【文章內(nèi)容簡介】 單片機(jī)的時(shí)序。 MCS51 單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)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(shí)鐘電路還需附加其他電路。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和 2 個(gè)電容即可，如圖 210 所示。 圖 210 單片機(jī)時(shí)鐘發(fā)生電路 電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是 30177。 10pF，在這個(gè)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(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是 12MHz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為 12MHz。 基于 51 單片機(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)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(jià)格便宜、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。 LED 顯示器 [13]即數(shù)碼管 是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。七段數(shù)碼 管 由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段，其中 7 個(gè)長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)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(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)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(gè)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(gè)發(fā)光 二極管 單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)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(shí)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(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，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(shí)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(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，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(duì)于一位數(shù)碼管對(duì)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(gè)段其實(shí)就是一個(gè)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(gè)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(jì)選擇的二位一體 共陽極數(shù)碼管 是基于 51 單片機(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)系統(tǒng) 10 18 個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)數(shù)碼管的位選端， a， b， c， d， e， f，g， dp 即分別對(duì)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(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)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(duì)應(yīng)的字段碼的方式，對(duì)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(shí)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(jì)系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計(jì)，數(shù)碼管譯碼采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)，采用的是共陽極數(shù)碼管。 數(shù)碼管與單片機(jī)接口設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動(dòng) 數(shù)碼管 ，所以，在一般情況下，必須采用專用的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路能力差，即負(fù)載能力不夠時(shí)，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動(dòng)電路長期在超負(fù)荷下運(yùn)行容易損壞，因此， 數(shù)碼管 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問題。 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)通常分為兩種：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示。 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè) 數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅(qū)動(dòng)，一個(gè) 89S51 單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 個(gè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 基于 51 單片機(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)系統(tǒng) 12 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)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(gè)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(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)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(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感，動(dòng)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī) P0口上外接的上拉電阻來實(shí)現(xiàn)，即將數(shù)碼管的 AG 段顯示引腳和 DP 小數(shù)點(diǎn)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(dòng)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(gè) 存儲(chǔ)器 ，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和 存儲(chǔ)器 是分別的時(shí)鐘。 數(shù)據(jù)在 SHcp（移位寄存器時(shí)鐘輸入）的上升沿輸入到 移位寄存器 中，在 STcp（存儲(chǔ)器時(shí)鐘輸入）的上升沿輸入到存儲(chǔ)寄存器中去。如果兩個(gè)時(shí)鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。 移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（ Ds），和一個(gè)串行輸出（ Q7’） ， 和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一 個(gè)并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能 OE 時(shí)（為低電平），存儲(chǔ)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(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)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(shí)鐘輸入 STCP 存儲(chǔ)寄存器時(shí)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(jì)算機(jī) 、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、 電子玩具 、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、 定時(shí)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(huì)叫；而 無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號(hào)無法令其鳴叫。必須用 2K5K 的方波去驅(qū)動(dòng)它 。 有源蜂鳴器往往比無源的貴，就是因?yàn)槔锩娑鄠€(gè)震蕩電路。無源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)系統(tǒng) 14 LED 復(fù)用一個(gè)控制口 。 有源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是：程序控制方便。 本次設(shè)計(jì)選用的蜂鳴器是有源蜂鳴器。 驅(qū)動(dòng)方式 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)他激蜂鳴器的方式有兩種：一種是 PWM 輸出口直接驅(qū)動(dòng)，另一種是利用 I/O 定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 PWM 輸出口直接驅(qū)動(dòng) 是利用 PWM 輸出口本身可以輸出一定的方波來直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。在單片機(jī)的 軟件 設(shè)置中有幾個(gè)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(gè)時(shí)候利用這個(gè)波形就可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器了。比如頻率為20xxHz 的蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，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(gè)頻率為 20xxHz 的方波，通過這個(gè)方波再利用三極管就可以去驅(qū)動(dòng)這個(gè)蜂鳴器了。 而利用 I/O 定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形的方式會(huì)比較麻煩一點(diǎn)，必須利用 定時(shí)器 來做定時(shí)，通過定時(shí)翻轉(zhuǎn) 電平產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形，這個(gè)波形就可以用來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器了。比如為 2500Hz 的蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，可以知道周期為 400μs，這樣只需要驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的 I/O 口每 200μs 翻轉(zhuǎn)一次電平就可以產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)這個(gè)蜂鳴器了。 驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路一般都包含以下幾個(gè)部分：一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)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(dòng)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(gè)感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會(huì)產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管，并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其它部分。 3．濾波電容 基于 51 單片機(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)系統(tǒng) 15 濾波電容 C1 的作用是濾波，濾除蜂鳴器電流對(duì)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(gè) 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(dòng)電路如圖 221 所示。 圖 221 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路圖 基于 51 單片機(jī)的室內(nèi)五人制足球比賽計(jì)分計(jì)時(shí)系統(tǒng) 16 第 3 章 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì) 對(duì)于 單片機(jī) 控制的系統(tǒng) ，軟件和硬件 同樣重要 ，硬件 僅 解決了信號(hào)輸入輸出問題，軟件 完成對(duì)數(shù)據(jù) 的處理、傳送、存儲(chǔ)、顯示等， 是系統(tǒng)的控制和處理核心。 單片機(jī)在推廣應(yīng)用的初期，主要使用匯編語言，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)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(jī)的程序設(shè)計(jì)語言從匯編語言過渡到高級(jí)語言 C 已經(jīng)成為時(shí)代的潮流。 C 語言是一種通用的程序設(shè)計(jì)語言，其代碼效率高、數(shù)據(jù)類型及運(yùn) 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(jì)。 支持 51 單片機(jī) 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(jī) 開發(fā)的一種高