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正文內(nèi)容

基于51單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-08-16 12:46 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 單片機的時序。 MCS51 單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器,用于構(gòu)成震蕩器, XTAL1 為該放大器的輸入端, XTAL2 為該放大器輸出端,但形成時鐘電路還需附加其他電路。本設(shè)計系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式,利用單片機內(nèi)部的高增益反相放大器,外部電路簡,只需要一個晶振和 2 個電容即可,如圖 210 所示。 圖 210 單片機時鐘發(fā)生電路 電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定, 也可以參考一些典型電路 [8]的參數(shù),電路中,電容器 C1 和 C2 對震蕩頻率有微調(diào)作用,通常的取值范圍是 30177。 10pF,在這個系統(tǒng)中選擇了 33pF;石英晶振選擇范圍最高可選24MHz,它決定了單片機電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率,在本系統(tǒng)中選擇的是 12MHz,因而時鐘信號的震蕩頻率為 12MHz。 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 8 顯示模塊 顯示模塊采用 了 四位一體的數(shù)碼管 [9]、二位一體的數(shù)碼管以及一位數(shù)碼管,分別如圖 21 212 以及 213 所示。 圖 211 四位一體數(shù)碼管顯示模塊 圖 212 二位一體數(shù)碼管顯示模塊 圖 213 一位數(shù)碼管顯示模塊 LED[10]是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。 LED 由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。 LED 顯示器 [13]即數(shù)碼管 是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件。在單片機中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。七段數(shù)碼 管 由 8 個發(fā)光二極管組成顯示字段,其中 7 個長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形,另一個圓點形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用,其通過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 9 四位數(shù)碼管概述 四位 數(shù)碼管 是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件,其基本單元是 發(fā)光二極管 。能顯示 4個數(shù)碼管叫四位數(shù)碼管。數(shù)碼管按段數(shù)分為 七段數(shù)碼管 和八段數(shù)碼管,八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光 二極管 單元(多一個小數(shù)點顯示);按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和 共陰極數(shù)碼管 。 共陽極數(shù)碼管 是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 ( COM) 的數(shù)碼管。 其 在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V,當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時,相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時,相應(yīng)字段就不亮。 共陰極數(shù)碼管 是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 ( COM) 的數(shù)碼管。 共陰極數(shù)碼管 在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上,當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時,相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時,相應(yīng)字段就不亮。 本次所采用的的是共陽極( COM)的數(shù)碼管。 原理圖及引腳圖 對于一位數(shù)碼管對應(yīng)的端名稱及排列如下圖所示 圖 214 一位數(shù)碼管引腳端名 稱 內(nèi)部的工作原理即如下圖所示。每個段其實就是一個發(fā)光二極管,導(dǎo)通即亮。下面的示例圖都以共陽極數(shù)碼管為例,共陰極數(shù)碼管原理相同,只是二極管方向相反。 圖 215 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部電路 二位數(shù)碼管為兩個一位的數(shù)碼管段選并聯(lián)而陰極 (共陰數(shù)碼管) 或者陽極(共陽數(shù)碼管) ,分別作為 位選端。 本次設(shè)計選擇的二位一體 共陽極數(shù)碼管 是基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 10 18 個管腳的,其 內(nèi)部電路構(gòu)造如圖 216 所示 圖 216 二位 一體數(shù)碼管 內(nèi)部電路圖 其顯示的引腳位置圖為圖 217 圖 217 二位 一體數(shù)碼管 ( 18 腳) 引腳圖 而四位數(shù)碼管即相當(dāng)于四個一位的數(shù)碼管段選并聯(lián)而陰極(共陰數(shù)碼管)或陽極(共陽數(shù)碼管),則分別作為位選端。 四位一體 共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路構(gòu)造如圖 218 所 示(共陰極數(shù)碼管二極管反向) 。 圖 218 四位一體共陽極數(shù)碼管內(nèi)部電路圖 從數(shù)碼管正面俯視看,對應(yīng)的引腳如圖 219 所示, 圖 219 四位一體數(shù)碼管引腳圖 1, 2, 3, 4 分別表示從左到右四個數(shù)碼管的位選端, a, b, c, d, e, f,g, dp 即分別對應(yīng)數(shù)碼管的段選,共陰極數(shù)碼管高電平有效,共陽極的數(shù)碼管低電平有效。 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 11 數(shù)碼管的譯碼方式 表 23 共 陰(陽) 極字段碼表 顯示字 符 共陽極字段碼 共陰極字段碼 0 C0H 3FH 1 F9H 06H 2 A4H 5BH 3 B0H 4FH 4 99H 66H 5 92H 6DH 6 82H 7DH 7 F8H 07H 8 80H 7FH 9 90H 6FH 譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式,對于 LED 數(shù)碼管顯示器,通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種 [8]。 硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。 軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序,通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼,譯碼程 序通常為查表程序。 本設(shè)計系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計,數(shù)碼管譯碼采用軟件編程來實現(xiàn),采用的是共陽極數(shù)碼管。 數(shù)碼管與單片機接口設(shè)計 由于單片機的并行口不能直接驅(qū)動 數(shù)碼管 ,所以,在一般情況下,必須采用專用的驅(qū)動電路芯片 [13],使之產(chǎn)生足夠大的電流, 數(shù)碼管 才能正常工作 。如果驅(qū)動電路能力差,即負載能力不夠時,顯示器亮度就低,而且驅(qū)動電路長期在超負荷下運行容易損壞,因此, 數(shù)碼管 的驅(qū)動電路設(shè)計是一個非常重要的問題。 數(shù)碼管的驅(qū)動通常分為兩種:靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)顯示。 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個 數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動,或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單,顯示亮度高,缺點是占用 I/O 端口多,如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅(qū)動,一個 89S51 單片機可用的 I/O 端口才 32 個,實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動,增加了硬件電路的復(fù)雜性。 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 12 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 “ a, b, c, d, e, f, g, dp” 的同名端連在一起,另外為每個數(shù)碼管的公共 極 COM 增加 位選通控制電路,位選通由各自獨立的 I/O 線控制,當(dāng)單片機輸出字形碼時,所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形,取決于單片機對位選通COM 端電路的控制,所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開,該位就顯示出字形,沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的 COM 端,就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示,這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中,每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1~ 2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng),盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮,但只要掃描的速度足夠快, 給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù),不會有閃爍感,動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的,能夠節(jié)省大量的 I/O 端口,而且功耗更低。 所以為了簡化電路,本系統(tǒng)在數(shù)碼管驅(qū)動電路的設(shè)計上,利用單片機 P0口上外接的上拉電阻來實現(xiàn),即將數(shù)碼管的 AG 段顯示引腳和 DP 小數(shù)點顯示引腳并聯(lián)到 P0 口與上拉電阻之間,這樣,就可以加大 P0 口作為輸出口的驅(qū)動能力,使得數(shù)碼管能按照正常的亮度顯示出數(shù)字。 74HC595 74HC595 是硅結(jié)構(gòu)的 CMOS 器件, 兼容低電壓 TTL 電路,遵守 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。 74HC595 是具有 8 位 移位寄存器 和一個 存儲器 ,三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和 存儲器 是分別的時鐘。 數(shù)據(jù)在 SHcp(移位寄存器時鐘輸入)的上升沿輸入到 移位寄存器 中,在 STcp(存儲器時鐘輸入)的上升沿輸入到存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起,則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個串行移位輸入( Ds),和一個串行輸出( Q7’) , 和一個異步的低電平復(fù)位,存儲寄存器有一 個并行 8 位的,具備三態(tài)的總線輸出,當(dāng)使能 OE 時(為低電平),存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線 。圖 220 為引腳圖。 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 13 圖 220 74HC595 引腳圖 74HC595 的引腳說明 如表 24: 表 24 74HC595 引腳說明 表 引腳 描述 Q0?Q7 8 位并行數(shù)據(jù)輸出,其中 Q0 為第 15 腳 GND 地 Q7’ 串行數(shù)據(jù)輸出 MR 主復(fù)位(低電平 ) SHCP 移位寄存器時鐘輸入 STCP 存儲寄存器時鐘輸入 OE 輸出有效(低電平) DS 串行數(shù)據(jù)輸入 VCC 電源 蜂鳴器原理 蜂鳴器是 一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用 直流電壓 供電,廣泛應(yīng)用于計算機 、打印機、復(fù)印機、報警器、 電子玩具 、汽車電子設(shè)備、電話機、 定時器 等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲 器件 。 分類 蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種。 有源蜂鳴器與無源蜂鳴器的區(qū)別:注意:這里的 “源 ”不是指電源,而是指震蕩源。也就是說,有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源,所以只要一通電就會叫;而 無源內(nèi)部不帶震蕩源,所以如果用直流信號無法令其鳴叫。必須用 2K5K 的方波去驅(qū)動它 。 有源蜂鳴器往往比無源的貴,就是因為里面多個震蕩電路。無源蜂鳴器的優(yōu)點是: 1. 便宜 2. 聲音頻率可控,可以做出 “多來米發(fā)索拉西 ”的效果 。 3. 在一些特例中,可以和基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 14 LED 復(fù)用一個控制口 。 有源蜂鳴器的優(yōu)點是:程序控制方便。 本次設(shè)計選用的蜂鳴器是有源蜂鳴器。 驅(qū)動方式 單片機驅(qū)動他激蜂鳴器的方式有兩種:一種是 PWM 輸出口直接驅(qū)動,另一種是利用 I/O 定時翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生驅(qū)動波形對蜂鳴器進行驅(qū)動。 PWM 輸出口直接驅(qū)動 是利用 PWM 輸出口本身可以輸出一定的方波來直接驅(qū)動蜂鳴器。在單片機的 軟件 設(shè)置中有幾個系統(tǒng)寄存器是用來設(shè)置 PWM 口的輸出的,可以設(shè)置占空比、周期等等,通過設(shè)置這些寄存器產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的 頻率 的波形之后,只要打開 PWM 輸出, PWM 輸出口就能輸出該頻 率的方波,這個時候利用這個波形就可以驅(qū)動蜂鳴器了。比如頻率為20xxHz 的蜂鳴器的驅(qū)動,可以知道周期為 500μs,這樣只需要把 PWM 的周期設(shè)置為 500μs,占空比電平設(shè)置為 250μs,就能產(chǎn)生一個頻率為 20xxHz 的方波,通過這個方波再利用三極管就可以去驅(qū)動這個蜂鳴器了。 而利用 I/O 定時翻轉(zhuǎn)電平來產(chǎn)生驅(qū)動波形的方式會比較麻煩一點,必須利用 定時器 來做定時,通過定時翻轉(zhuǎn) 電平產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形,這個波形就可以用來驅(qū)動蜂鳴器了。比如為 2500Hz 的蜂鳴器的驅(qū)動,可以知道周期為 400μs,這樣只需要驅(qū)動蜂鳴器的 I/O 口每 200μs 翻轉(zhuǎn)一次電平就可以產(chǎn)生一個頻率為 2500Hz,占空比為 1/2duty 的方波,再通過三極管放大就可以驅(qū)動這個蜂鳴器了。 驅(qū)動電路 蜂鳴器驅(qū)動電路一般都包含以下幾個部分:一個三極管、一個蜂鳴器、一個續(xù)流二極管和一個電源濾波電容。 1.蜂鳴器 發(fā)聲元件,在其兩端施加直流電壓(有源蜂鳴器)或者方波(無源蜂鳴器)就可以發(fā)聲,其主要 參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅(qū)動方式(直流 /方波)等。這些都可以根據(jù)需要來選擇。 2.續(xù)流二極管 蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件,其電流不能瞬變,因此必須有一個續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則,在蜂鳴器兩端會產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓,可能損壞驅(qū)動三極管,并干擾整個電路系統(tǒng)的其它部分。 3.濾波電容 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 15 濾波電容 C1 的作用是濾波,濾除蜂鳴器電流對其它部分的影響,也可改善電源的交流阻抗,如果可能,最好是再并聯(lián)一個 220uF 的電解電容。 4.三極管 三極管 Q1 起開關(guān)作用,其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通,使 蜂鳴器發(fā)聲;而基極低電平則使三極管關(guān)閉,蜂鳴器停止發(fā)聲 。 驅(qū)動電路如圖 221 所示。 圖 221 蜂鳴器驅(qū)動電路圖 基于 51 單片機的室內(nèi)五人制足球比賽計分計時系統(tǒng) 16 第 3 章 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計 對于 單片機 控制的系統(tǒng) ,軟件和硬件 同樣重要 ,硬件 僅 解決了信號輸入輸出問題,軟件 完成對數(shù)據(jù) 的處理、傳送、存儲、顯示等, 是系統(tǒng)的控制和處理核心。 單片機在推廣應(yīng)用的初期,主要使用匯編語言,這是因為當(dāng)時的開發(fā)工具只能支持匯編語言。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展,單片機的程序設(shè)計語言從匯編語言過渡到高級語言 C 已經(jīng)成為時代的潮流。 C 語言是一種通用的程序設(shè)計語言,其代碼效率高、數(shù)據(jù)類型及運 算符豐富,并具有良好的程序結(jié)構(gòu),適用于各種應(yīng)用程序設(shè)計。 支持 51 單片機 用的 C 語言編程 [11]的編譯器主要有兩種: Franklin C51 編譯器和 Keil C51 編譯器,我們簡稱 C51。 C51 是專為 51 單片機 開發(fā)的一種高
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