单片机课程设计--记分牌的设计

1一、课程任务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，采用记分员手动反动记分牌记分，工作方式单一。由于种种弊端，电子计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。电子记分牌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，运输安装烦死灵活，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：篮球赛电子记分牌设计要求：（1）启动时显示为0分，计分范围为0~100分。（2）得分时加上相应的分数，失分时剪去相应的分数。（3）刷新分数的按键按下时，伴随提示音。二、引言2.1单片机介绍单片机又称单片机微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理机（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上。单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有骄傲昂而有效的控制功能。虽然单片机只是一个芯片，但是无论从组成还是从其逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入、输出设备，才可以构成使用的单片机应用系统。2.2单片机的特点（1）具有较高的性能价格比。高性能、低价格是单片机最显著的一个特点，其应用系统具有印制板小、接插件少、安装调试简单方便等特点，使单片机应用系统的性能几个比大大高于一般微机系统。（2）体积小，可靠性高。由单片机组成的应用系统结构简单，其体积特别小，极易对系统进行电磁屏蔽等抗干扰措施。另一方面，单片机对信息传输及对存储器和I/O借口的访问，一般情况下是在单片机内部进行的，因此，不易受到外界的干扰。所以单片机应用系统的可靠性比一般危机系统高得多。2（3）控制功能强。单片机采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。在实施控制方面，尤其是在位操作方面单片机又这不俗的表现。CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位置处理能力，能针对性的解决由简单到复查的各类控制任务。在单片机内存储其ROM和RAM是严格分工的。ROM是作用程序存储器，只放程序、常熟和数据表格，由于配置较大的程序存储空间ROM，可以将已调试好的程序固化在ROM，这样不仅掉电时程序不丢失，还避免了程序被破坏，从而确保了程序的安全性。而RAM用作数据纯初期，存放临时数据和变量，这种方案使单片机更适用于实时控制系统。2.3单片机基本组成（1）运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数，而运算后又保存其结果。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。（2）控制器控制器是CPU的神经中枢，它包括时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。8051CPUC指定的地址，从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运输等操作。（3）存储器存储器是单片机的又一个重要组成部分。其中每个存储单元对应一个地址，用两位16进制数表示容量为256个单元的存储器，其地址为：00H—FFH。存储器中每个存储单元可以存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储但单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。2.4单片机的发展现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容，也有不兼容的，但他们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：3（1）低功耗CMOS化MCS-51系列的8931推出时的功耗达650mv，而现在的单片机普遍都在100mv左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS。像89C51就采用了HMOS和CHMOS。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求第供货像电池供电的应用场合。所以这种工艺将会死今后一段时期单片机发展的主要途径。（2）微型单片机现在常规的单片机普遍是将中央处理器、随机存取数据存储、只读程序存储器、并行和串行通信接口，中断系统、定时系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如：A/D转换器、PMW、WDT、有些单片机将LCD驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。（3）主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以89C51位核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHLIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以89C51位核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场份额。三、硬件设计3.1总体方案设计篮球积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。主控模块以AT89S51为核心，完成输入输出信息处理、计时器中断相应、数值计算等，协调整个系统有条不紧的工作。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，完成如记分开始/暂停、记分清零、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。图3-1位整体电路图4整体电路图图3-13.2单片机的选型主控模块以AT89S51单片机作为微控制器。AT89S51单片机是一种低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256byres的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用高密度、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位中央处理和Flash存储单元。由于它的这些优良特性，AT89S51单片机在电子行业中有着广泛的应用。采用AT89S51作为微控制器，可以很好地满足篮球记分牌的系统要求。如图3-2。5CPU图解图3-23.3电源开关开关模块由电源插头、电源按键和一个LED指示灯组成。其中电源开关控制电路的通断，LED提示用火电路是否有通电。当电源接通，开关键按下电流通过开关到达LED灯使得LED灯亮起，从而提示电路通电。当开关再次按下，电流断开，LED等熄灭，提示电路断电.电路图如图3-3和图3-4.6开关电路图图3-3LED灯电路图图3-43.4复位和振荡电路的设计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。电路图如图3-5和3-6.7复位模块电路图图3-5晶体振荡电器路图图3-63.5按键输入模块用户通过键盘输入模块对系统进行控制。按键k2是控制分数增加，按键k3是控制分数减少，按键k4是控制权加，按键k5是控制权减。数字权加/减以后按下k2或k3就会就可以实现分数的加减，加/减的分数就是权数。4个按键的引脚分别接在AT89S51的I/O口P20~P23，在单片机内部采用顺序扫描法检测到按键按下，从而执行相应的任务。电路图如图3-7.8按键电路图图3-73.6信息显示模块信息显示用到1个4位8段共阴极数码管和一个蜂鸣器。数码管显示3位数字，第一位为权数，第二位为隔开符号（中间的一个横杠），第三、第四位一起进行分数的加减。由于P0口的驱动能力有限，所以外接了一排阻，从而增强了对数码管的驱动能力。数码管采用共阳极连接方式，其阴极分别接单片机P0~P7口，当单片机某口输出低电平时，对应的数码管亮。电路图如图3-8.蜂鸣器接在P37口上，在比赛比分有改动时会发出提示音。显示模块电路图图3-83.7系统所用元器件9元器件列表元件型号数量CPUAT89C512104瓷片电容130pF4104瓷片电容210uF2晶振12MHz2蜂鸣器2PNP三极管MJE35021602液晶2电阻10K2RESPACK-82按键48四、软件系统设计4.1软件系统总体设计方案这里选用的是国外进口的51系列兼容单片机C语言开发系统的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。给芯片提供了包括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将这些部分组合在一起。主程序流程如下：10NY开始数码管初始状态显示00扫描按键K1---K4是否有键按下进行相应的计数蜂鸣显示dat，add11用两位数码管显示独立按键按下的次数。数码管字型码由P0口控制、位选通由P2控制，本次要显示的是P24-P27四位。无源蜂鸣器由P37口控制，独立按键由P20-P23控制。数码管初始状态显示00，当赋予真值的时候，相应的执行按键扫描程序，开始扫描按键是否有按下，当发现有按键按下时，相应的执行计数功能，当分数加减按键按下执行完分数加或减之后执行蜂鸣程序，最后是显示DAT与ADD的值。4.2按键扫描対按键的检测，有两种常用方法：行扫描法和线反转法。在此采用线反转法，其识别按键的过程介绍如下。判断键盘中有无按键按下：将全部按键置低电平，然后检测各个按键的状态。只要有按键的电平为底，则表示按键中有按键按下，而且低电平的键位就是闭合的按键。若所有按键均为高电平，则键盘中无按键按下。4.2.1分数加流程图如下：12N当按键按下时，延时程序延时，消除按键按下时产生的震动，加上权数并检查是否小于零。如果小于零数码管不操作，蜂鸣器响一声；不小于零则蜂鸣器响一声，并且在按键松开后显示dat上数值。继续扫描，等待指令。4.2.2分数减流程图如下：按键按下消除抖动dat加加权数蜂鸣器发声等待按键是否释放显示当前dat的值dat是否大于100dat=10013NYNY按键按下消除抖动dat减权数蜂鸣器发声等待按键是否释放显示当前dat的值dat是否小于0dat=014按键按下时，延时程序延时，消除按键按下时产生的震动，减去权数并检查是否小于零。如果小于零数码管不操作，蜂鸣器响一声；不小于零则蜂鸣器响一声，并且在按键松开后显示dat上数值。继续扫描，等待指令。4.2.3权数加流程图如下：按键按下时，延时程序延时，消除按键按下时产生的震动，ADD加1上并检查是否大于15。如果大于15数码管不变；不大于15则在按键松开后显示ADD的值。继续扫描，等待指令。4.2.4权数减按键按下Add加1消除抖动Add是否大于15Add=15显示当前ADD的值NY15流程图如下：按键按下时，延时程序延时，消除按键按下时产生的震动，ADD减1上并检查是否大于15。