1、 篮球赛计时计分器 专 业 数码嵌入式技术 班 级 09 级 3-9 学 生 指导教师 西安 数字技术学院 二 零一一 年西安数字技术学院毕业论文设计 摘要 单片机自 20世纪 70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。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 ， 许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而生，如 ： 用单片机控制液晶显示(LCD)
2、 计时计分器，用单片机控制 LED七段显示器计时计分器等。 篮球计时计分器以单片机为核心，由计时器 、 计分器 、 综合控制器等组成。 系统采用模块化设计，主体分为计时显示模块、计分显示模块、定时报警、按键控制键盘模块。每个模块的程序结构简单 、 任务明确 ， 易于编写 、调试和修改。程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可保持不变。编程后利用 Keil C51 软件来进行编译 ，再将生成的 HEX 文件装入芯片中，采用 Proteus软件仿真，检验功能是否能够正常实现，随后可用 Protel99画出硬件电路图。本设计中系统硬件电路主要由以下几个部分组成：单片机AT89C51、 计时电
3、路 、 计分电路 、 报警电路和按键开关。 本次设计用由 AT89C51编程控制 LED七段数码管作显示的球赛计时计分系统。该系统具有赛程定时设置 、 赛程时间暂停 、 及时刷新甲乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。它具有价格低廉、性能稳定、操作方便并且易于携带等特点，广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时计分。 关键词： 单片 机，计时，计分，显示器，1 目 录 前言 . 1 1 系统方案说明 . 2 1.1 方案选择 . 2 1.1.1篮球赛计时计分器设计的现状 . 2 1.1.2 系统总体设计方案 . 2 1.2 系统基本功能介绍 . 3 2 系统硬件电路设计 . 6 2.1 篮球赛计
4、时计分电路原理图 . 6 2.2 篮球赛计时计分器电路工作过程 . 6 2.3 系统硬件电路组成 . 6 2.3.1计时电路 . 6 2.3.2计分电路 . 13 2.4 器件选择及介绍 . 16 2.4.1 AT89C51 . 17 2.4.2 CD4511 芯片介绍 . 17 2.4.3 CD4094 芯片的介绍 . 17 2.4.4 74LS21 芯片介绍 . 17 3 软件编程及调试 . 18 3.1 总体程序设计 . 18 3.2 初始化程序设计 . 18 3.3 计时系统程序设计 . 19 3.4 计分系统程序设计 . 20 3.5 系统调试 . 21 3.5.1软件调试 . 21
5、 3.5.2仿真调试 . 22 结 论 . 23 附 录 . 24 致 谢 . 33 参考文献 . 34 西安数字技术学院毕业论文设计 1 前 言 随着单片机在各 个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而 生，如用单片机控制 LCD液晶显示器 1 计时计分器，用单片机控制 LED七段显示器计时计分器等。 根据此次课题要求，这里介绍 一 种篮球 赛 计时计分器的设计方法， 即 单片机带外围扩展 来 驱动数码管工作的电路 。采用这种方法 可提升学生对单片机接口电路的综合运用能力。电路采用单片机作为核心元件，利用 10个 7 段共阴 极 LED 数码管 2作为显示器件。 6 个
6、用于记录甲、乙两队的分数，每队3 个，显示分数范围可达 0 999 分，足够赛程计分的需要。 4 个用于记录赛程时间， 2 个用于显示分钟， 2 个用于显示秒钟。比赛前，将时间设置好，比赛开始时启动计时，直至倒计时到零为止。计时范围达到 0 99分钟，能满足实际赛程计时的需要。为了配合计时器调整时间和计分器校正比分，设计了 7 个按键， 4 个用于输入甲、乙两队的分数 ， 另 3 个用于启动和暂停赛程时间。另外 ， 还设计了定时报警系统，即比赛时间到时，扬声器发出报警声提示赛程结束。 该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。设计分为软件设计和硬件设
7、计两部分。主控芯片采用 AT89C51 ，使用汇编语言 编写软件程序，主体分为计时显示模块、计分显示模块、定时报警、按键控制模块。编程后利用 Keil C513 软件来进行编译，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，随后可用 Protel99画出硬件电路图。 通过本次基于 单片机的 篮球 赛 计时计分器的设计，可以了解、熟悉有关单片机开发设计 实例 的过程，并加深对单片机的理解和应用以及掌握单片机与外围接口的一些方法和技巧。 西安数字技术学院毕业论文设计 2 1 系 统 方 案 说 明 1.1 方 案 选 择 1.1.1 篮 球 赛 计
8、 时 计 分 器 设 计 的 现 状 体育比赛计时计分系统是对体育 比赛过程中所产生的时间 ， 比分等数据信息进行快速采集记录、加工处理、传递和利用的系统。根据运动项 目的不同，比赛规则要求也不同，体育比赛的计时计分系统包括测量类 、 评分类 、命中类 、 制胜类和得分类等多种类型。 篮球比赛是根据运动队员在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统。篮球比赛的计时计分系统由计时器、计分器等多种电子设备组成的，同时， 根据目前高水平篮球比赛要求，完善的篮球比赛计时计分系统设备应能与现场成绩处理 、现场大屏幕 、 电视转播车等多种设备相联，以便实现激烈
9、的 比赛现场感和表演娱乐等功能目标 。现在，根据设计要求，介绍一下设计方案。 1.1.2 系 统 总 体 设 计 方 案 根据课题要求，介绍以下两种设计方法。一种是单片机带外围扩展，驱动数码管工作的电路，可提升学生对单片机接口电路的综合运用能力；另一种是单 片机直接驱动数码管工作的电路，该电路成本相对较低。两种电路都以 单片机作为核心元件，利用 10个 7 段共阴极 LED 数码管作为显示器件。 6个用于记录甲、乙两队的分数，每队 3 个，显示分数范围可达 0 999 分，足够赛程计分的需要。 4 个用于记录赛程时间， 2 个用于显示分钟， 2 个用于显示秒钟 。比赛前，将时间设置好，比赛开始
10、时启动计时，直至倒计时到零为止。计时范围达到 0 99分钟，能满足实际赛程计时的需要。为了配合计时器调整时间和计分器校正比分，设计了 7 个按键， 4 个用于输入甲、乙两队的分数 ， 另 3 个用于启动和暂停赛程时间。另外 ， 还设计了定时报警系统，即比赛时间到时，扬声器发出报警声提示赛程结束。 二者的不同之处在于 计时电路。 前一种计时电路主要由按键开关、单片西安数字技术学院毕业论文设计 3 机 AT89C514、译码器及 LED 显示器构成。当调时开关 ( 十位 ) 按下时产生一个低电平，对应调分 ( 十位 ) 控制端 P2.0的 LE输出高电平，表示 可以向CD45ll的调分位 ( 十位
11、 ) 发送数据，将要显示数据的代码经 P1.0送到 CD4511的 A 另 端，送完后将 LE清零。调时按键开关每按一次，数字自动加 1 。直到调到需要设置的时间即可。调时 ( 个位 ) 的操作方法与之相同。时间设置完后 , 启动定时器。如果比赛中暂停，按一下暂停键即可暂停计时。后一种计时电路主要由按键开关、单片机 AT89C51 及 LED 显示器构成，采用双电源供电。单片机采用 +5V ，数码管采用 +15V采用单片机直接驱动数码管显示。当按下秒钟加 1 按键时，秒计时显示加 1 ；当按下秒钟减 1 按键时 , 秒计时显示减 1 ；当按下分钟加 1 按键时，分钟显示加 1 ，当按下分钟减
12、1 按键时，分钟显示减 1 。时间设置完后，启动定时器开始倒 计时。如果比赛中裁判叫暂停，则只要按一下暂停键，即可暂停计时。 根据此次设计的实验条件及设计目的，我采用前一种方案，即单片机带外围扩展驱动数码管工作的电路系统。球赛计时计分器系统图如 1-1 图所示。 图 1-1 系统构成图 1.2 系 统 基 本 功 能 介 绍 西安数字技术学院毕业论文设计 4 本设计要实现的基本功能有：赛程时间设置，赛程时间启停设置，比分交换控制，比分刷新控制，计时计分显示，赛程结束报警。以下对个功能进行介绍。 1 、 赛程时间设置 在计时电路中 ， 按键开关 K5、 K6用来设置赛程时间。比如：比赛时间上半场
13、时间 20分钟，则通过按键 K5键，使数码管 1 显示 “2” 即可；再按 K6键，设置比赛时间的个位数，使数码管 2 显示 “0” 即可。一般比赛时间为40分钟，所以只需要按 K5键使数码管 1 显示 “4” ，按 K6使数码管 2 显示“0” 即可。时间设置好后，等待比赛开始。 当比赛结束时，如果由于一些特殊原因需要增加比赛时间，这时增加比赛时间同样由按键 K5、 K6来设置，并且设置方法与上面所述一眼，但一般情况下只需要按 K6键来设置即可，因为加时比赛一般只有几分钟而已 。 2 、 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 45
14、00， 45表示分钟， 00表示秒钟。这时，如果裁判吹响开始的哨声时，则应立即按下按键 K7，表示赛程开始，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。按键 K7为赛程启动和暂停控制。 3 、 比分交换控制 比分交换控制由计时电路图 2-5 中所示的 K7键完成。我们知道，因为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 要 受赛程时间控制，只有当上半场计时器指示为 0000时，按 K7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 K7键，只会暂停比赛，不能交换分数。如果要继续比赛，再按一次 K7即可。因
15、此， K7键完成三重功能，即：启动，暂停，比分交换。 4 、 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；此部分功能由计分电路图 2-9 中的所示的按键开关 K1K4来完成的： 西安数字技术学院毕业论文设计 5 K1键：完成甲队加 1 分操作 K2键：完成甲队减 1 分操作 K3键：完成乙队加 1 分操作 K4键：完成乙队减 1 分操作 5 、 计时计分显示 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6 个 LED 显示器。计时采用 4 个 LED 显示器；显示格式为 000000和 0000。 6 、 赛程结束报警 当
16、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 2 系统 硬件电路设计 2.1 篮球赛 计时计分 电路原理图 用 Protel99 SE 设计的 电路原理图见附录 3， PCB 版图见附录 1。 2.2 篮球赛计时计分器电路工作过程 整个篮球计时计分器的工作过程如下：首先在比赛之前，接通电源，系统自动复位，此时计时电路与计分电路中的共阴极数码管分别显示为 0000 和000000；然后我们按照计时电路图 2-5 中的 K5 键来设置比赛时间的十位数 ，再按下 K6 键，设置比赛时间的个位数 字 ，使数码管 2 显示 “0” 即可。一般比赛时间为 40 分钟，所示只需要按下 K5
17、 键显示 “4” ，按下 K6 键显示 “0” 即可。时间设置好时，等待赛程开始，当裁判吹响哨声时，启动计时，这时计时电路便开始工作，计时采用倒计时方式，即从 20 分钟减为 0 分钟表示上半场结束。上半场结束时，蜂鸣器会发出 10 秒钟响声，通知上半场结束，这时按下 K7 键，便完成了甲、乙两队的分数交换。在整个赛程中，我们还要对两队比分进行及时刷新，这时我 们通过计分电路 图 2-9 中的 K1K4 键完成此功能，K1 和 K2 键完成甲队加分、减分， K3 和 K4 键完成乙队加分、减分。按键每按一下，表示加上或者减去 1 分。由于加分、减分我们采用中断完成，且加、减分的中断优先权小于计
18、时电路中的中断优先权，所以不会对计时电路造成影响。如果在赛程过程中，一方的教练申请暂停时，经裁判批准，我们立即按下K7 键，即可以暂停计时，暂停时间到时，再按下 K7 键继续计时，直至上半场赛程结束，蜂鸣器会发出 10 秒的响声。下半场的流程和上半场基本上是一样的。 2.3 系统硬件电路组成 2.3.1 计时电 路 1 显示器及其接口 显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（ LED）和液晶显示器（ LCD）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。下面介绍发光二西安数字技术学院毕业论文设计 7 极管显示器（ LE
19、D）的结构、工作原理及其接口电路。 （ 1） LED 结构与原理 图 2-1 为典型的数码管 。 图 2-1 7 段 LED 数码管 图 2-2 共阴极与共阳极 LED 显示器 如图 2-1， 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 2-2 所示 。本设计采用的是共阴极数码管 显示 。 （ 2） 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，采用的是静态显示。 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 5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，
