篮球赛计时计分器的设计Word文件下载.docx
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Basketballtimescoringdevice;
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1引言
1.1课题背景
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应运而生,如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器,用单片机控制LED七段显示器计时计分器等。
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。
它由计时器、计分器等多种电子设备组成。
1.2立题的目的及意义
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。
以单片机为核心的篮球比赛计分器,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。
除了上述特点外,单片机在功能性,集成度,通用性方面也非常良好,基于这些优势,使得单片机得到了广泛的应用,现在在新电子产品和测量控制应用系统中作为非常重要的部件来来应用,社会中的各个机电行业,相关的测控类的企业,各大电气厂商纷纷将单片机作为核心部件,用来进行产品更新,实现产品的数字化和智能化。
本次篮球赛计时计分器的设计便是基于单片机的计时计分系统,它由计时器,计分器,综合控制器和报警器等组成。
1.3国内外的研究现状及发展趋势
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。
不同的运动项目,有着不同的比赛规则,体育比赛的计时计分系统分多种类型,包括测量类、评分类、命中类、制胜类和得分类等。
作为一种得分类型的计时计分设备,篮球赛比赛的胜负取决于规定时间内两队之间的比分多少。
篮球赛计时计分器通过计时器,积分器等电子设备来展示比赛数据。
随着运动员技术的不断提高,篮球赛的技术水平也要求越来越高,要求这个系统不光能实现计时计分功能,还要能连接现场的大屏幕,场外的电视转播车等等多个设备,要能随时对现场的比赛成绩进行处理,以给观众带来激烈的比赛场面和娱乐体验。
单片机是微型计算机[1]发展的一个重要分支,它以其独特的结构和性能,越来越普遍地应用[6]的到国民经济建设的各个领域,而且采用AT89S51单片机设计[3],能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔软化方向发展,是检测、处理、控制等功能一体化,重量大大减轻,便于携带和使用,具有很高的性价比。
1.4本系统主要研究内容
本系统主要完成的任务:
篮球比赛上下半场各20分钟,要求能随时暂停,启动后继续计时,一场比赛结束后应可清零重新开始比赛。
计时器由分、秒计数器完成,秒计数器为模60,分计数器应能计至40分钟。
设计内容包括计时器、计分器、到时报警、比分显示等部分,可以使参加比赛的成员、裁判和观众一目了然的看到所有参加者的成绩,以最快的速度评出结果。
2系统总体设计
2.1系统总体设计方案
1、能记录整个赛程的比赛时间,并能修改时间,暂停比赛时间。
2、能随时刷新甲、乙两队在整个赛程中的比分。
3、场中交换比赛场地时,能交换甲、乙两队比分的位置。
4、比赛时间结束时,能发出报警指令。
计时显示
复位
赛程比分
调整键盘
晶振
赛程时间
设置键盘
图2.1系统构成图
2.2系统基本功能介绍
1、一个四位一体数码管显示比赛时间,时间格式如:
15:
00,两个三位一体数码管显示甲乙两对的比分,比分格式如:
008。
2、比赛时间采用倒计时方式,以一秒的频率减时,上电时默认初值为15:
00,在没有开始比赛时,可以修改时间,比赛开始后不能修改。
3、甲乙队比分采用三位数,上电初值为000,最大值为999,满足常理要求,未开始比赛以及比赛结束后比分无法加减。
4、比赛未开始之前,可以通过ADD1、DEC1键对比较时间的分钟进调时,通过ADD2、DEC2键对比较时间的秒进行调时。
5、可随时暂停/启动比赛时间。
6、比赛进行时,可以通过ADD1、DEC1键对甲队比分加、减,可以通过ADD2、DEC2对乙队比分加、减。
每按一次键,加/减1分。
7、当一节比赛完后,可以通过(EXCHANGE)换场键换场,换场后,比分交换显示,交换后,下一节比赛开始时,相应的比分加减键也随之交换。
8、当比赛结束时,发出报警。
图2.2按键定义图
如图2.2示:
键盘对应名称如下:
ADD1,DEC1,EXCHANGE,ADD2,DEC2,RUN/STO
其中,
ADD1为甲队比分加1键,(比赛开始前为调整时间加1)
DEC1为甲队比分减1键,(比赛开始前为调整时间减1)
EXCHANGE为换场键,一节比赛结束后才可换场。
ADD2为乙队比分加1键,(比赛开始前为调整时间加1)
DEC2为乙队比分减1键,(比赛开始前为调整时间减1)
RUN/STOP为启动暂停键,比赛开始前按下启动计时,比赛开始,比赛开始后,按下为暂停计时,比赛暂停。
3系统硬件电路设计
3.1篮球计时计分器电路原理图
图3.1篮球计时计分器电路原理图
3.2篮球计时计分器电路工作过程
1.调整比赛时间:
插上电源后,系列默认比赛时间为15:
00,甲乙队比分默认000,此时按下ADD1键,可以对比赛时间分钟加1,按下DEC1键,可以对比赛时间的分钟减1,按下ADD2键,可以对比赛时间秒加1,按下DEC2键,可以对比赛时间秒减1。
2.启动比赛:
按下RUN/STOP键,计时开始,比赛时间以1秒的频率倒计时。
3.暂停比赛:
比赛运行的状态下,按RUN/STOP键,比赛暂停,计时暂停。
4.比分加减,在比赛进行的状态下按ADD1,DEC1键,可以对甲队比分加、减1,按ADD2、DEC2键,可以对乙队比分加、减1.
5.交换场地:
在一节比赛时间结束后,按下EXCHANGE键,比赛时间重新预置为15:
00,同时左右两边数码管的比分交换显示。
此时按下启动键可以开始新一节的比赛。
6.报警提示:
在一节比赛时间倒计时到00:
00时,蜂鸣器发出报警提示。
3.3系统硬件电路组成
3.3.1计时电路
1.显示器及其接口
作为最常用的输出设备,显示器种类繁多,发光二极管显示器(LED)和液晶显示器(LCD)是在单片机系统设计[4]中最常用的两种类型。
这两种显示器之所以得到广泛的应用,是由于其结构简单,价格便宜,并且接口也容易实现。
下面介绍发光二极管显示器(LED)的结构、工作原理及其接口电路。
(1)LED结构与原理
图3.2为典型的数码管。
图3.27段LED数码管
如图3.2LED显示器又称为数码管,主要由8个发光二极管组成。
其中7段发光管排列成“日”字形,在显示器的右下角有一个点形的发光管用来显示小数点,这样它可以显示每个数字和一些英文字母,。
LED显示器有两种不同的形式:
一种是共阳极LED显示器,另一种是共阴极LED显示器,前者8个发光二极管的阳极都连在一起的,而后者8个发光二极管的阴极都连在一起。
(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,采用的是动态显示。
所谓静态显示,单独的具有锁存功能的I/O接口被每一个显示器单独占用来实现笔划段字形代码。
这样需要显示的字形代码只要被单片机单独发送到接口电路,就可以了,要显示新的数据时,接着发送新的字形码即可,所以,使用这种方法单片机中CPU的资源占有率比较小。
这种电路的优点在于:
不同的字符可以在同一时间来显示;
但缺点就是端口资源占用较多。
从图3.2以看出,每位LED显示器上8根端口线需要被单独占用,因而,当数据量多的时候,这种设计往往不被采用,而是利用动态的显示方式。
本设计采用的便是此种显示方式。
图3.3静态显示图
由于所有的段选码连在一起,所以同一瞬间只能显示同一种字符。
但如果要显示不同字符,则要由位选码来控制。
(如果LED为共阴极则P2.0~~P2.3输出为高电平,如果LED为共阳极则P2.0~~P2.3输出为低电平。
)
2.报警器
(1)报警器的工作原理
一般常见的报警器种类比较多,包括扬声器,蜂鸣器等,本次设计所采用报警器为电磁式蜂鸣器。
这种蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、震动膜片以及外壳等部分组成。
当电源接通以后,音频信号由振荡器产生并通过电磁线圈,让电磁线圈周围形成一个磁场。
在电磁线圈和磁铁的相互作用下,振动膜片发出周期性的振动声。
3.计时电路的工作原理图
图3.4计时电路原理图
4.计时电路的工作原理
计时电路主要由开关K6、K7,单片机STC89C51以及LED显示器构成。
其工作过程如下:
当比赛准备开始的时候,按下K6即可,计时开始,计时采用倒计时,例如:
设置初始化的时间为15分钟,则LED数码管上会显示“1500”四位数。
当定时T0计数60秒后中断返回,继续定时计数下一个60秒;
4位LED显示器上显示出“1459”四位数,表示比赛时间经过了1秒钟,即为14分59秒。
这样一直持续下去,直到计时显示为“0000”时表明赛程结束。
如果比赛中被叫暂停,则只需要按下K7键,赛程计时暂停。
5.振荡电路
本次设计要使用到STC89C51单片机的时钟振荡功能。
STC89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一同构成自激振荡器。
振荡电路如图3.5所示。
如图3.5,外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1,C2接在放大器的反馈电路中构成并联谐振电路。
谐振器本身对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度以及温度的稳定性,如果使用石英晶体,使用30pF。
图3.5时钟振荡电路
3.3.2计分电路
本次设计使用的是石英晶体谐振器,因此采用30pF的电容,频率大小采用的是12MHZ晶振。
1.计分电路
8051系列单片机包括4个8位并行口和一个全双工串行通信口。
串口通信可以同时进行串行发送和接收,还能作为同步移位寄存器使用。
正是利用了8051单片机串行口可以外接串行输入并行输出移位寄存作为输出口,球赛计分电路才能实现球赛双方比分的刷新显示。
2.计分电路原理图
计分电路原理图如图3.6所示。
图3.6计分电路原理图
3.计分电路的工作原理
计分电路主要由单片机STC89C51,LED显示器以及按键开关组成。
按键开关K2、K3、K5、K6组成甲、乙两队加减分控制。
按键一端接地,另一端输入与单片机STC89C51的P3.5,P3.4,P0.2,P0.1。
例如:
现在先在以甲队加分为例,来说明整个过程。
假设比赛刚开始,双方比分为000:
000,当某一时刻之后,当甲队加分时,则按下K2键,这时K2=0(低电平),其余K3K5K6=111(为高电平)K2K3K5K6相与后为低电平,这时的低电平输出到STC89C51的P3.2脚,使外部中断INT0[7]发生中断,从而调用中断服务程序,从程序中定义的LED显示常数表TAB中取出要显示的数据06H(因为LED显示常数表TAB的偏移地址为36H,36H首先是指向LED显示常数表TAB中第一个数据3FH的,当K5按下时,相当于将33H地址加1,这时便指向第二数据06H,即对应字母代码关系表中的加1)。
3.4STC89C51芯片介绍
STC89C51是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的Flash[9]只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件的生产均采用高密度、非易失性存储技术,标准MCS-51指令系统可以得到兼容,STC89C51内置了功能强大的微型计算机,可以提供高性价比的解决方案。
为适应不同产品的需求,STC89C51具备PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式[10],作为一个低功耗高性能单片机,它有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,STC89C51可以在线编程,也可以通过一般的方法进行编程。
结合通用的微处理器和Flash存储器,尤其是可反复擦写的Flash存储器使开发成本得到有效的降低。
3.4.1管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
如图3.7所示,图3.7为STC89C51单片机基本构造,其基本性能介绍如下:
图3.7STC89C51引脚图
STC89C51的主要特性如下表3.1所示。
下面介绍各个管脚:
P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每个引脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
当1被写入P1口管脚后,内部将其上拉为高,可以用来输入,外部将P1口下拉为低电平时,由于内部上拉的缘故,将输出电流。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容,P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
表3.1STC89C51主要功能描述
功能
描述
兼容MCS—51指令系统
4k可反复擦写(>
1000次)FlashROM
32个双向I/O口
可编程UARL通道
两个16位可编程定时/计数器
全静态操作0-24MHz
1个串行中断
128x8bit内部RAM
两个外部中断源
共6个中断源
可直接驱动LED
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
P3口:
P3口管脚是8个带有内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当“1”被写入P3口后,内部会将P3口上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平。
P3口将输出电流。
P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口,如表3.2所示。
P3口同时为闪烁编程[20]和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当器件被振荡器复位时,RST脚两个机器周期的高电平时间要保持。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
表3.2STC89C51特殊功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外部中断0)
P3.3
/INT1(外部中断1)
P3.4
T0(记时器0外部输入)
P3.5
T1(记时器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)
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
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。
4系统仿真
4.1仿真工具的介绍
4.1.1Proteus软件介绍
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。
它不仅涵盖了其它EDA工具软件的仿真功能,单片机及外围器件也可以。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然这款软件在国内刚刚被推广,但对于从事单片机教学的教师、单片机爱好者、致力于单片机开发应用的科技工作者,早已青睐已久。
它是一个一体化的系统设计和仿真平台,集成了模拟电路、数字电路、模数混合电路以及多种微控制器系统。
它真正的实现了从概念到产品的全套设计,从原理布图、代码调试[11]一直到单片机和外围电路的协同仿真,到一键切换到PCB[8]的设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三者结合为一体的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续添加其它系列的处理器模型。
在编译这方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器的使用。
功能特点:
Proteus软件具有其它EDA工具软件(例:
multisim)的功能。
这些功能是:
原理布图;
PCB自动或人工布线;
SPICE电路仿真。
革命性的特点1.电路仿真的互动性让用户甚至可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件。
2.仿真处理器及其外围电路,51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机均可以被仿真。
在基于原理图的虚拟原型上它可以直接编程,再配合显示器输出,运行后输入输出的效果得到展示。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等,完备的电子设计开发环境已经在Proteus上得到建立。
功能模块:
丰富的器件库:
多达27000种元器件以上,创建新元件非常简便;
智能的器件搜索:
通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件;
智能化的连线功能:
自动连线功能使连接导线简单快捷,绘图时间得到了大大缩短;
支持总线结构:
电路设计使用总线器件和总线布线使其变得简明清晰;
可输出高质量图纸:
通过个性化设置,印刷质量的BMP图纸可以被生成,也可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。
电路仿真:
在PROTEUS绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码文件:
*.HEX,可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
针对单片机课堂教学,PROTEUS作为智能助手。
许多单片机实例功能不仅可以变得形象化,许多单片机上运行的实例过程也变得形象化。
在实物演示实验的效果上,一定程度上前者比后者更能达到效果。
它的元器件、连接线路和传统的单片机实验硬件之间实现了高度的对应。
使得传统的单片机实验教学的功能在相当程度上被替代,例:
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
实践证明,通过Proteus进行系统仿真开发[5]好后再进行实际制作,使单片机系统设计的效率得到极大提高。
因此,Proteus有较高的推广利用价值。
目前Proteus的最新版为7.9,ARMcortex处理器被增加,在7.9中已经增加DSP系列(TMS320)。
4.1.2Keil软件介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,相比于汇编语言,C语言不论在学习还是应用上都非常容易,它在功能上、结构性、可读性、可维护性上有着明显的优势。
Keil提供了完整的开发方案,它高度集成了C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器,让这些部分在一个集成开发环境(
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