球赛计时计分设备应能够与现场成绩处理，现场大屏幕，电视转播车等多种设备相联结，以便实现比赛的高现场感，表演娱乐观众等功能目标。 由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特的优点，使单片机迅速得到了推广应用，目前已经

11、成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部位。世界各大电气厂家，测控技术企业，机电行业，竞相把单片机应用于产品更新，作为实现数字化，智能化的核心部件。本球赛计时计分器就是以单片机为核心的计时计分系统，由计时器，计分器，综合控制器和24秒控制器等组成。 1.2 设计内容 本设计是基于AT89S52单片机的球赛计时计分系统，利用7段共阴极LED作为显示器件。在此设计中共接入了1个四位一体7段共阴极LED显示器，2个两位一体7段共阴极LED显示器，前者用来记录赛程时间，其中前2位用于显示分钟，后2位用于显示秒钟，后者用于记录甲乙队的分数，每队2个LED显示器显示范围可达到099分。赛程计时

12、采用倒计时方式，比赛开始时启动计时，直至计时到零为止。 其次，为了配合计时器和计分器校正调整时间和比分，我们特在本设计中设立了7个按键，用于设置，调整时间，启动，调整分数和暂停等功能。采用单片机控制是这个系统按键操作使用简洁，LED显示，安装方便。 主控芯片采用AT89S52单片机，采用C语言进行编程，编程后利用KeiluVision3来进行编译，再将生成的HEX文件装入芯片中，采用Proteus软件来仿真，检验功能是否能够正常实现。仿真成功后，焊接硬件电路，通过ISP下载器将hex文件烧制到单片机。 陕西科技大学毕业论文 2 1.3设计任务和要求 1）任务： 设计一个用于比赛过程中的球赛计时

13、计分器。 2）要求：1、能记录整个赛程的比赛时间，并能随时实现暂停。 2、能随时刷新甲、乙两队在整个过程中的比分。 3、中场交换比赛场地时，能自动交换甲、乙两队比分的位置。 4、比赛中场和结束时，能发出报警声。 5、通过指示灯指示上下半场。 6、当比赛时间需要回倒或快进时，能通过按键实现。 7、加分有误时可通过按键实现减分调整。 1.4 设计意义 本次设计使我进一步熟悉和掌握了单片机的内部结构和工作原理，了解了单片机应用系统设计的基本方法和步骤，掌握了单片机仿真软件Proteus的使用方法，以及键盘和显示器在单片机控制系统中的应用。此次设计很好的将书本上的理论知识和实践有机的结合了起来，使我对

14、理论知识有了更进一步的掌握，锻炼了我的实践动手能力，同时也让我懂得了理论与实际相结合的意义。为以后的工作和学习积累了宝贵的经验。 球赛计时计分器的硬件设计 3 2 系统硬件介绍 2.1 MCS-51单片机简述 2.1.1单片机简介 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发

15、展便分道扬镳。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。 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。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对家用电脑弱很多。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件很难做到的。单

16、片机主要由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成2。 2.1.2 单片机AT89S52性能介绍 由于单片机的种类很多，在选择单片机时要根据实际设计要求选择合适的单片机。如果设计仅需要一个单片机定时器则选择89C1051或 89C2051即可，不需要89C52，因为后者的价格较高一些。若程序和数据区的要求较高则选择的单片机还要满足程序空间的要求，和51系列单片机相比，52系列单片机在存储器空间上都有所扩大，而且后者比前者还多一个定时器和一个中断，因此综合考虑，本设计中我们选用较为流行的52系列单片机，即Atmel公司的AT89S52。 AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片

17、机产品。分为标准型，低档型和高档型三大类，而AT89S52属于高档型的。它是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 陕西科技大学毕业论文 4 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S5

18、2 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52单片机的引脚图如图2-1所示。 图2-1 AT89S52引脚图 AT89S52的内部结构图如图2-2所示3。 球赛计时计分器的硬件设计 5 图2-2 AT89S52内部结构图 2.1.3 主要特性： AT89S52的主要特性如图2-3所示。 陕西科技大学毕业论文 6 与MCS-51单片机产品兼容 1000次擦写周期 8K字节在系统可编程的Fla

19、sh存储器 全静态操作： 0Hz-33MHz 32个可编程I/O口线 三个16位可编程定时/计数器 六个中断源 掉电后终端可唤醒 双数据指针 低功耗空闲和掉电模式 全双工UART串行通道 看门狗定时器 3级加密位 掉电标识符 图2-3 AT89S52主要功能描述 2.1.4 管脚说明 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。 PSEN：程序储存允许输出。是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由

20、外部程序存储器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU只访问外部程序存储器，EA端须保持低电平。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上相应的编程允许电源VPP。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8

21、 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。作为输入口时要向端口写“1”。 引脚号第二功能： P1.0 T2，时钟输出 P1.1 T2EX P1.5 MOSI P1.6 MISO P1.7 SCK 球赛计时计分器的硬件设计 7 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。同样作为输入使用时先向该端口写“1”。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。作为输入时先向P3 端口写“1”。 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1

22、 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) 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) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 2.1.5 存储器结构 MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。 程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。 对于 89S52，如果EA 接VCC，程序的读写先从内部存储器开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。

23、 数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。 当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器5。 2.1.6 中断源 AT89S52 有6个中断源：两个外部中断，三个定时中断和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。 如图2-4所示，IE.6位是不可用的。对于AT

24、89C51，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。 陕西科技大学毕业论文 8 符号 位地址 IE.7 功能 中断总允许控制位。EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定 EA ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 IE.6 IE.5 IE.4 IE.3 IE.2 IE.1 IE.0 预留 定时器2中断允许控制位 串行口中断允许控制位 定时器1中断允许控制位 外部中断1允许控制位 定时器0中断允许控制位 外部中断0允许控制位 图2-4 中断允许控制寄存器 2.2 显示器及其接口 2.2.1显示器介绍 显示器是最常用的输出设备，其种类

25、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和液晶显示器两种。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。 发光二极管LED，组成的显示屏，每个点都是一个或多个发光二极管，通过控制电路控制二极管的亮灭来控制点的发光，从而使整个大屏幕显示图案。 液晶显示器LCD最常见的就是TFT类型的，它是由光源，液晶光栅，和控制芯片组成，他的光源是常亮的白色强光，当光线通过液晶光栅的时候，通过电压改变液晶颗粒滤光方向，从而改变每个点的颜色和强度来显示图案。 两者之间的区别： 二极管本身发光， 液晶本身不发光，只是透射光。 二极管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低

26、。液晶成本较高，面积无法做得很大，但图像质量很好，适合做显示器。 二极管耗电大，液晶耗电小。 二极管图像刷新率低，液晶的高 二者的档次相差比较大，一般来讲在一些图像简单，对成本控制较严格的场合，用二极管，而液晶一般都是作计算机显示器、电视、手持设备等对图像质量要求高的球赛计时计分器的硬件设计 9 场合。 下面介绍发光二极管显示器的结构、工作原理及其接口电路。 2.2.2结构与原理 LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个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

27、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。如图2-5所示。对于共阴极的LED显示器，如果需要点亮a到g中的任何一盏灯，只需要在相应的端口输入高电平即可，输入低电平则截止。 图2-5 共阴极与共阳极LED显示器 8个笔划段hgfedcba对应于一个字节的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。表2-1列出了共阳极与共阴极LED显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系 陕西科技大学毕业论文 10 表2-1 代码对应表 显示字符 共阴极段码 共阳极段码

28、 显示字符 共阴极段码 共阳极段码 7FH 6FH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 80H 90H 88H 83H C6 A1H 86H 8EH 0 1 2 3 4 5 6 7 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H C0 F9 A4 B0 99H 92H 82H F8 8 9 A B C D E F 2.2.3 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，采用的是动态显示。 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

29、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。从图2-6可以看出，每位LED显示器需要单独占用8根端口线，因此，在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式。 球赛计时计分器的硬件设计 11 图2-6 静态显示图 所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器。动态显示具有一定的实用性，也是目前单片机数码管显示中较为常用的一种显示方法，“动态”由软件实现。图2-7为4位LED显示器动

30、态显示电路1。 图2-7 动态显示图 陕西科技大学毕业论文 12 2.3 报警器 2.3.1报警器的分类 蜂鸣器有两类3大品种。一类是压电式，一类是电磁式，电磁式又有两大品种，铁振膜式和动圈式，二者原理一样只是结构不同。所有蜂鸣器都有两种类型：纯蜂鸣器和带驱动的蜂鸣器，蜂鸣器都是用音频信号驱动的，都是交流驱动。 2.3.2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

31、性的振动发声。 球赛计时计分器的硬件设计 13 3 系统总体方案及设计 3.1 系统总体方案 3.1.1系统构成框图 球赛计时计分器主要包括单片机控制系统、计时显示模块、计分显示模块、定时报警，按键控制键盘模块。通过这几个模块的协调工作就可以完成相应的计时计分控制和显示功能。这四个模块的相互连接如图3-1所示： 图3-1 系统方框图 本设计是基于AT89S52单片机的球赛计时计分器，利用7段共阴极LED作为显示器件。在此设计中共接入了1个四位一体7段共阴极LED显示器，2个两位一体7段共阴极LED显示器，前者用来记录赛程时间，其中前2位用于显示分钟，后 2位用于显示秒钟，后者用于记录甲乙队的分

32、数，每队2个LED显示器显示范围可达到099分。赛程计时采用倒计时方式，比赛开始时启动计时，直至计时到零为止。 3.1.2器件选择 本系统在设计的过程中主要选取了以下一些元器件： 陕西科技大学毕业论文 14 1) 单片机：AT89S52 2) 排阻：RP1 3) 发光二极管：D1，D2 4) 电阻：R1，R2 5) 电容：C1，C2，C3 6) 晶振：X1 7) 显示器件：7段共阴极LED显示器 8) 按键：欧姆龙按键 3.1.3基本功能介绍 1）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4500，45表示分钟，00表示秒钟。这时，如果赛

33、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。当中间过程需要暂停时按下暂停/启动键就可暂停比赛，开始时再次按键就可继续比赛。 2）比分交换控制 比分交换控制由暂停/启动键完成。我们知道，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，上半场比赛结束之后自动暂停，开始下半场时，按暂停/启动键，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，则此时按下暂停/启动键，只会暂停比赛，不能交换分数。如果要继续比赛，再按一次暂停/启动即可。因此，暂停/启动键完成三重功能，即：启动，暂停，比分交换。 3）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； A+1键：完成甲队加1分操作 A-1键：完成甲队减1分操作 B+1键：完成乙队加1分操作 B-1键：完成乙队减1分操作 4）计时计分显示 球赛计时计分器的硬件设计 15 计时计分显示器是采用七段共阴极LED显示器来显示的。其中计分是用两位一体7段共阴LED显示器；计时采用四位一体7段共阴极LED显示器，前两位表示分钟，后两位表示秒钟。显示格式为00和0000。 5）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。 6）时间的回倒，快进 当时间需要回倒或是快进时，只需要长按回倒或快进按键，直