【正文】 真，檢驗(yàn)功能是否能夠正常實(shí)現(xiàn)，隨后可用 Protel99畫出硬件電路圖。 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 2 1 系 統(tǒng) 方案說明 方案選擇 籃 球 賽 計 時 計 分 器 設(shè) 計 的 現(xiàn) 狀 體育比賽計時計分系統(tǒng)是對體育比賽過程中所產(chǎn)生的時間 ， 比分等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速采集記錄、加 工處理、傳遞和利用的系統(tǒng)。 籃球比賽是根據(jù)運(yùn)動隊員在規(guī)定的比賽時間里得分多少來決定勝負(fù)的，因此，籃球比賽的計時計分系統(tǒng)是一種得分類型的系統(tǒng)?，F(xiàn)在，根據(jù)設(shè)計要求，介紹一 下設(shè)計方案。一種是單片機(jī)帶外圍擴(kuò)展，驅(qū)動數(shù)碼管工作的電路，可提升學(xué)生對單片機(jī)接口電路的綜合運(yùn)用能力；另一種是單 片機(jī)直接驅(qū)動數(shù)碼管工作的電路，該電路成本相對較低。 6個用于記錄甲、乙兩隊的分?jǐn)?shù)，每隊 3 個，顯示分?jǐn)?shù)范圍可達(dá) 0 ～ 999 分，足夠賽程計分的需要。比賽前，將時間設(shè)置好，比賽開始時啟動計時，直至倒計時到零 為止。為了配合計時器調(diào)整時間和計分器校正比分，設(shè)計了 7 個按鍵， 4 個用于輸入甲、乙兩隊的分?jǐn)?shù) ， 另 3 個用于啟動和暫停賽程時間。 二者的不同之處在于 計時電路。當(dāng)調(diào)時開關(guān) ( 十位 ) 按下時產(chǎn)生一個低電平，對應(yīng)調(diào)分 ( 十位 ) 控制端 LE輸出高電平，表示可以向CD45ll的調(diào)分位 ( 十位 ) 發(fā)送數(shù)據(jù)，將要顯示數(shù)據(jù)的 代碼經(jīng) CD4511的 A 另 — 端，送完后將 LE清零。直到調(diào)到需要設(shè)置的時間即可。時間設(shè)置完后 , 啟動定時器。后一種計時電路主要由按鍵開關(guān)、單片機(jī) AT89C51 及 LED 顯示器構(gòu)成，采用雙電源供電。當(dāng)按下秒鐘加 1 按鍵時，秒計時顯示加 1 ；當(dāng)按下秒鐘減 1 按鍵時 , 秒計時顯示減 1 ；當(dāng)按下分鐘加 1 按鍵時，分鐘顯示加 1 ，當(dāng)按下分鐘減 1 按鍵時 ，分鐘顯示減 1 。如果比賽中裁判叫暫停，則只要按一下暫停鍵，即可暫停計時。球賽計時計分器系統(tǒng)圖如 11 圖所示。以下對個功能進(jìn)行介紹。比如：比 賽時間上半場時間 20分鐘，則通過按鍵 K5鍵，使數(shù)碼管 1 顯示 “2” 即可；再按 K6鍵，設(shè)置比賽時間的個位數(shù)，使數(shù)碼管 2 顯示 “0” 即可。時間設(shè)置好后，等待比賽開始。 2 、 賽程時間啟動／暫停設(shè)置 當(dāng)時間設(shè)置完成后，比如設(shè)置賽程時 間為 45分鐘，則在 LED 顯示器上顯示為 4500， 45表示分鐘， 00表示秒鐘。按鍵 K7為賽程啟動和暫?？刂?。我們知道，因?yàn)楸确纸粨Q是在上半場賽程結(jié)束后進(jìn)行的，也就是說比分交換 要 受賽程時間控制，只有當(dāng)上半場計時器指示為 0000時，按 K7鍵，則會自動交換甲、乙兩隊的比分。如果要繼續(xù)比賽，再按一次 K7即可。 4 、 比分刷新控制 由于在比賽中，甲、乙兩隊的比分是不斷在變化的，所以需要設(shè)置比分刷新控制裝置；此部分功能由計分電路圖 29 中的所示的按鍵開關(guān) K1~~K4來完成的： 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 5 K1鍵：完成甲隊加 1 分操作 K2鍵：完成甲隊減 1 分操作 K3鍵：完成乙隊加 1 分操作 K4鍵：完成乙隊減 1 分操作 5 、 計時計分顯示 計時計分顯示器是采用七段共陰極 LED 顯示器來顯示的。計時采用 4 個 LED 顯示器；顯示格式為 000000和 0000。 6 2 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計 籃球賽 計時計分 電路原理圖 用 Protel99 SE 設(shè)計的 電路原理圖見附錄 3， PCB 版圖見附錄 1。一般比賽時間為 40 分鐘，所示只需要按下 K5 鍵顯示 “4” ，按下 K6 鍵顯示 “0” 即可。上半場結(jié)束時，蜂鳴器會發(fā)出 10 秒鐘響聲，通知上半場結(jié)束，這時按下 K7 鍵，便完成了甲、乙兩隊的分?jǐn)?shù)交換。按鍵每按一下，表示加上或者減去 1 分。如果在賽程過程中，一方的教練申請暫停時，經(jīng)裁判批準(zhǔn)，我們立即按下K7 鍵，即可以暫停計時，暫停時間到時，再按下 K7 鍵繼續(xù)計時，直至上半場賽程結(jié)束，蜂鳴器會發(fā)出 10 秒的響聲。 系統(tǒng)硬件電路組成 計時電路 1． 顯示器及其接口 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。下面介紹發(fā)光二西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 7 極管顯示器（ LED）的結(jié)構(gòu)、工作原理及其接口電路。 圖 21 7 段 LED 數(shù)碼管 圖 22 共陰極與共陽極 LED 顯示器 如圖 21， 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。 LED 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。本設(shè)計采用的是共陰極數(shù)碼管 顯示 。在本次設(shè)計中，采用的是靜態(tài)顯示。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不 用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 8 使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開銷小。從圖 23 可以看出，每位 LED 顯示器需要單獨(dú)占用 8 根端口線，因此，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。 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(diǎn)亮各位顯示器。在此電路中，單片機(jī)的 P1 口 用于控制 4 位 LED 的段選碼：P2 口的 ~~ 用于控制 4 位 LED 位選碼 ， 單片機(jī)的 P1 口用于控制 4 位LED 的段選碼： P2 口的 ~~ 用于控制 4 位 LED 位選碼。但如果要顯示不同字符，則要由位選碼來控制。） 例如，現(xiàn)在要顯示“ 5678”四個數(shù)字，則首先應(yīng)該將“ 5”的顯示代碼 （共陰 LED 顯示器的顯示代碼為 6DH，共陽 LED 顯示器的顯示代碼為 92H）由 送出，然后 ~~ 輸出相應(yīng)位碼（ LED 為共陰則 ~~ 輸出 1000， LED 為共陽則 ~~ 輸出 0111）時，則可以看到在數(shù)碼管 1 上顯示的數(shù)西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 9 字為“ 5”。 用同樣的方法將其余 3 個數(shù)字“ 678”送數(shù)碼管 2， 3， 4 顯示，于是最后則可以在 4 位 LED 顯示器上看到“ 5678”四個數(shù)字。 如表 22，即為模擬以上的過程表（以共陰 LED 設(shè)置顯示代碼，共陽型與此相反）。一 類是壓電式，一類是電磁式，電磁式又有兩大品種，鐵振膜式和動圈式，二者原理一樣只是結(jié)構(gòu)不同。 （ 2） 報警 器的工 作原理 報警器的種類很多，比如：揚(yáng)聲器，蜂鳴器等，本次設(shè)計采用的是電磁式蜂鳴器作為報警器。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號通過電磁線圈，使得電磁線圈產(chǎn)生了一個磁場。 3． 計時電路的工作原理圖 如圖 25 所示。其工作過程如下：當(dāng)比賽準(zhǔn)備開始的時候，當(dāng)調(diào)時 （十位）開關(guān) K5 按下時，產(chǎn)生一個低電平；立即數(shù) 00H 取出，同時對應(yīng)調(diào)分（十位）控制端 的 LE 輸出高電平，表示此時可以向調(diào)分（十位）的 CD4511 發(fā)送數(shù)據(jù)，但 CD4511的輸出端將不會有輸出，因?yàn)?LE=1 時， CD4511 鎖存。這時便可以將要顯示數(shù)據(jù)的代碼經(jīng)過 CD4511 譯碼后，從輸出端 a~g 輸出，送 LED 顯示器顯示即可。 調(diào)時（個位）的操 作方法與上面一樣。計時采用倒計時，比如：設(shè)置的時間為 45 分鐘，則在 LED 上顯示 “4500” 四位數(shù)。這樣一直持續(xù)下去，直到變?yōu)?“0000” 時表示賽程結(jié)束。 5．振蕩電路 本次設(shè)計要使用到 AT89C51 單片機(jī)的時鐘振蕩功能。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體 [6]或者陶瓷諧振器 一同 構(gòu)成自激振蕩器。如圖 26，外接石英晶體或者陶瓷諧振器以及電容 C1， C2 接在放大器的反饋電路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。我們也可以使用外部 時鐘 [7]，采用外部時鐘電路如圖 27 所示。 由于外部時鐘信號是通過一個兩分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比 [8]沒有特殊要求，但最小的高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合技術(shù)條件以及本次設(shè)計所采用硬件的要求。 計分電路 8051 系列單片機(jī)除了有 4 個 8 位并行口外，還有一個能同時進(jìn)行串行發(fā)送和接收的全雙工串行通信口。球賽計分電路正是利用了 8051 單片機(jī)串行口可以外接串行輸入并行輸出移位寄存作用為輸出口來實(shí)現(xiàn)球賽比分刷新顯示的。 8051 的串行端口有 4 種基本工作方式，通過編程設(shè)置，可以使其工作 在任一種方式。串行端口有兩個控制寄存器 (SCON[11]和 PCON[12])，用來設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送的波特率 (每秒傳送的位數(shù) )以及作為中斷標(biāo)志等。發(fā)送時，只寫不讀；接收時，只讀不寫。串行通信的波特率可以程控設(shè)定。 本次設(shè)計的計分電路中，我們使用集成電路 CD4094。 其中引腳分布圖將在后面圖 29 介紹。 2． 比分校正控制電路 本次設(shè)計中的比分校正控制電路由四輸入與門 74LS21 和 4 個按鍵組成，其中 K K2 鍵接 74LS21 的 10 腳，完成甲隊加、減分控制； K K4 鍵接74LS21 的 1 13 腳，完成乙隊加、減分控制。 圖 28 74LS21 引腳圖 74LS21 芯片的主要引腳說明： 14 腳為電源腳 7 腳接地 1 13 為與門輸 入腳 8 腳為與門輸出腳 3．計分電路原理圖 計分電路原理圖如圖 29 所示。其工作過程如下：按鍵開關(guān) K1~~K4 組成甲、乙兩隊加減分控制。當(dāng)按鍵開 關(guān) K1~K4 這四個按鍵的任何一個一位按下時，與門的 8 腳輸出都會產(chǎn)生低電平使單片機(jī)中斷，從而使相應(yīng) LED 顯示。 例如：現(xiàn)在先在以甲隊加分為例，來說明整個過程。 經(jīng)串行發(fā)送端 RXD/ /并行轉(zhuǎn)換器 CD4094的第二個輸入引腳，即數(shù)據(jù)輸入 DATA 腳。所以在串行數(shù)據(jù)通過 RXD/ 引腳輸出時，則 TDX/ 引腳會輸出多位時鐘作為移位脈沖。 另外，在 RXD/ 引腳輸出數(shù)據(jù)的同時，單片機(jī) AT89C51 的 引腳輸出高電平給串行 /并行轉(zhuǎn)換器CD4094 的第 1 個引腳 STR（使能端控制），使前一片 CD4094 中的 8 位數(shù)據(jù)從QS 移位至下一片 CD4094 輸入端的第 2 引腳，即 DATA 引腳。 其對應(yīng)的程序原理如下闡述： 因?yàn)?，在程序中定義了 33H， 34H， 35H， 36H， 37H， 38H， 6 地址單元分別對應(yīng)乙隊、甲隊 3 個 LED 顯示器在程序中定義的 LED 顯示常數(shù)表 TAB 的偏移首地址。例如：甲隊加分表示以 36H 為偏移首地址的單元加 1，指向第二個數(shù)據(jù) 06H，其他以 33H， 34H， 35H， 37H， 38H 為偏移首地址單元的數(shù)據(jù)仍然指向第一個數(shù)據(jù) 3FH，這樣將這六個數(shù)據(jù)： 3FH，3FH， 3FH， 06H， 3FH， 3FH，經(jīng)單片機(jī)的 RXD 發(fā)送出去，再在單片機(jī) RD/輸出的 6 次高電平作用下產(chǎn)生 6 次移位，便在 6 片 CD4094 中得到顯示代碼：3FH， 3FH， 06H， 3FH， 3FH， 3FH。 器件選擇及介紹 本系統(tǒng)在設(shè)計的過程中主要選取了以下一些器件： 單片機(jī)： AT89C51 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 17 四一七段 BCD 譯碼芯片： CD4511 并行 / 串行轉(zhuǎn)換芯片： CD4094 四輸入與門： 74LS21 顯示器件： 7 段共陰極 LED 顯示器 按鍵：歐姆龍按鍵 AT89C51 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[17]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。 CD4511 是將鎖存、譯碼、驅(qū)動三種功能集于一身的“三合一”電路。譯碼器將 BCD 碼轉(zhuǎn)換成 7 段碼，再經(jīng)過大電流反相器，驅(qū)動共陰極 LED 數(shù)碼管。 CD4094 芯片的介紹 在本次設(shè)計的計分電路中，我們使用集成電路 CD4094。 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(shí)現(xiàn)。在一個芯片里有兩個相同的單元，其中一個任何一個都是 1/2 斷口。 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計 18 3 軟件編程及調(diào)試 總體程序設(shè)計 編程前，必須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)以及控制信號。 編程時，可采用 4— 20MHZ 的時鐘振蕩器，本次設(shè)計采用 12MHZ 的石英晶體振蕩器。 2．在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)，比如甲隊加一分就是在 36H 地址上加上（偏 移）一個字符 06H。 4．在高電壓編程方式時，將 EA/Vpp 端加上 +12V 編程電壓。 本次設(shè)計的程序流程圖如圖 31 所示。 初始化程序設(shè)計 通過初始化程序，對單片機(jī)進(jìn)行的各端口初始狀態(tài)和各存儲單元的初始值進(jìn)行設(shè)置。 初始化部分程序如下： ORG 000