1、 DA CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY篮球比赛记分器The Game Of Basketball Scoring Device设计题目： 篮球比赛记分器 学院名称： 电气与信息工程学院 专业名称： 电子信息工程 任务分配表班级 学号 姓名 完成主要任务电子104208 PCB 的绘制仿真与实现电子104213 程序的修改PCB 的绘制仿真与实现PROTEUS 原理图绘制与仿真电子104235 文档的编写程序的修改PROTEUS 原理图绘制与仿真篮球比赛记分器 摘 要：本文设计了一个篮球比赛记分器主要利用单片机 AT89C51 作为核心元件，利用 3 组 4
2、位共阳极的数码管作为显示器件，以 C 语言作为编程语言，在 Protues 和 Keil 搭建的软件仿真平台下进行仿真，本设计包含了 AT89C51 系列单片机的最小系统的构成，同时在此基础上扩展了一些实用性强的外围接口，可以进一步了解译码器 74LS247 的应用，LED 七段数码管的结构和工作原理，主要实现了计时和显示 A/B 队的分数，并能及时进行加分，减分，鸣笛警示等功能。本系统具有成本低廉、性能稳定、高准确度显示、操作方便且易携带等特点。广泛适合各类学校和小团体作为赛程计分。关键词：AT89C51 单片机；74LS247；七段数码管；仿真；嵌入式0 引言进入21世纪，伴随着电子，信息
3、通信技术的应用与普及开发，人们对电子技术的要求也越来越高，目前嵌入式单片机渗透到我们生活的各个领域。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统” ，可分软件部分和硬件部分，而当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在单片机上。所以，以MCU为核心，就是各种各样的单片机，是嵌入式硬件部分的实现
4、方式之一，它主要是因为把处理器和存储器等部件集成在一块芯片上。体育比赛计时计分器是对体育比赛过程中所产生的时间、比分等数据进行快速采集记录、加工处理、传递利用的工具。篮球比赛的计时计分器是一种得分类型的工具。虽然篮球比赛中很早就开始研究应用了电子计分器，但通常都是利用模拟电子器件、数字电子器件或是模拟、数字混合组成的，其稳定性和高准确度计分仍存在一些问题。以嵌入式单片机为核心，利用 3组 4 位共阳极的数码管作为显示器件的篮球比赛计分屏，计分准确，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。1 系统方案我们小组共提出了两种数码管显示方案：一是共阳极数码管
5、静态显示，二是共阳极数码管动态显示。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极接地，当某一字段发光二极管的阳极为低电平时，相应字段就点亮。反之，相应字段就不亮。共阳极数码管静态显示：静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，即各个 LED 的显示字符一经确定，相应的段码将维持输出不变，直到送入另一个字符的段码为止。正因为如此，静态显示器的亮度都比较高。静态显示的程序设计，是将一个两位数的个位与十位分开，并且用查表指令，输出对应位的表格代码。共阳极数码管动态显示：动态显示，是数码管有一个 I/O 口控制 LED 片的多段复用，共阳极分别由相应的
6、 I/O 口线控制，形成各片的分时选通。若要各位数码管能够同时显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，让某一位的位选线处于选通状态，而且其他各位的位选线处于关闭状态，这样在同一时刻，两个数码管只有选通的那一位显示字符，而另一个是灭着的。同样，在下一时刻，只让第二个的位选线处于选通状态，另一位选线关闭，如此循环下去，就可以使两位数码管显示出所要显示的字符。虽然这些字符不是在同一时刻出现，但由于 LED 片灯的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，就可以造成两位同时亮的假象，达到同时显示的效果。设计基本与静态设计相同，不同之处是在多了位选信号。在程序设计中在每
7、次输出字符时，都要给相应的那位进行置位，另一位复位，确保每次只有一个数码管亮。数码管静态显示需要静态驱动：静态驱动也称直流驱动，静态驱动是指每个数码管的每一个段码都有一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用 BCD 码二/十进位转换器进行驱动，静态驱动的优点是编程简单，数据稳定，显示亮度高，无闪烁，占用 CPU 时间少，缺点是功耗比较大，占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840 个 I/O 端口来驱动，而一个89S52 单片机可用的 I/O 端口才 32 个。故实际应用时必须增加位驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。数码管动态显示需要动态驱动：动态驱动是将所数
8、码管的 8 个显示片段的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 端增加位选通控制电路，位选通有各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字型码时，所有数码管都接受到相同的字型码，将需要显示的数码管的选通 COM 端电路的控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮，通过分时轮流控制各个LED 数码管的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功能更低、硬件电路也较静态显示简单。经方案对比和考虑设计要求和器件的限制，我组的课程设计采用的是共阳极数码管的动态显示。2 系统硬件电路该系统硬件电路包括：
9、单片机 AT89C51、时钟电路、复位电路、电源电路、按键控制电路、计分电路、计时电路、报警电路。软件包括用 Keil 进行 C 语言编程，用 Protues 进行仿真，具体系统硬件结构框图如图 2-1 所示。图 2-1 篮球赛计分器的硬件结构框图（一）元器件的选择本设计主要选择了以下元器件：如表 2-2 所示：时钟电路复位电路电源电路按键控制AT89C51报警电路计时电路计分电路计分显示鸣笛示警计时显示元器件名称 所属类 所属子类AT89C51(单片机 ) Microprocessor ICs 8051 Family7SEG-MPX4-CA-BKUE Optoelectrionics 7-S
10、egment-Display7SEG-MPX4-CA Optoelectrionics 7-Segment-DisplaySW-SPDT Switchs&Relays Miscellaneous74LS247 TTL 74LSseries AllSub-CategoriesMINRES4.7K(电阻 4.7K) Resistors AllSubBUTTON All-Categories AllSub-Categories7404 TTL 74LSseries AllSub-CategoriesSOUNDER Speakers&sounders AllSub-Categories表 2-2 元器
11、件列表（二）单片机 AT89C51 简介：AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C51 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很
12、多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 2-3 所示图 2-3 AT89C51 外形及引脚排列主要特性：与 MCS-51 兼容4K 字节可编程 FLASH 存储器寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口的 8 位皆为漏极开路输出简称 OD；内部无上拉电阻，所以执行输出功能时，外部必须接上拉电阻；若要实现输入功能
13、，必须先输入高电平“1” ，才能读取该端口所连接的外部数据；若系统连接外部存储器，则 P0 可作为地址总线和数据总线的多功能引脚，此时内部具有上拉电阻，无需外接上拉电阻。P1 口：P1 口为 8 位，可位寻址的双向 I/O 口；内部具备约 30 千欧姆的上拉电阻，实现输出功能时，不需要连接外部上拉电阻；实现输入功能时，必须先输入高电平“1” ，才能读取该端口所连接的外部数据；P1 口的 8 位类似漏极开路输出，但内部已接上上拉电阻，每个引脚可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P2 口：P2 口为 8 位、可位寻址的双向输入/输出口，内部具备约 30 千欧姆的上拉电阻，实现输出功能时，不需要
14、连接外部上拉电阻；实现输入功能时，必须先输入高电平“1” ，才能读取该端口所连接的外部数据；P2 口的 8 位类似漏极开路输出，但内部已接上上拉电阻，每个引脚可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载；若系统连接外部存储器，而外部存储器的地址线超过了 8 根时，则P2 可作为地址总线（A8-A15）的引脚。P3 口：P3 口为 8 位，可位寻址的双向 I/O 口；内部具备约 30 千欧姆的上拉电阻，实现输出功能时，不需要连接外部上拉电阻；实现输入功能时，必须先输入高电平“1” ，才能读取该端口所连接的外部数据；P3 口的 8 位类似漏极开路输出，但内部已接上上拉电阻，每个引脚可驱动 4 个 LS
15、型 TTL 负载。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 2-4 所示：I/O 口 备选功能/特殊功能P3.0/RXD 串行输入口P3.1/TXD 串行输出口P3.2/INTO 外部中断 0P3.3/INT1 外部中断 1P3.4/T0 计时器 0 外部输入P3.5/T1 计时器 1 外部输入P3.6/WR 外部数据存储器写选通P3.7/RD 外部数据存储器读选通表 2-4 AT89C51 的一些特殊功能口RST：复位信号。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间，用以完成单片机的复位初始化操作。ALE/ ：地址锁存控制信号。在系统扩展，访问外部存储器
16、时，ALE 用于控制把 P0 口输PROG出的低 8 位的地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于 ALE 是以晶振 1/6 的固定频率输出脉冲，因此可作为外部时钟或者外部定时脉冲使用。ALE 只有在执行 MOVX，MOVC指令时，ALE 才起作用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部 ROM 时， 有效（低电平有效） ，以实现外PSEN PSEN部 ROM 的读操作。在具体应用时，外部 ROM 读取时，在每个机器周期会动作两次，外部 RAM 读取时，两个 信号被跳过不会输出。PSEN/VPP：访问程序存储控制信号。当信号保持低电平时，对 ROM 的读操作仅仅限定在外部EA程序存储
17、器，当信号为高电平或者悬空时，对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（三）晶振电路设计： GNDCX12TAL图 2-5 晶振电路图晶振，就象是单片机的核心部件，提供时钟激励，保证单片机内部和外部电路的时序逻辑电路协调动作。（四）复位电路的设计： VK0SW-PB6R58图 2-6 复位电路图复位一般可用上电复位、按键复位两种方式完成，我们采用按键复位，根据元器件的要求时间常数，可以选定电容和电阻的规格。（五）按键控制模块键盘往往分成编码键盘和非编码键盘，编码键盘由按键和键
18、处理电路组成，直接为计算机提供经过编码的按键键码；而非编码键盘则只提供按键，其余由计算机自己处理。非编码键盘结构简单，可自由裁量设计，非常适用于单片应用系统。1.按键特性与抖动处理按键是一种机械弹性开关，当键按下时闭合，松开时断开。因为有机械的接触，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。为了避免键输入错误，必须进行键抖动的处理。去抖动由硬件和软件两种方法：硬件方法就是在键盘中附加去抖动电路消除抖动；而软件方法则是采用时间延迟以躲避抖动，待触点状方法处理。2.键盘接口及功能非编码键盘是所用按键组成的集合。为了保证键盘的正确输入，键接口必备以下功能：（1）键扫描与识别，判断有无键按下以及按键位置，
19、键扫描与识别是通过“行扫描”与“列状态”的配合来确定是否有键按下以及所在行、列的位置。所谓行扫描就是一次给每条行线送低电平，而其余各行线送高电平，并检测对每一行扫描时所产生的列状态。键盘扫描有下列三种方式：程控扫描方式：只有单片机空闲时才调用扫描程序响应用户键入请求。定时扫描方式：单片机定时调用扫描程序对键盘进行扫描，即时响应用户键入请求。中断扫描方式：与中断请求电路配合，当有键按下时产生中断请求，由单片机响应并执行中断服务程序扫描键盘。（2）去键抖动消除按键抖动带来的误输入。检测键关闭后，延时 10ms 后再检测一次，两次检测相同再进一步进行键处理。（3）键编码生成易于处理的键码。由于键位码比较零乱，因此接下来的工作是根据需要把反映闭合键和键位置的键位码换乘反映键功能的键码。有了键码，才好通过散转指令把程序执行到闭合键所对应的服务程序上去。键码既可以根据键位码查询表求得，也可以根据键码编排规律计算得到。（4）等待键释放为了保证键一次闭合仅进行一次处理，编键码之后，再以延时扫描的方法等待键释放。键释放后键处理工作完成。本系统设计除复位按键外共配置了 8 个独立键盘来实现系统功能的控制。8 个按键分别为 KEY1（A 队加一键）连接到 P3.0，KEY2（A 队减一键）连接到 P3.1，KEY3（B 队加一键）连
