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篮球比赛计时器设计
篮球比赛计时器设计
本文主要介绍:
篮球比赛计时器。
本文首先介绍单片机的相关知识,对单片机进行相应的研究,并将其与74HC595串行显示电路配合使用。
本电路主要核心是AT89S51,利用软件和硬件的结合实现开机自动置节计数器为第一节,节计时器为12分00秒,24秒违例为24秒。
用数字显示篮球比赛当时节数,每节时间及24秒的倒计时,采用单片机串行显示。
最后,本文会详细叙述此电路的安装与调试,并对调试过程中出现的问题做简要说明。
第1章绪论
1.1课题背景
在电子技术飞速发展的今天,电子产品的人性化和智能化已经非常成熟,其发展前景仍然不可估量。
如今的人们需求的是一种能给自己带来方便的电子产品,当然最好是人性化和智能化的,如何能做到智能化呢?
单片机的引入就是一个很好的例子。
单片机又称单片微型计算机,也称为微控制器,是微型计算机的一个重要分支,单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片,是集CPU,RAM,ROM,I/O接口和中断系统于同一硅片上的器件。
单片机的诞生标志着计算机正式形成了通过计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。
目前单片机已渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
在我们身边,由单片机作为主控制器的全自动洗衣机、高档电风扇、电子厨具、变频空调、遥控彩电、录像机、VCD/DVD机、组合音响、电子琴等。
单片机已在广阔的计算机应用领域中表现得淋漓尽致,出尽了风头。
从家用消费类电器到复印机、打印机、扫描仪、传真机等办公自动化产品;从智能仪表、工业测控装置到CT、MRI、γ刀等医疗设备;从数码相机、摄录一体机到航天技术、导航设备、现代军事装备;从形形色色的电子货币如电话卡、水电气卡到身份识别卡、门禁控制卡、档案管理卡及相关读/写卡机等等都有单片机在里面扮演重要角色。
因此,单片机已成为电子类工作者必须掌握的专业技术之一。
单片机就是一个微型中央处理器,通过编程即能完成很多智能化的工作,因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。
随着人们生活水平的提高,社会经济的发展,人们开始考虑精神生活的享受,并开始注重身体素质的提高。
开始举办一些小型的篮球比赛。
这就需要裁判有一个公正的判罚,以保证比赛的顺利进行。
这就需要有一个专门计时的工具。
所以我就设计了一个篮球比赛计时器。
设计简单,耗费少,容易制作。
可用于街头篮球比赛和校园篮球比赛。
花很少的钱就可以得到一个实用的篮球比赛计时器。
本次设计注重对单片机工作原理以及键盘控制及显示原理的理解,以便今后自己在单片机领域的学习和开发打下基础,提高自己的动手能力和设计能力,培养创新能力,丰富自己的理论知识,做到理论和实践相结合。
本次设计的重要意义还在于对单片机的内部结构和工作状态做更进一步的了解,同时还对单片机的接口技术,中断技术,存储方式和控制方式作更深层次的了解。
此次设计更进一步了解基本电路的设计流程,提高自己的设计理念,丰富自己的理论知识,巩固所学知识,使自己的动手动脑能力有更进一步提高,为自己今后的学习和工作打好基础,为自己的专业技能打好基础。
1.2设计简介
篮球比赛中除了有总时间倒计时外,为了加快比赛的节奏,新的规则还要求进攻方在24秒内有一次投篮动作,否则视为违例。
根据要求,以AT89S52单片机为核心,设计篮球比赛计时控制器。
篮球比赛上下半场四节制,每节12分钟,要求能随时暂停,启动后继续计时,一节比赛结束后可清零。
按篮球比赛规则,进攻方有24秒为例计时。
“分”“秒”显示用LED数码管。
用开关控制计时器的启动/暂停。
该篮球比赛计时器的设计,可对比赛总时间和各方每次控球时间计时。
该计时器采用按键操作、LED显示,非常实用。
此计时器在程序参数稍加修改后也可作为其他球类比赛的计时器。
主控芯片为AT89S52,采用12MHz晶振,P0.0-P0.7作键盘输入。
A1为12分钟暂停键;A2为启动12分钟计时键,,24秒计时开始;A3为24S复位开启键(投篮或交换控球时按下此键);A4为24秒计时停止键(没有违例);A5为总计时和24秒计时同时启动键;A6为总计时和24S计时同时停止键。
电路采用静态显示,一起点亮各位数码管,同时显示不同的字符。
点亮各位数码管锁存输出。
显示器的第一位显示计时节数,3至6位显示计时的分,最后2位显示24秒。
用T0定时器中断进行24秒处理,12分钟计时用T1定时器中断计时。
同时电路通过键盘扫描,根据键值转相应键处理。
第2章系统电路的设计方案
2.1系统设计方案的提出
本设计是基于89S52单片机的键盘控制及显示电路设计,从系统的设计功能上看,系统可分为两大部分,即键盘输入控制部分和显示部分,对于每一个部分都有不同的设计方案,起初我拟订了下面两种方案:
第一种方案:
键盘控制采用矩阵扫描键盘,可以用普通按键构成4×4矩阵键盘,直接接到89S52单片机的P0口,高四位作为行,低四位作为列,通过软件完成键盘的扫描和定位。
显示部分采用动态显示,采用移位寄存器74LS164和译码器74LS138通过显示驱动程序驱动七段数码管显示。
此方案成本低,所用到的两个外围芯片价格都很低廉,而且单片机的I/O口占用较少,可以节约单片机接口资源。
第二种方案:
键盘控制采用独立是式键盘,每个按键的“接零端”均接地,每个按键的“测试端”各接一条输入线,通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个键被按下了,这种方法操作速度高而且软件结构很简单。
这种方法比较适合按键较少或操作速度较高的场合。
显示部分采用静态显示方法,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接口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,使用这种方法单片机中CPU的开销小。
2.2方案的确定
本设计要求按键较多,且本次设计只是对所学知识的一次实践,设计要求简单,容易实现,成本低。
比较以上两中设计方案,第二种成本低,占用单片机资源少,且容易实现,这样的设计比较适合本次设计,故选用第二种设计方案。
2.3本章小结
本章主对所选方案进行比较,并最终确定选用那种方案。
第3章电路设计原理及芯片介绍
3.1键盘控制及显示电路设计的原理及要求
3.1.1电路的设计原理与功能要求
本设计采用AT89S52单片机芯片作为中央处理芯片,采用AT89S52的P0口构成独立8键键盘,采用AT89S52串行口静态显示,选用74HC595作为LED驱动芯片。
本电路设计有以下功能及要求:
(1)篮球比赛计时器全场时间为48分钟,共四节,每节12分钟和24秒违例。
要求开机自动置节计数器为第一节,节计时器为12分00秒,24秒违例为24秒。
(2)用数字显示篮球比赛当时节数,每节时间及24秒的倒计时,采用单片机串行显示。
(3)能随时用按纽开关控制比赛的启动/暂停,启动后开始比赛,暂停期间不计时,重新启动后继续计时。
3.1.2电路的总设计框图
根据设计任务与要求,可初步将系统分为五大功能模块:
主电路、开关启/停控制电路、显示电路、音响电路和+5V稳压电源。
进一步细说,主电路选用89S52作为中央处理器;开关启/停控制电路由八个按键组成;显示电路由八位七段数码管和74HC595组成;音响电路用ULN2003驱动蜂鸣器;+5V稳压电路采用7805稳压块把电源电压稳定在+5V。
原理框图如图3-1所示。
图3-1篮球比赛计时器的原理框图
3.2总电路选用芯片简介
3.2.1控制芯片AT89S52
AT89S52功能特性描述:
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52引脚结构:
图3-2AT89S52的PDIP封装图3-3AT89S52的PLCC封装
主要特性:
(1)与MCS-51单片机产品兼容;
(2)8K字节在系统可编程Flash存储器;
(3)1000次擦写周期;
(4)全静态操作:
0Hz~33Hz;
(5)三级加密程序存储器;
(6)32个可编程I/O口线;
(7)三个16位定时器/计数器;
(8)八个中断源;
(9)全双工UART串行通道;
(10)低功耗空闲和掉电模式;
(11)掉电后中断可唤醒;
(12)看门狗定时器;
(13)双数据指针;
.(14)掉电标识符.
管脚说明:
VCC:
电源;
GND:
接地;
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。
表3-1部分引脚第二功能
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
表3-2P3口引脚第二功能
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写‘1’且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
时钟电路:
AT89S52片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路,XTALl和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
如图3.4所示:
a)内时钟方式b)外时钟方式
3-4时钟电路图
内部方式时钟电路如图3-4a)所示。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体可以在1.2MHZ到12MHZ之间选择,电容值在5~30PF之间选择,电容的大小可起频率微调作用。
外部方式的时钟电路如图3-4b)所示,XTALl接地;XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHZ的方波信号。
时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟信号从和地供单片机使用。
P1在每一个状态S的前半部分有效。
P2在每个状态的后半部分有效。
复位和复位电路:
AT89S52单片机的复位电路如图3.5所示。
在RESET(图中表示为RST)输入端出现高电平时实现复位和初始化。
在振荡器运行的情况下,要实现复位操作,必须使RST引脚至少保持两个机器周期(24个振荡器周期)高电平。
CPU在第二个机器周期内执行内部复位操作、以后每一个机器周期重复一次,直至RST端电平变低。
复位期间不产生ALE及PSEN信号。
a)上电复位b)开关复位
3-5复位电路图
3.2.274HC595
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SCHcp的上升沿输入,在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7’),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。
(1)引脚结构图
图3-674HC595引脚图
(2)引脚说明
74595的数据端:
QA--QH:
八位并行输出端,可以直接控制数码管的8个段。
QH':
级联输出端。
我将它接下一个595的SI端。
SI:
串行数据输入端。
74595的控制端说明:
/SCLR(10脚):
低点平时将移位寄存器的数据清零。
通常我将它接Vcc。
SCK(11脚):
上升沿时数据寄存器的数据移位。
QA-->QB-->QC-->...-->QH;下降沿移位寄存器数据不变。
(脉冲宽度:
5V时,大于几十纳秒就行了。
我通常都选微秒级)
RCK(12脚):
上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器,下降沿时存储寄存器数据不变。
通常我将RCK置为低电平,当移位结束后,在RCK端产生一个正脉冲(5V时,大于几十纳秒就行了。
我通常都选微秒级),更新显示数据。
/G(13脚):
高电平时禁止输出(高阻态)。
如果单片机的引脚不紧张,用一个引脚控制它,可以方便地产生闪烁和熄灭效果。
比通过数据端移位控制要省时省力。
注:
74164和74595功能相仿,都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。
74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装,体积也小一些。
74595的主要优点是具有数据存储寄存器,在移位的过程中,输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处,数码管没有闪烁感。
与164只有数据清零端相比,595还多有输出端时能/禁止控制端,可以使输出为高阻态。
3.3LED显示原理介绍
本设计选用价格低廉的发光二极管LED显示器作为显示部分的显示器件,下面介绍LED显示器的工作原理。
(1)LDE发光二极管的发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。
此外,在一定条件下,它还具有发光特性。
在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图3-7所示。
图3.7发光二极管发光原理
假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。
若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。
(2)LED数码显示器的结构
LED是用发光二极管显示字段的显示器件,也可称为数码管,其外形如下图3.6所示。
图3.8数码管结构图
它由8个发光二极管构成,通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“.”。
数码管的外形结构如图3.9所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。
由图3.9可见,它有8个发光二极管阳极连在一起作为公共端;而共阴极是将8个发光二极管阴极连在一起作为公共端。
本设计采用的是共阳极的。
数码管的公共端相当于一个总开关,一般称为码位开关,当它低电平的时候数码管全灭;当它为高电平时,根据发光二极管阳极的状态(一般成为段码或字型码),低电平该段亮,高电平不亮。
输出一个段码就可以控制LED显示器的字型。
表3.5给出了段码与字型的关系,假定a,b,c,d,e,f,dp分别对应D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7。
(3)LED数码显示器的接口方法
LED显示器的接口常分为动态扫描方式和静态显示方式。
表3.5段码与字形码的关系
字形
D7
dp
D6
g
D5
f
D4
e
D3
d
D2
c
D1
b
D0
a
段码
0
1
1
0
0
0
0
0
0
03H
1
1
1
1
1
1
0
0
1
9FH
2
1
0
1
0
0
1
0
0
45H
3
1
0
1
1
0
0
0
0
0DH
4
1
0
0
1
1
0
0
1
99H
5
1
0
0
1
0
0
1
0
29H
6
1
0
0
0
0
0
1
0
21H
7
1
1
1
1
1
0
0
0
1FH
8
1
0
0
0
0
0
0
0
01H
9
1
0
0
1
0
0
0
0
09H
A
1
0
0
0
1
0
0
0
11H
B
1
0
0
0
0
0
1
0
41H
C
1
1
0
0
0
1
1
0
63H
D
1
0
1
0
0
0
0
1
85H
E
1
0
0
0
0
1
1
0
61H
F
1
0
0
0
1
1
1
0
71H
静态显示是指数码管显示某一字符时,相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。
这种显示方式的各位数码管相互独立,公共端恒定接地(共阴极)或接正电源(共阳极)。
每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连,I/O口只要有段码输出,相应字符即显示出来,并保持不变,直到I/O口输出新的段码。
采用静态显示方式,较小的电流即可获得较高的亮度,且占用CPU时间少,编程简单,显示便于监测和控制,但其占用的口线多,硬件电路复杂,成本高,只适合于显示位数较少的场合。
动态扫描显示方式:
其工作原理是将多个显示器的段码同名端连在一起,位码分别控制,利用眼睛的余辉暂留效应,分别进行显示。
只要保证一定的显示频率,看起来的效果和一直显示是一样的,但在电路上却简化了很多,降低了成本。
比如要做四位LED显示,静态显示方式则需要4块74LS164作为静态显示接口,如用动态扫描显示则只需一块即可。
通常也用8155芯片作为动态扫描显示接口的扩展,扩展电路在此就不做叙述了,本设计采用的是串行口动态扫描方式。
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管,这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。
通常,各位数码管的段选线相应并联在一起,由一个8位的I/O口控制;各位的位选线(公共阴极或阳极)由另外的I/O口线控制。
动态方式显示时,各数码管分时轮流选通,要使其稳定显示,必须采用扫描方式,即在某一时刻只选通一位数码管,并送出相应的段码,在另一时刻选通另一位数码管,并送出相应的段码。
依此规律循环,即可使各位数码管显示将要显示的字符。
虽然这些字符是在不同的时刻分别显示,但由于人眼存在视觉暂留效应,只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。
3.4键盘控制原理介绍
3.4.1键盘的工作原理
(1)键盘的分类
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