基于单片机的篮球计分器设计

TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 31.1研究背景 31.2基本功能及设计思绪 42总体方案设计 52.1方案选取 52.2总体设计 53硬件电路设计 63.1电源电路 63.2晶振电路 73.3键盘电路 73.4复位电路 83.5显示电路 84系统软件设计 94.1主程序设计 104.2加分程序设计 104.3互换程序设计 124.4LED显示程序设计 134.5共阴极数码管字形表 135总结 14参考文献 15附录1系统原理图 15附录2源程序 16附录3系统调试 211概述1.1研究背景在这个电子信息技术迅速普及的今天，人们对电子产品的需求越来越多。二十一世纪的今天，科学技术迅猛发展，时代前进的脚步越迈越宽，应用自动化设备,现代化通讯，计算机解决,数字化信息,现代化显示设备等一些高新技术使人类迈向智能化发展。在智能化产品中，单片机的应用已经越来越广泛，单片机以它体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、价格低等优点，开始不断发展，并广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航天航空领域、工业专用设备的管理及过程控制等领域，在很多的大中型的电气设备以及小型的电子产品中也用到了单片机进行控制。单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简朴、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。本设计就是基于单片机设计篮球计分系统，通过串口通信动态传输数据，使计分系统有了更多更完善的功能。单片机系统的硬件结构给予了篮球计分器系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，使其在传统的篮球计分器面前具有电路简朴、成本低、运营可靠等特色。1.2基本功能及设计思绪1、运用89C51单片机设计篮球计分器系统，实现以下功能●用4位LED显示器显示两队分数；●可以随时手动对A、B两队分别计分；●可以手动实现A、B两队的分数位置随场地互换而相应调换。2、设计思绪：以AT89C51单片机为核心元件，运用独立式键盘控制，使4位共阴极LED数码管以静态显示方式实时记录A、B两队的分数。独立式键盘由K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8构成。其功能如下：●K1、K2：加1分；●K3、K4：加2分；●K5、K6：加3分；●K7：半场换分；●K8：显示复位。A、B两队分别占用两位LED显示器，显示范围为0~99，可以基本满足一般比赛需要。2总体方案设计2.1方案选取单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品运用单片机所取得的便利得到了人们的好评，针对基于单片机的篮球计分器的设计规定，实现其功能的方案有多种，现列举如下：方案（一）按键控制每次各队的加分值为1分或2分，如若进3分球，则需两键相加。并由半场换分按键和复位功能。分数通过4位LED显示器动态显示；方案（二）系统采用三个按键控制每次各队的加分值为1分、2分或3分。同样也有半场换分按键和复位功能。并通过4位LED显示器静态显示分数。这二个方案都是基于单片机控制的，通过按键加分及数码管显示，不同的设计部分在于按键的数量和显示方式的选取上。方案（一）的按键数量较少，加上互换按键和复位按键共需要6个，但也能完毕基本功能。但是在显示方面，动态方式编程较为复杂。方案（二）的按键虽然较多，但功能齐全，使用方便。并且电路不是太过复杂，编程较为简朴。最终方案：通过以上比较，方案（一）按键使用不方便，且软件设计复杂。因此选用方案（二），即以8位独立式键盘分别实现加1分、加2分、加3分、半场换分和显示复位的功能，并用4位共阴极LED显示器以静态显示方式显示分数。2.2总体设计篮球计分器的设计是基于满足设计规定的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。本节从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出篮球计分器的总体构架。1、加分功能设计：通过显示缓冲区为中间加分媒介。每当按键按下时，一方面通过外部中断源实现中断，进入中断后判断键值再进入相应加分子程序，对相应显示缓冲区加分。2、分数调换功能：同样是运用外部中断源实现中断，中断服务程序应能实现中场分数位置调换的功能。3、分数显示功能：用同步移位寄存器74HC164实现4位LED数码管静态显示。通过查表指令在字形表中找到与显示缓冲区相应的字形码，然后串行移位输出即可。基于89C51单片机的篮球计分器总体设计框图如图2所示。图2篮球计分器总体框图在框图所示的系统构架中，8位独立式键盘涉及6位加分按键，1位分数调换按键和1位复位按键。其中加分按键通过7421实现中断扫描，分数调换按键则直接通过外部中断1入口P3.3实现中断服务。3硬件电路设计3.1电源电路单片机正常工作电压为5V，因此设计的电源电路重要是提供单片机工作电压。图3.1是为单片机提供电压的电源电路，涉及变压、整流、稳压、滤波等环节。在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805，可以输出5V的直流电压以供应单片机。图3.1电源电路3.2晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图3.2是单片机的晶振电路。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。图3.2晶振电路3.3键盘电路键盘电路在篮球计分器中的重要作用是用于实现加分和互换分数位置。键盘可分为独立式键盘和行列式键盘。本设计中由于按键数少于8个，所以采用独立式按键电路。此外采用中断扫描方式扫描键盘的状态，当然也可以直接用编程扫描方式，两者工作思绪基本同样。具体电路如图3.3所示。AT89C51单片机的直流输入电流为15mA，当直流电源电压为+5V时，可选择5.1KΩ的上拉电阻保证单片机的正常工作。图3.3键盘电路3.4复位电路复位电路的重要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤消复位信号。但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤消复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。图3.4所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。图3.4复位电路3.5显示电路显示电路是用于显示分数。采用LED数码管进行显示是由于LED数码管具有以下几个优点：(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。(2)发光响应时间极短(<0.1μs)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。

数码管有共阴极和共阳极两种类型，其公共端重要进行位控制，笔画端则是进行字符控制，数码管有静态显示和动态显示两种方法。本设计采用的是4位共阴极LED数码管的串行驱动电路来达成显示的目的。驱动器采用74HC164，由单片机89C51的P3.0和P3.1来控制LED数码管的显示。显示电路图如3.5所示。由于共阴极数码管可以不用外接电阻，所以原理图中的电阻可去掉。图3.5显示电路4系统软件设计系统软件设计重要由加分中断服务程序，互换中断服务程序，LED显示程序等几部分构成。本章节系统的介绍了篮球计分器的主程序和各重要功能子程序的设计流程，具体的程序代码见附录2。4.1主程序设计主程序构成无限循环，重要完毕单片机初始化，等待加分和互换中断的功能。主程序的流程图如图4.1所示。图4.1主程序流程图主程序流程说明：电路重要分为以下几个部分，分别是电源部分、按键部分、显示部分，各部分具有不同的子程序。主程序的作用重要是先让单片机初始化，涉及栈底指针的重新赋值、开中断、设立外部中断为脉冲触发等；然后使显示缓冲区清零，使让LED显示为零；再运用无条件转移指令SJMP$，等待加分中断和互换中断。待中断服务程序执行完后，再次返回主程序等待下一次中断。4.2加分程序设计硬件电路中设计了6个加分按键，采用中断和查询结合的方法扩充外部中断源，实现相应加分的功能。加分程序的流程图如图4.2所示。图4.2加分程序流程图加分程序流程说明：按下加分按键后，产生外部中断0，CPU从主程序跳转到加分中断服务程序继续执行。当在执行相应加分中断服务程序时，不允许其它按键按下有相应操作，所以必须在进入中断后通过CLREA指令关中断，又由于为了避免保护现场时，一些寄存器的内容出现紊乱，此指令必须放在PUSH指令之前。CPU通过查询方式判断键值后进入相应的加分子程序。由于在操作按键时，无论是按下还是松开，触点在闭合和断开时均会产生抖动，此时逻辑电平是不稳的，假如得不到对的解决，也许会引起单片机对按键命令的错误执行，所以必须执行一段延时子程序，用来软件去抖动。比如延时10ms：MOVR0,#0AHDL2:MOVR1,#7DHDL1:NOPNOPDJNZR1,DL1DJNZR0,DL2延时子程序执行完后，再次判断键值，倘若仍然可以检测到相应键值信号，则继续向下执行，否则返回主程序。继续向下执行时，一方面让相应显示缓冲区加相应的分数，然后通过CJNE指令与10进行比较。若小于10，则串行输出显示，否则向相应高位进1，并减10。进1后的高位仍需与10进行比较，若小于10，则将上述减数重新赋予相应低位，然后串行输出，否则各位清零。输出刷新后，CPU返回主程序。4.3互换程序设计由于篮球比赛中场结束之后，要互换场地，则分数的显示位置也要随之调换。硬件电路中设立K7键完毕此项功能。互换程序流程图如图4.3所示。图4.3互换程序流程图互换程序流程说明：按下互换按键后，产生外部中断1，CPU从主程序跳转到互换中断服务程序中继续执行。通过中间寄存器A和互换指令XCH实现分数位置的互换。互换完毕后，CPU返回主程序。4.4LED显示程序设计硬件设计中运用4位LED静态显示电路显示分数。通过显示缓冲区运用MOVCA,@A+DPTR查表指令找到指定字形码，并由串行口串行输出显示。LED显示程序流程图如图4.3所示。图4.3LED显示程序流程图LED显示程序流程说明：一方面将高位显示缓冲区的值，也就是字形表的检索值给累加器A，并将字形表首地址给DPTR，然后运用查表指令找到指定的字形码，最后由单片机的串行口串行输出。紧接着将下一位缓冲区的值给累加器A，同样由查表指令找到相应字形码，并串行输出。依次循环执行上述操作，直至4位所有输出后返回主程序。4.5共阴极数码管字形表硬件电路所用数码管为共阴极，所以串行口输出高电平有效。并且4位数码管的dp段都没有使用，因此始终为0。此外应特别注意的是字形码的高低位顺序应与硬件中数码管引脚的连接相应。共阴极数码管字形表如表4.1所示。表4.1共阴极数码管字形表字形abcdefgdp字形码0123456789111111000110000011011010111100100110011010110110101111101110000011111110111101100FCH60H0DAH0F2H66H0B6H0BEH0E0H0FEH0F6H5总结本次设计叙述了篮球计分器的基本原理及使用方法，给出了一种篮球计分器的设计方案。本次设计的篮球计分器，电路简朴，并且易懂，使操作使用者使用非常方便，成本较低，灵敏可靠,计录准确,连接简朴，具有非常高的使用价值。设计内容涉及比分显示、比分调换等部分,可以使参与比赛的成员、裁判和观众一目了然的看到参赛队的成绩,以最快的速度评出结果.该篮球计分器还能广泛应用于各类知识竞赛。本设计由AT89C51编程控制LED七段数码管作球赛计时计分系统具有赛程定性能稳定、操作方便且易携带等特点。可广泛适合各类学校和小团队作为赛程计分。通过这次篮球计分器的设计，可以更清楚的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程环节和技巧，对AT89C51单片机的原理和结构进一步熟悉和掌握，并对一些绘图和仿真工具积累了更多的使用经验。参考文献[1]张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第二版）．北京：国防工业出版社，2023[2]郑锋王巧芝程丽平张清鹏．51单片机典型应用开发范例大全．北京：中国铁道出版社，2023[3]彭为黄科雷道．仲单片机典型系统设计实例精讲．北京：电子工业出版社，2023[4]阎石．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，2023[5]夏路易石宗义．电路原理图与电路板设计教程Protel99SE．北京：北京希望电子出版社，2023附录1系统原理图附录2源程序K1BITP0.0K2BITP0.1K3BITP0.2K4BITP0.3K5BITP0.4K6BITP0.5DIS0EQU30H;定义显示缓冲区DIS1EQU31HDIS2EQU32HDIS3EQU33HORG0000HLJMPMAIN;跳转到主程序LJMPGRADE;跳转到加分中断服务程序ORG0013HLJMPEXCHANGE;跳转到互换中断服务程序ORG0033HMAIN:MOVSP,#3FH;对堆栈指针进行赋值MOVIE,#85H;开中断MOVTMOD,#05H;外部中断为下降沿脉冲触发LCALLCLEARLCALLDISPLAY1SJMP$;等待中断GRADE:CLREA;关中断JNBK1,LGRADE1;判断键值JNBK2,LGRADE2JNBK3,LGRADE3JNBK4,RGRADE1JNBK5,RGRADE2JNBK6,RGRADE3LGRADE1:LCALLDELAY;延时去抖动JNBK1,SW1;再次拟定K1键是否按下SETBEA;开中断RETISW1:INCDIS1;K1键按下则加分LJMPLCOMPARELGRADE2:LCALLDELAY;延时去抖动JNBK2,SW2;再次拟定K2键是否按下SETBEA;开中断RETISW2:INCDIS1;K2键按下则加分INCDIS1LJMPLCOMPARELGRADE3:LCALLDELAY;延时去抖动JNBK3,SW3;再次拟定K3键是否按下SETBEA;开中断RETISW3:INCDIS1;K3键按下则加分INCDIS1INCDIS1LJMPLCOMPARELCOMPARE:MOVA,DIS1CJNEA,#10,LCOMP;(DIS1)的值与10进行比较SJMPLCARRY;(DIS1)等于10则跳转到进位子程序LCOMP:JC$+2;(DIS1)小于10则输出显示LJMPDISPLAY2SJMPLCARRY;(DIS1)大于10则跳转到进位子程序LCARRY:CLRCMOVA,DIS1SUBBA,#10INCDIS0MOVA,DIS0CJNEA,#10,$+9;(DIS0)的值与10进行比较LCALLCLEAR;(DIS0)等于10则数码管显零LJMPDISPLAY2MOVDIS1,ALJMPDISPLAY2RGRADE1:LCALLDELAY;延时去抖动JNBK4,SW4;再次拟定K4键是否按下SETBEA;开中断RETISW4:INCDIS3;K4键按下则加分LJMPRCOMPARERGRADE2:LCALLDELAY;延时去抖动JNBK5,SW5;再次拟定K5键是否按下SETBEA;开中断RETISW5:INCDIS3;K5键按下则加分INCDIS3LJMPRCOMPARERGRADE3:LCALLDELAY;延时去抖动JNBK6,SW6;再次拟定K6键是否按下SETBEA;开中断RETISW6:INCDIS3;K6键按下则加分INCDIS3INCDIS3LJMPRCOMPARERCOMPARE:MOVA,DIS3CJNEA,#10,RCOMP;(DIS3)的值与10进行比较SJMPRCARRY;(DIS3)等于10则跳转到进位子程序RCOMP:JC$+2;(DIS3)小于10则输出显示LJMPD