山东大学测控技术与仪器课程设计

篮球赛电子计时记分牌是根据篮球比赛特点设计的独立的信息采集、分配、评判和显示的系统，能实现比赛时间和分数的实时、准确、快捷处理和呈现。本设计原理简单，主要采用 AT89C52 单片机作为微控制器，集合矩阵键盘、数码管和 LED 指示灯，通过键盘控制记分牌的工作状态，通过数码管和 LED 指示灯来反馈信息。本设计在充分考虑了篮球比赛的实际情况基础上设计，具有友好的人机交互接口，并且可以防止人为误操作造成的不良后果，具有一定的实用性。1 设计任务1.1 设计的目的和意义目前球场记分牌在传统操作模式下，采用记分员手动翻动记分牌记分，工作方式单一。由于种种弊端，电子记分板已经开始在一些大型的体育场流行起来，不仅发展速度迅猛并会逐渐取代传统的电子记分牌。电子记分板根据篮球比赛的特点，采用单片机为核心控制 LED 数码管，具有亮度高、可视性好、功耗小、使用寿命长等优点；具有性能稳定，尺寸适中，运输安装方式灵活，物美价廉等特点，特别适用于中、小型体育馆和训练馆。1.2 设计任务与要求设计题目：篮球赛电子计时记分牌设计要求：(1) 分别设计篮球比赛用的计时牌和记分牌；(2) 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；(3) 能按照篮球计分规则计分并显示。2 硬件系统设计2.1 总体方案设计篮球记分器的硬件电路分成主控模块、键盘输入模块、信息提示模块三部分进行设计，系统整体结构如图 1 所示。3*3矩阵键盘AT89C52主控模块 信息提示模块数码管LED蜂鸣器键盘输入模块图1 系统硬件结构图主控模块以 AT89C52 为核心，完成输入输出信息处理、计时器中断响应、数值计算等，协调整个系统有条不紊地工作。键盘输入模块作为人机交互接口，允许用户控制系统的工作状态，完成如计时计分开始/暂停、交换场地、计时计分清零、比赛队伍分数调整等功能。信息提示模块包含 4 个 2 位 8 段数码管、6 个 LED 和一个蜂鸣器，用于实时显示系统工作状态，方便用户进行下一步操作。2.2 芯片选型与具体电路设计2.2.1 单片机的选型主控模块以 AT89C52 单片机作为微控制器。AT89C52 单片机是一种低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。由于它的这些优良特性，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用。采用AT89C52 作为微控制器，可以很好地满足篮球记分器的系统要求。2.2.2 复位和振荡电路的设计图 2 给出了 AT89C52 单片机的引脚分布和最小系统接法。图2 AT89C52 单片机最小系统原理图复位电路可以实现上电复位和按键复位两种复位方式：上电复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“ 电容电压不能突变 ”的性质，可以知道，当系统一上电， RST 脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定。典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位。按键复位电路则是通过按下 RESET 按键拉高 RST 引脚电平来实现的。晶体振荡电路由一个 12MHZ 石英晶振和两个 30pF 的电容组成，用于产生稳定的时钟脉冲信号供单片机工作。2.2.3 键盘输入模块的设计用户通过键盘输入模块对系统进行控制。键盘采用 3*3 矩阵式按键，其中按键“START/PAUSE”控制计时计分的开始与暂停，按键“EXCHANGE”用于在半场结束后交换双方记分牌上的分数，按键“CLEAR”用于在比赛结束后清除比分，其余的按键“A+1”、A+2”、 “A+3”、 “B+1”、 “B+2”、 “B+3”用于给参加比赛的 A、B 两队加上相应的分数。3*3 矩阵按键的 6 条引线分别接至 AT89C52 的 I/O 口 P3_0P3_5，在单片机内部采用行列扫描法检测到按键按下，从而执行相应的任务。矩阵键盘的连接方式如图 3 所示。图3 矩阵键盘的连接方式2.2.4 信息提示模块的设计信息提示模块包含 4 个 2 位 8 段共阴极数码管（图 4） 、6 个 LED 指示灯（图 5）和一个蜂鸣器。4 个数码管分别用两位数字显示比赛分钟、秒钟和赛场上两个篮板的分数。由于单片机 I/O 口资源有限，为了不占用太多的接口，在此使用 P0 口向数码管同时送出数据（段选信号）和地址（位选信号） ，使用两个 74HC573 锁存器来分离数据和地址，而P2_0 和 P2_1 口分别用于使能段选锁存器和位选锁存器。由于 P0 口的电流驱动能力有限，所以外接了排阻 RP1，从而增强了对数码管的驱动能力。图4 数码管连接原理图LED1、LED2、LED3 分别指示比赛状态“开始”、 “暂停” 和“结束”；LED4 用于“进球”指示，在比赛进行时按下任何一个加分按键， “进球 ”指示灯会闪一下；在上半场比赛结束后按下“EXCHANGE”键， “交换场地”指示灯 LED5 会亮，同时两个篮板的比分互换。“ERROR!”指示灯 LED6 用于指示用户的操作出错。6 个 LED 采用共阳极连接方式，其阴极分别接单片机 P1_0P1_5 口，当单片机某口输出低电平时，对应的 LED 亮。图5 LED指示灯连接原理图蜂鸣器接在 P1_6 口上，在半场结束或比赛结束后会发出提示音。2.3 系统总体电路图 6 给出了系统硬件原理总图。图6 系统硬件原理总图2.4 系统所用元器件本系统所用的元器件清单如表1所示。表1 本系统所用的元器件元器件名称 数量电阻 8电容 3单片机 AT89C52 1锁存器 74HC573 2LED 62 位 8 段数码管 4蜂鸣器 1排阻 112M 晶振 1按键开关 105V 电源 1导线 若干3 软件系统设计3.1 软件系统总体设计方案单片机程序采用美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言开发系统Keil C 编写。与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 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等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。Keil 采用工程方式集中管理源程序，编写单片机程序首先要建立工程，然后在工程中添加源代码文件。在本系统的工程中包含 6 个 C 代码文件，对应功能介绍如下：My_func.h 自定义的头文件。存放常用宏定义、单片机 I/O 位定义、数据类型定义和所有函数的声明。在其他 C 文件里只需要写一句#include “my_func.h“，即可直接调用任意函数，省去了重复写定义和声明的麻烦。Main.c 包含主程序 main()，是整个程序执行的入口。在 main()函数里，调用init()进行单片机的初始化，并在大循环里调用 key_respond()和 display()不断扫描按键输入、输出显示数据。同时设置定时器 T0 以工作方式 1 计时，从而在中断服务程序void Timer() interrupt 1 里实现 1s 间隔的倒计时。Key_scan.c 包含按键扫描程序 key_scan()。该函数采用行扫描法获取按键的状态，并将对应的键码传给 Key_respond.c 中的函数 key_respond()。Key_respond.c 包含按键响应函数 key_respond()。该函数里决定是否对按键请求进行响应：如果不响应，则调用宏 LED_ERROR()使“ERROR ！”指示灯闪动；如果响应，则调用相应函数完成不同的操作，如比赛状态的开始和暂停、加分、交换场地和分数清零等。Display.c 包含数码管显示驱动函数 display()。在这个函数里实现比赛分数设置、比分交换、计时控制等，并通过 P0 口送出段选信号，通过 P2_0 和 P2_1 送出位选信号，从而控制数码管的动态显示。My_func.c 被调用函数的集合，包含延时函数 void delay_ms(unsigned int xms)、初始化函数 init()和蜂鸣器发声函数 sounder()。3.2 软件系统流程图单片机程序总体流程如图 7 所示。图7 单片机程序总体流程图CLEAR 键按下？NN下半场结束？蜂鸣提示Y清除比分YY开机/复位初始化START键按下？N开始计时、计分加分键按下？加分YYN上半场结束？蜂鸣提示YEXCHANGE键按下？互换比分NN3.2.1 主程序流程图在主程序文件 main.c 中包含两部分内容，分别是主函数和中断服务函数。首先是主函数 void main()，这是整个程序执行的入口，在这个函数里，首先调用init()进行单片机的初始化，然后进入大循环，反复调用 key_respond()和 display()两个函数不断扫描按键输入并输出显示数据。在中断服务函数 void Timer() interrupt 1 里，设置定时器 T0 以工作方式 1 计时，计时时长为 50ms，计时器每溢出一次，变量intr_num 自增一次，直至 intr_nu