【基于单片机的篮球计时器设计9800字（论文）】

基于单片机的篮球计时器设计目录TOC\o"1-3"\h\u21232引言 1257771绪论 15111.1选题的背景及意义 1139071.2系统的发展概况 1104421.2.1国外状况 1180461.2.2国内状况 2255411.2.3发展趋势 2265512总设计方案 2193902.1计时计分系统的功能设计 216712.2计时计分系统的原理 3159342.3计时计分系统的组成 3186443硬件设计 356483.1单片机主控电路设计 383983.4显示电路 5156003.5报警电路设计 6144364软件设计 619614.1系统软件总设计流程 73614.2系统软件子设计流程 861884.2.1按键显示子程序 9224754.2.2报警子程序 1075304.2.3计时计分子程序 10201025调试 11181685.1系统仿真 11177275.2系统调试 12129926结论 135036谢辞 143405参考文献 15引言自从20世纪70年代诞生单片机，相较于当时其他计算机和控制器而言它具有极其高的性价比从而受到了人们热切的关注和重视。尤其是到了当今的科技时代中，人们和电子，信息通信技术的要求越来越高，而单片机和我们的生活息息相关，近几年以来随着人们生活的普遍需求从而得到了大范围的推广和发展。基于51单片机的篮球计时器是一种可以普遍使用的记录得分类型的工具。在很早之前就有针对篮球比赛计时计分问题而研究应用电子计分器，这一类计分器与之比较都是通过模拟电子器件和数字电子器件混合而成，其本质上依然存在一些影响挺大的问题，即计时计分时系统的稳定性和准确性。参考这些问题总结得出，如果我们想要研究出能准确计分计时的同时，还需要系统稳定，能让使用者方便携带，能量消耗数量低，成品经济实惠可靠性能高等等，首先考虑使用STC89C51为该系统的控制核心。能很大幅度的避免这些不必要的问题的出现，还能节省一部分人工出力并且对比赛的顺利进行有非常大的帮助，更有效的有助于日常的生活和需求。1绪论1.1选题的背景及意义在现下的生活当中，单片机具有高度实现意义而得以应用在生活的方方面面，用专业语言讲，单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器及各种输入/输出接口的芯片，这样一块芯片就具有了计算机的属性，因而被称为单片机微型计算机，简称单片机。除此之外单片机的可靠性非常高，还有很好的微型以及智能型，我们可以根据不同的逻辑编写出程序，完成我们想要实现的功能。现如今，单片机已经在各个领域中成为普遍采用的一种控制工具，在新世纪人们的应用中占据了举足轻重的地位。就目前对产品应用和影响而言，成为产业重要系统不可分离的重要组成部分，在每个产业的应用中都是会被优先选择。遍布世界各地的任何一家和电气、机电、测控相关的大型技术企业以及厂家等，没有一个企业不把单片机应用在产品的研发，使单片机成为企业的产品智能化的中枢。而设计的计时器是对比赛过程产生时间和所得分数的比较的采集、记录、加工和处理的工具，这就需要使用单片机作为计时器的核心控制。对本次基于51单片机的篮球比赛计时器的设计中，种种需要运用到的原理都方便我们使用、操控、探索、深入了解单片机里最基础的指令功能，以及STC89C51的组成和基本思路，熟练掌握并应用单片机的程序编程和技巧，熟悉与51单片机有关的外围电路设计，灵活调试软件和硬件，更有助于今后的学习和日常的工作生活。1.2系统的发展概况1.2.1国外状况世界新科技的发展和变化层出不穷日新月异，生活中经常被人使用的各式各样的电子产品也是如春后竹笋，几乎很难看到不需要使用没有单片机产业。例如国家研制的导弹所需要的导航装置，任何机器上功能不同的仪表的控制，亦或是计算机或者电台的网络、通讯与数据传输等等。诸如此类，所以相对于设计研究计时器，就是一个随处可见的最基础电子产品，它经历过历史发展的洗礼，技术由一开始是不足已经逐渐变得相当的成熟和完善。而我们在根据目前高水平篮球比赛要求发现，良好的篮球比赛计分计时系统必须能够做到最基本的成绩处理和计时准确，以便实现比赛的准确度，计时记分系统设计的合理与否，是直接对一场比赛质量的优劣造成很大的影响。因而随着现代电子技术的产业结构调整下，在制造的不断精良和生产工艺逐渐飞跃，以及体育在新时代中飞速、广泛推广，让越来越多的市场对篮球计时器的需求也因上述原因而变得越来越大。1.2.2国内状况在全民运动的时代中，尤其是在中央提出的建设体育强国的重要指示之下，中国早已跻身成为世界中的体育大国，社会逐步形成体育事业全新的、高度的发展的新局势，这个新的局势刺激年轻老幼在健身和体育产业上消费，社会也因此灵活运用并把握体育产业发展的重大机遇，将体育产业持续发展推进更高质量的全新局面。这个局面推动了广大群众加入热爱运动的行列中，首当其次的就是青少年所热爱的篮球运动，篮球比赛必备的计分计时就是值得关注和研究的事项。关于篮球比赛计分计时器的设计，用STC89C51嵌入式单片机编程控制LCD1602液晶七段数码管作显示，而嵌入式单片机早已融入到我们生活当中，使用单片机为核心的篮球计分计时器也成为了必然，从而可以做到人工和智能交互的方便和快捷。1.2.3发展趋势如今在我国的大部分地区所开展的比赛中仍然是使用传统的人工手动翻分牌和人工计时的计分计时方法，不仅仅是耗费人力，还有极大导致计分计时的误差从而影响整局比赛的可能发生，进而造成诸多负面影响，且人工手动计时会因为稍有不舍极其容易发生计时的偏差，从而导致比赛进行的不顺利和队员、观众的不愉快，进而导致活动的结果。以上这些问题大都是可以得到避免的，使用篮球比赛计分计时器对比赛进行实时控制，计分计时同时操作，若进攻方在规定的24秒内没有进攻成功蜂鸣器会发出警报声提醒，这样既可以在一定程度上减少人工，还可以保证比赛的准确。虽然在此之前已有各式各样的计分计时器的生产，而要能做到符合比赛规则的计分计时器大都存在计时不准的问题，部分还只是做到了基本的计时功能，在比赛规则和设备应用过程中不停摸索、创新、相继完善，才进一步升级了能计时计分做到同步，从长远思考，不断地引进和推广新的智能技术作用在生活和体育发展中来，会使生活变得更加的便捷。2总设计方案2.1计时计分系统的功能设计在我们设计的计时计分系统中可以大致分为两个部分，那就是系统硬件设计以及系统软件设计。关于硬件设计的部分，主要包括有主控制器和显示屏以及蜂鸣报警器等硬件设备相互兼容，为整个计时计分系统的控制和运行提供了不可缺失的硬件支持。系统软件设计的部分则是运用作为核心设备的单片机的性能和功能，以此来加强各个组件的工作流程，再根据工作流程绘制原理图编写出一套简单不复杂并且方便实用的程序，使得整个系统能够正常平稳地运行，从而可以达到最基本实现预期的功能：通过按键，分别可实现对A/B两队加分的功能，每按一次按键系统实行加1分，并且通过LCD1602液晶显示屏能显而易见分变化情况；错误计分的情况也是不可避免的，当计分的数值在不小心下加分多了，亦可通过系统设计好的减分按键，来对加分出错的数值进行减分操作。减分按键与加分按键功能相同作用相反，分数加减则是不能超过该系统中设定好的数值范围，系统里的记录分数的上限为999分，记录分数的下限为000分。在设计好的按键中，另外有两个按键是可以用来设置时间。在国际篮球规则里正常的一场篮球赛分上下两个半场，而每个半场又分别有两个小节，一个小节又为12分钟的比赛时长，这就需要我们在比赛开始之前操作上电后的计时器，当显示屏显示出开机画面后通过设计好的设置按键进入时间设置画面，对每一节比赛的时长进行加减调整，在设置好需要的数值后再次按设置按键退出设置画面，等待比赛开始。系统初始设置的时间数值为12分一节比赛时长，通过外接一个喇叭的操作控制键，起到鸣笛的警示作用。2.2计时计分系统的原理单片机的组成里定时器无疑是最重要的模块之一，定时器能广泛应用在控制和检测领域中，在单片机里以计数的方式来实现定时的最终功能。观察51单片机的引脚结合所学知识可以发现，Px，y为计数脉冲输入脚，就是我们通常说的P3.4和P3.5。对应时钟电路里的晶振的输入脉冲的分别是引脚18和19。通过单片机的I/O端口进行传达信号和信息处理，紧接着再通过此端口将输出信号传达至显示器，在显示器上得以清晰显示实时数据，而当收集到的数据低于我们所设定的系统范围时，便会使蜂鸣器进行工作。2.3计时计分系统的组成在设计篮球比赛计时器中，该系统使用单片机STC89C51RC作为核心元件，兼容LCD1602液晶显示屏作为这次设计的显示器件。上电后在显示屏上显示有teamA/B比赛的总分数之比，次行显示的则是teamA/B每节分数之比以及比赛倒计时和24秒倒计时。采用常见的倒计时方式设置系统的倒计时时间，每当在比赛开始之前操作计时器，设置好预定的比赛时长，比赛开始的同时按下开始按键启动计时，在比赛时间最后三秒时蜂鸣器会发出鸣笛警报，直到时间结束再则，为了避免计时器出现计时和计分的误差而添加了9个按键以方便对计时器和计分器进行校正和调整，还可以分别用于A/B两队的分数加减、完成设置、调整、启动和暂停时间等功能。关于计时器的报警系统，每当持球进攻方的进攻时间24秒到设定值，或者每节比赛时间到设定值后,信号运输到报警电路通过蜂鸣器发出报警声，提示时间结束。 3硬件设计3.1单片机主控电路设计（1）单片机简介微机时代开始于1970年末，intel公司研制出了世界上第一个4位的微型处理器，单片机就此问世。随着历史车轮马不停蹄的向前发展直至今日，单片机创建了三大里程碑，一开始从最初阶段的SCM，即单片微型计算机，再到后来衍生成中期的MCU，称为微控制器，直至今日已然发展成最高级阶段即可生产出嵌入式单片机。和计算机比较，单片机仅仅只是缺少了计算机有的I/O接口，换一种方式来说，单片机虽然只是一块芯片但它就是一台计算机。时代和科技不断的进步和发展也将单片机的技术和实践应用变得逐渐成熟，人们也愈来愈重视智能化的电子技术，以及在这方面上运用到单片机。单片机中分别有几大模块组合而成，它们分别是中央处理器CPU、只读存储器ROM以及随机存储器RAM等。使它能完美地完成每一项简单到复杂的运算，全靠单片机的控制系统和数据采集，哪怕是对运算符号进行控制，亦或是下达指令到各个系统中也能完美处理和运行。因此可以知道单片机在具有这些强大功能，得以在人们所需要的电子设备当中占据一席之地。简而言之，这一块芯片所组成的系统通过集成电路技术的应用，把数据的运算能力和处理能力集成到一块芯片里，从而实现对数据高速化处理。单片机的引脚图如图3-1，引脚功能特性如表3-1所示。图3-1单片机引脚图表3-1单片机引脚功能特性时钟电路通常我们会在单片机外部接上一个可以提供高分频脉冲的振荡器，在经过分频处理之后，使得这个高分频成为单片机内部的时钟信号，电路就会产生和时钟那般运动准确的震荡电路，这就是所谓的时钟电路。可以用来作单片机内每一个部件之间协调工作的控制信号。单片机外接晶体振荡器就根据上述的方式形成了内部振荡方式，晶振频率一般取值1.2MHZ-12MHZ之间，在本次计时器的设计中采用的晶振取值为12MHZ，晶体振荡器的一端与微型控制器的引脚18和引脚19相连接，以此同时又分别与两个20pf激活电容器并行相接，构成了该系统的时钟电路。单片机的时钟电路3-2所示。图3-2时钟电路仿真图复位电路在设计单片机主控的计时器是少不了设计复位电路，，复位电路存在的作用就是使电路恢复到起始状态的电路设备。换一种解释来说这个作用和功能与计算器里的清零键有异曲同工之处。单片机的复位电路不同的便是复位电路的启动手段不同，它启动手段分两类，一为自动，即在电路通电时进行复位操作；其二便是在必要之时手动操作。而自动复位电路的作用主要是让存储设备和寄存器进行初始化，回到我们设定的初始值。单片机的复位电路如图3-3所示。图3-3复位电路仿真图3.2显示电路设计该系统时显示部分使用LCD1602，液晶显示屏普遍应用到生活中诸多地方，这种液晶显示屏是被人们广泛使用的字符型液晶显示器，由字符型液晶显示屏LCD、HD44780及其扩展驱动电路HD44100和控制驱动电路HD44780，加上少量电阻、电容元件和结构元件组成，装配在PCB板上。这便可以明确的了解液晶模块如何在系统内部是如何进行进行工作的，当我们把液晶的显示器和单片机系统连接起来以后可以在单片机中输出实现所需要的功能。当整个系统完成之后就会接收到指令信号就会呈现出特定的颜色和亮度。LCD1602的液晶显示都是自动的，在焊接成功后通上电便可以显示指令设计的数据。输入一个指令液晶显示器就会完成一个指令并且显示出来的。这些现象的完成都是因为液晶的物理特性，详细的说就是只要有了电压，液晶就可以显示比如数字、图形、符号等。一般是根据液晶的厚度适合用于大规模的电路进行驱动的，我们平常用的电脑，手机，照相机都可以看到它的身影它与我们密不可分。此次设计用的是最常见的液晶显示装置LCD1602显示器，该显示器与单片机最小系统的大同小异之处就是都是引脚，而且一共都具有十六个引脚，具体的引脚有具体的功能，在这里会做详细的介绍。引脚1与引脚2连接电源就可以通电使用了，还有其他的引脚可以实现我们的想要实现的功能比如3引脚可以输入命令、4引脚是数据输入装置、5引脚是控制使能的。为了清晰显示指令控制的数值，显示器的这些引脚都是需要和单片机相连接的，显示电路如图3-4所示。图3-4显示电路3.3报警电路设计该计时计分系统具报警装置，包含了蜂鸣器发出滴滴声报警。将主控制器收集到的数据与单片机的预设值进行比较来判断蜂鸣器是否需要报警，在预设的安全范围内，会激活声音警报。如果设置值超过默认范围，主控制器接收到此信号并将此信号传送到报警电路，同时蜂鸣器电路也会通电使蜂鸣器发出警报声。然而，若是测得的实施数值在预设的默认范围内，系统正常运行，则报警电路中的蜂鸣器无法被接通，因此不会有警报声响起。报警电路如图如图3-5所示。图3-5报警电路4软件设计因为在这次设计中，不仅仅是硬件部分需要有规划的处理，单片机控制各个系统的指令离不开软件语言的编写，因而我们更加需要谨慎小心的处理软件语言。我们写的合适系统实现功能正常运行的汇编语言源程序，要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，分别是手工汇编和机器汇编，所以在本次设计中我们设计和处理程序而主要使用的语言软件便是通用的Keil，俗称C语言。它包括有简单的结构和强大的处理能力，具有跑得快、收集效率高、耐受力强、可读性强的强大优点。使得语言发开的系统得以直接而舒适地运行。

（1）设计的方案和规模越大，C语言的使用就越多；

（2）在没有必要完善特定设备的成套指令的情况下，可以编程一个符合实际专业设备要求的程序；

（3）实现本次设计方案的结构化规划，使设计方案的逻辑结构更为清晰、有序；（4）在使用C语言之后，只要代码中的变种类型已公布，译员将自动分配相关资源，不要人工干预操作处理，并能有效避免手工分配精确控制的资源的错误；（5）只要正确调整设备相关代码，C语言可以轻易转换为其他类型的精确控制。（6）不同函数的数据实行覆盖，有效利用片上有限的RAM空间；（7）能自动为变量合理地分配地址4.1系统软件总设计流程设计的该系统采用了STC89C51单片机，编写好的所有的程序都固化于寄存器中，用来存贮保存分数。为防止出现加分错误要另设一个减分按键，软件部分要求实现的功能有：（1）时所有显示屏上面都显示0；（2）有预置比赛时间的功能；（3）具有AB两队分别计分的功能；（4）有鸣笛警示功能；在设置好预定时间后按下开始按键，此时启动计时器开始计时，计时开始之后可以对teamA/B比分进行加减，在快到达设定时间值时才会鸣笛报警，达到设定时间值时计时器停止计时工作，此时不能再给teamA/B进行加减分操作。结合LCD1602的显示以及51单片机计数器的工作实现方式、接口应用、中断控制等可设计出程序流程图如下图所示：4.2系统软件子设计流程系统上电的初始化是该系统初始化模块最重要的主要功能之一，其次需要设置该系统的运行状态。初始化部分包括以下几个方面：（1）单片机初始化以及各种引脚定义；（2）初始化LCD1602液晶显示屏及工作方式；（3）系统进入正常工作状态。4.2.1按键显示子程序独立式键盘的接口电路及编程（1）设计独立式键盘的接口电路，可以手动按键向系统输入信息，把每一个按键直接连接在I/O接口线上形成独立式键盘。每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线相互独立，不会影响到其他I/O接口线的工作。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单。唯一的缺点就是每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。（2）在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。（3）独立式键盘的编程：独立式键盘的编程常采用查询式结构。将每一根I/O接口线的输入状态一一查询，当查询到I/O接口线的输入为低电平时，证明与此I/O接口线相连接的按键已经按下，进而处理该键的功能程序。所示电路程序的清单如下：4.2.2报警子程序在此系统中警报灯只是一个蜂鸣器，它由STC89C51单片机控制。要实现的功能当系统上电后，当时间还剩最后三秒时时,系统会自动发出报警声,提示时间到，之后报警结束。4.2.3计时计分子程序单片机中，时间与脉冲计数与紧密相连不可分割，在系统中计数器的值受到脉冲的影响，要想计数器数值加一就要输入一个脉冲。如果相邻的计数脉冲之间的时间间隔是一样的，那么这个计数值就能代表了时间的流逝。而外接的晶振就能做到使计数器稳定，可以作定时器来使用，通过引脚P3.4或者P3.5，造成外部脉冲信号发生从1到0的负跳变时，计数器的值就自动。5调试5.1系统仿真在设计篮球比赛计时器中，为了编写功能和指令完善的程序，设计硬件电路部分的仿真和运行，需要我们使用到Keil和Proteus7.8这两个软件美国的Keil软件公司专门为51系列兼容的单片机设置了一款C语言软件开发系统，此系统就是Keil软件。由于此系统的编程语言容易能让我们进行简单的使用和学习，编译软件与该软件相比，功能结构更为复杂，在可读性方面更难以理解，在维护方面与则需要更高级的维护方法。所以，Keil软件公司专门为该软件在这些问题上提供了一套相当完整的解决方案。为了设计版图原理图和PCB版图，运用调试器和模拟微控制器外部电路的仿真，就需要用到现在世界上最常用的EDA工具，即Proteus。该设计平台都是目前国际上仅有的一款能够集仿真、PCB设计和虚拟模型仿真软件于一体的EDA工具软件。系统仿真主要有以下几个步骤：（1）运用Keil软件将能够实现该灌溉系统所需要达到的要求并进行程序编写，编写完成后点击保存生成hex.格式的文件；（2）在Keil程序编辑软件中，我们可以检测到程序底下的状态栏是否出现写入错误，若是状态栏中没有出现程序错误的提示，我们就可以打开Proteus软件来建立模拟电路进行模拟；（3）根据设计需要，结合数据库中现有的功能，选择合适的元件，来绘制整体电路图；（4）为了布置美观可以根据合适的位置，合理布置电路形成成一个简单、实用、高效的整体电路图；（5）对STC89C51单片机元件进行双击，会看到页面弹出对话框；（6）此时在“ProgramFile”一栏中选择并导入之前已经完成的hex.文件；（7）当电路处于未通电的状态，我们点击软件中左下角的运行（Play）按钮，激活电路系统，开始仿真。5.2系统调试系统调试就是一个找错误的过程，同时调试也是一个制作与完善的过程。需要认真细致的对待。首先是测试，就是在电路组装好后对整个电路的运行状态进行测量，确保每个器件都可以正常工作，我们知道，实物制作过程中很关键的一部分就是电路的检查，若是硬件电路出现问题，那整个系统都无法进行调试了，甚至会损毁元器件，硬件电路的正常运行是我们本次设计必须要达成的目标。如果通电后电路出现问题，我们就要利用万用表等工具检测出电路中某些有问题的电路，然后进行修正，使设计更完美，对每一项改动都要做好记录。完成这次毕业设计的关键一步就是在于系统硬件与软件的调试。调试在设计中是不可缺失的一个重要的步骤，在系统前期预想目标基本完成后，硬件电路的设计和代码的编写是一个难题。我们要不断试验，并在设计好电路板的走线后需要仔细的进行元器件的焊接，下面就是具体步骤：（1）硬件焊接第一步：采购最新的元器件，并对该设计所用的元器件进行检查，以此来确定每个元件的能否在设计中能够正常工作；第二步：将设计并且连接好的原理图转化为PCB原理图，排版美观，为腐蚀到覆铜板上做好准备，将要焊接的元器件清点一遍，以保证不会有漏焊的情况，将覆铜板和所用到的元器件擦拭干净，方便焊接；第三步：等烙铁达到一定温度时，将元器件摆放并在该引脚上放置好焊锡丝，对电烙铁进行通电，使电烙铁加热并让焊锡融化，等待热锡放凉使元器件固定在电路板上；第四步：将焊好的元器件上过长的引脚剪去。（2）硬件调试所有的分单元电路完全没有问题并不代表由它们组成的系统就没问题。为了观察和测量该电路的动态性能，所以我们还应该最后做一次系统的联调，找出该电路存在的问题并设法解决出现的问题，直到对电路进行调试完全没有问题为止在该计分计时系统的硬件调试中，当焊接完全部硬件并检查无问题后再将编写好的程序烧入主控制器芯片中，接通电源后发现整个系统都没有反应，在经过万用表测试后发现所焊接的电源接口是没有电的，极有可能是元器件本身就损坏了或是在焊接时不小心损坏了，之后便只能购买了另一个电源接口。因此，我们需要在对待任何事情的处理上都做到谨慎细微，尽自己最大努力使设计的东西不出现一丁点的的错误，否则要浪费很多的时间和精力。软件调试软件调试是在开发功能的时候使用开发板进行功能测试，最后把程序移植到制作的实物中。代码编写的时候也出现了很多问题，有时候写着就忘了把符号输进去，然后在纠错的时候就会出现很多提醒，或者就是语法不太对，在出现这种情况下，在通过问老师查询资料和求助同学之后慢慢的都解决了。软件调试是建立硬件的基础之上的，要求百分百无误才行，在确定整个硬件电路都是正常工作的，没有短接的情况下，才能进行全部的代码测试，确保功能都实现。在确定整个硬件电路正常的情况下，我们将设置好的执行程序通过串行接口下载到单片机中进行综合调试处理，整个过程需要反复调试和修改程序才能实现所需要的功能。在调试的时候，我们可以先将编写无误的程序烧入单片机，并启动运行程序，当我们所预想的功能都能一一被实现的时候，则说明程序调试无误；如果我们预想的功能有一小块地方没被实现，则说明程序有错误。然后我们需要找出此程序中