【正文】 ,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了 便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇 [2]。 設(shè)計意義 單片機(jī) 的 應(yīng)用 是具有高度 現(xiàn)實意義 的 。單片機(jī)極高的可靠性，微型性和智能性（我們只要編寫不同的程序后就能夠完成不同的控制工作），單片機(jī)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具，已經(jīng)深深 地滲入到我們的日常生活當(dāng)中 。 通過此次基于單片機(jī)設(shè)計的籃球計時計分系統(tǒng)，我們可以更清楚詳細(xì)的了解單片機(jī)程序設(shè)計的基本指令功能、編程步驟和技巧來講述單片機(jī)編程，并對MCS51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行講述，以及基于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的相關(guān)芯片的工作原理，并且可以在將來的工作和學(xué)習(xí)中加以應(yīng)用 [5]。 設(shè)計目的 隨著單片機(jī)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多用單片機(jī)做控制的球賽計時計分系統(tǒng)也應(yīng)運而產(chǎn)生，如用單片機(jī)控制 LCD 液晶顯示器計時計分器，用單片機(jī)控制LED七 段顯示器計時計分器等。 本次設(shè)計用由 AT89C51 編程控制 LED 七段數(shù)碼管作顯示的球賽計時計分系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有賽程定時設(shè)置，賽程時間暫停，及時刷新甲、乙雙方的成績以及賽后成績暫存等功能。它具有價格低廉，性能穩(wěn)定，操作方便并且易于攜帶等特點。廣泛適合各類學(xué)校或者小型團(tuán)體作為賽程計時計分 [8]。 通過本次基于 C51系列籃球計時計分器的設(shè)計，可以了解、熟悉有關(guān)單片機(jī)開發(fā)設(shè)計的過程，并加深對單片機(jī)的理解和應(yīng)用以及掌握單片機(jī)與外圍接口的一些方法和技巧，這主要表現(xiàn)在以下一些方面： 專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 共 41 頁 (1) 籃球賽計時計分系統(tǒng)包含了 8051 系列單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成，同時在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一些使用性強(qiáng)的外圍接口。 (2) 可以了解到 LED顯示器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及這種顯示器的接口實例與具體連接與編程方法。 (3) 怎樣利用串行口來擴(kuò)展顯示接口等 [6]。 專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 共 41 頁 第二章 系統(tǒng)硬件介紹 MCS51 單片機(jī)簡述 單片機(jī) AT89C51 簡介 本課題中用到的芯片就是 AT系列中的 AT89C51單片機(jī)芯片。 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89C51 提供了高性價比的解決方案 [7]。 AT89C51 具有 PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。它 是一個低功耗高性能單片機(jī)， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 2個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口， AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 如圖所示圖 21為 AT89C51 單片機(jī)基本構(gòu)造，其基本性 能介紹如 圖 21： 圖 21 AT89C51 引腳圖 AT89C51 本身內(nèi)含 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中端口， 2個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口， AT89C51專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 10 頁 共 41 頁 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 主要特性 AT89C51的主要特性如 表 21所示： 表 21 AT89C51 主要功能描述 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時 ，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。 P2口： P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL門電流，當(dāng) P2口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作 兼容 MCS— 51指 令系統(tǒng) 4k 可反復(fù)擦寫 (1000次） Flash ROM 32 個雙向 I/O口 可編程 UARL通道 兩個 16位可編程定時 /計數(shù)器 全靜態(tài)操作 024MHz 1 個串行中斷 128x8bit 內(nèi)部 RAM 兩個外部中斷源 共 6個中斷源 可直接驅(qū)動 LED 3 級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁 共 41 頁 為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功 能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個 TTL門電流。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如 表 22所示： 表 22 AT89C51 特殊功能 表 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（ 外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周 期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 12 頁 共 41 頁 將跳過一個 ALE脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 芯片擦除 整個 PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制 信號組合，并保持ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。 在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止 [6]。 掉電模式 在 掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi) RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。推出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位。復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變 RAM中的內(nèi)容，在 VCC 恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重新啟動并且穩(wěn)定的工作 [5]。 專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁 共 41 頁 表 23 外部引腳狀態(tài)表 模式 空閑模式 空閑模式 掉電模式 掉電模式 程序存儲器 內(nèi)部 外部 內(nèi)部 外部 ALE 1 1 0 0 /PROG 1 1 0 0 P0 數(shù)據(jù) 浮空 數(shù)據(jù) 浮空 P1 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) P2 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) P3 浮空 浮空 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 程序儲存器的加密 AT89C51可使用對芯片上的三個加密位 LB LB LB3[2]進(jìn)行編程（ P） 或者不進(jìn)行編程（ U）。當(dāng)加密位 LB1 被編程時，在復(fù)位期間， EA 斷的邏輯電平被采樣并鎖存，如果單片機(jī)上電后一直沒有服位，則鎖存起的初始值是一個隨機(jī)數(shù)，這個隨機(jī)數(shù)會保存到真正復(fù)位為止 [5]。 顯示器及其接口 顯示器介紹 顯示器是最常用的輸出設(shè)備，其種類繁多，但在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中最常用的是發(fā)光二極管顯示器（ LED）和液晶顯示器（ LCD）兩種。由于這兩種顯示器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，接口容易實現(xiàn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器分很多種類，按顯示方式可分為段式，行點陣式和全點陣式。段式與數(shù)碼管類似，行點陣式一般是英文字符，全點陣式可顯示任何信息， 如漢字、圖形、圖表等 [4]。 兩者之間 的 區(qū)別： （ 1）二極 本身發(fā)光， 液晶本身不發(fā)光，只是透射光。 （ 2） 二極管體積大，圖像質(zhì)量一般，適合作室外大屏幕，價格較低。液晶成本較高，面積無法做得很大，但圖像質(zhì)量很好，適合做顯示器。 專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 14 頁 共 41 頁 （ 3）二 極管耗電大，液晶耗電小 。 （ 4） 二極管圖像刷新率低，液晶的高 結(jié)構(gòu)與原理 圖 22 7段 LED數(shù)碼管 如 圖 22， LED 顯示器又稱為數(shù)碼管， LED 顯示器由 8 個發(fā)光二極管組成。中 7個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個賀點形的 發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。 LEDD 顯示器有兩種不同的形式：一種是 8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極 LED顯示器；另一種是 8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極 LED顯示器 [1]。 如圖 23所示。 圖 23 共陰與共陽極 LED顯示器 LED 顯示器顯示方式 點亮 LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示；二是動態(tài)顯示。在本次設(shè)計中，采用的是靜態(tài)顯示。 這種電路 的優(yōu)點在于：在同一時間可以顯示不同的字符；但缺點就是占用端口資源較多。從下圖可以看出，每位 LED顯示器需要單獨占用 8根端口線，因此，專 科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 15 頁 共 41 頁 在數(shù)據(jù)較多的時候，往往不采用這種設(shè)計，而是采用動態(tài)顯示方式 [3]。 所謂動態(tài)顯示，就是將要顯示的多位 LED顯示器采用一個 8位的段選端口，然后采用動態(tài)掃描一位一位地輪流點亮各位顯示器。 圖 24為 4位 LED 顯示器動態(tài)顯示電路。 圖 24 動態(tài)顯示圖 CD4094 芯片介紹 在本次設(shè)計的 計分電路中，我們使用集成電路 CD4094。 CD4094 是 8位移位寄存器，它主要完成串行輸入，并行輸出 8 位數(shù)據(jù)的功能，所以又叫 8 位串 /并轉(zhuǎn)換器。 圖 25為 CD4094 的引腳圖： 圖 25 CD4094 引腳分布圖 74LS21 芯片介紹 本次設(shè)計中的比分校正電路采用四輸入與門 74LS21 來實現(xiàn)。 74LS21 是雙 4GN D GN D GN D8 根段馬線8 根段馬線