篮球比赛计时计分器的设计

篮球比赛计时计分器的设计黄凯（湖北师范学院机电与控制工程学院，湖北黄石435002）摘要：篮球比赛计时计分器是为了解决篮球比赛时计分与计时准确方便，灵活适用的问题。本毕业设计采用单片机AT89C52为核心，设计出篮球计分计时系统，可以实现单节比赛12分钟倒计时、24秒进攻时间倒计时、开始/暂停倒计时、改变节次、单节结束报警、两队比分分别加减分等显示效果。本系统利用LCD12864液晶显示器作为显示器件，显示节次、12分钟倒计时、24秒倒计时、主客队双方比分，通过单片机最小系统来控制计时器和计数器工作，单节比赛结束时LED发光二极管闪烁报警。该设计采用LCD12864液晶显示器，因为其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，通过仿真基本上实现了上述功能，操作简单，性能稳定，符合一般篮球计分器的工作要求。关键词：篮球比赛单片机LCD液晶显示器发光二极管篮球比赛计时计分器的设计黄凯（指导教师，刘金华）1选题背景1.1篮球背景知识的介绍篮球比赛在中国越来越被人们关注，同时也被更多青少年所喜爱。篮球赛记时计分器是对比赛过程中所产生的时间、比分等数据进行快速采集记录、加工处理、传递利用的工具。根据不同运动项目的不同比赛规则要求，篮球赛记时计分器包括评分类、命中类、制胜类、得分类等多种类型。篮球比赛是根据运动队在比赛时间里得分多少来决定胜负的。因此，篮球比赛的记时计分器是一种得分类型的工具。篮球比赛的记时计分器由计时器、计分器等多种电子设备组成。同时，根据目前高水平蓝球比赛要求，完善的蓝球比赛计时计分系统设备应该能够与现场成绩处理、现场大屏幕、电视转播车等多种设备相联，以便实现提高比赛现场感、表演娱乐观众等功能。1.2单片机背景知识的介绍单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”，可分软件部分和硬件部分，而当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在单片机上。所以，以MCU为核心，就是各种各样的单片机，是嵌入式硬件部分的实现方式之一，它主要是因为把处理器和存储器等部件集成在一块芯片上。进入21世纪，伴随着电子，信息通信技术的应用与普及开发，人们对电子技术的要求也越来越高。目前嵌入式单片机渗透到我们生活的各个领域，按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。对于嵌入式即可分软件部分和硬件部分。以MCU为核心，就是各种各样的单片机，是嵌入式硬件部分的实现方式之一，它主要是因为把处理器和存储器等部件集成在一块芯片上。在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统，成为单片嵌入式系统的典型结构体系。体育比赛计时计分器是对体育比赛过程中所产生的时间、比分等数据进行快速采集记录、加工处理、传递利用的工具。篮球比赛的计时计分器是一种得分类型的工具。它由计时器等、计分器等多种电子设备组成。虽然篮球比赛中很早就开始研究应用了电子计分器，但通常都是利用模拟电子器件、数字电子器件或是模拟、数字混合组成的，其稳定性和高准确度计分仍存在一些问题。以单片机为核心的篮球比赛计分器，计分准确，具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特的优点。1.3毕业设计任务书的要求设计并制作一个用于赛场的篮球比赛计时计分器。要求：（1）能记录整个赛程的比赛时间，并能修改比赛时间、暂停比赛时间；（2）能随时刷新甲、乙两队在整个赛程中的比分；（3）中场交换比赛场地时，能交换甲、乙两队比分的位置；（4）比赛时间结束时，能发出报警指令。要求掌握单片机的工作原理，篮球比赛计时计分器硬件电路及软件的设计与调试方法。①设计单片机控制的篮球比赛计时计分器的硬件电路；②设计单片机控制的篮球比赛计时计分器软件部分；③调试硬件电路与软件；④画硬件电路原理图，写论文。1.4毕业设计的实现方案篮球比赛计时计分器是为了解决篮球比赛时计分与计时准确的问题。此装置利用单片机AT89C52完成了计时和计分的功能。该设计将介绍系统硬件与软件的设计过程，采用该装置可根据实际情况进行比分修改和时间的准确显示，具有低功耗，可靠性，安全性以及低成本等特点。考虑到篮球体育运动中队比赛的要求与本专业所学习的嵌入式单片机的知识的应用，可以很好的将比赛的计时与计分体现出来，所以在本次设计中我们利用单片机的知识来解决此次课题的研究与实践。2系统方案论证以及硬件的选择2.1系统的总体方案论证篮球比赛计分器采用单片机控制系统，显示模块可以用二极数码光或者是LCD液晶显示屏来显示比赛得分以及比赛时间的倒计时。比赛中的加减分以及时间的调整等控制可以由单片机外接按键控制电路来实现。最后本设计中还需要一个报警电路，在比赛时间结束后通过一个蜂鸣器进行提示报警，另外在报警电路中可以再添加一个LED灯进行闪烁报警，这样能够更加的醒目。通过几个模块就可以完成相应的计分器控制和显示功能的协调。在本设计基于单片机的篮球计时计分器中，显示器作为显示设备，显示比赛中两队的比分以及单节比赛的倒计时，考虑到篮球比赛的特殊性，在显示中本人另外添加了一个24秒进攻时间的倒计时。在比赛过程中由控制按键随时可以对比赛的两队比分进行刷新、对比赛时间作出调整以及开始/暂停比赛倒计时。在比赛结束时会有蜂鸣器的蜂鸣报警，同时伴随着LED灯的闪烁。中场时可以显示比赛两队位置的交换。在本设计中，经查阅篮球比赛资料，一场比赛分四节，以12分钟作为单机比赛的倒计时时间，24秒作为比赛的一次进攻倒计时时间。硬件设计各模块大体设计如下图2-1所示。图2-12.1.1显示方案的选择方案一：采用数码管LED显示，LED显示器是由发光二极管构成的LED数码管、LED点阵显示器等。LED发光器件一般常用的有两类：数码管和点阵。方案二：采用液晶电路来显示，LCD是工业字符型液晶，具有显示效果清晰、显示内容多式多样的特点。对以上两个方案加以比较，可以发现LED虽然使用简单，但是显示内容有限，显示效果不是很直观，硬件连接电路较为复杂，而且稳定性不高；而LCD液晶显示屏连接线路简单，显示内容丰富，易于硬件电路实现，可靠性较好。AT89C52控制器时钟电路复位电路键盘控制电路显示电路LED及蜂鸣器报警综上所述：显示模块采用第二种方案，本设计采用LCD液晶显示屏来实现本设计的显示功能。2.1.2计时方案的选择方案一：采用芯片74LS192（十进制同步加/减计数器）、NE555（秒脉冲发生器）以及辅助电路等组成。设计中秒脉冲发生器是采用555集成电路组成的多谐振荡器构成，通过计算来产生比较准确的1秒脉冲。译码显示电路用CD4511和共阴极七段LED数码管组成，报警电路在实验中用发光二极管代替。该方案能较准确的显示比赛时间和比分，但是有众多的不足。例如：电路中用到的芯片较多，无法简化设计方案。方案二：采用计时芯片,针对计算机系统对计时芯片的要求，各大芯片厂家推出了键时钟/倒计时/正计时各种芯片，可采用自动控制计时芯片，通过触发控制电路使计时器自动地计时，达到预定时间后芯片重新开始计时（实现倒计时功能）；也可以通过触发控制电路使计时器不计时，达到预定时间后芯片重新开始计时（实现暂停功能），不需要程序干预。计算机可通过中断或查询方式读取计时器数据，实现计时的暂停的功能，并进行显示，计时功能的实现就无需占用CPU的时间，程序简单，控制精度高，因此在工业控制系统中多采用这一类专用芯片来实现计时功能。方案三：软件控制,利用AT89S52内部的定时器/计数器进行中断定时，配合软件延时实现计时。该方案节省硬件成本，并且可综合运用定时器/计数器、中断以及程序设计的知识，因此本系统采用方案三软件方法来实现计时。2.2硬件的选择根据以上方案的选择，本设计在硬件方面有了初步的确定。在单片机方面，本设计中打算选用89C52单片机，其容量比89C51大一倍。在LCD液晶显示屏方面，考虑到本设计中需要多行显示(一行显示比赛时间，一行显示比赛分数，另外本设计中可能还需要一行作为24秒进攻时间倒计时的显示），所以可以选择市场较为普遍的1602或者12864LCD液晶显示屏。最后由于报警电路的需要，还要选用一个蜂鸣报警器以及一个LED二极管。本设计选用原件清单如下：单片机AT89C5212864LCD液晶显示屏蜂鸣报警器LED二极管灯滑动变阻器电容、电阻、三极管若干3系统硬件的设计3.1系统总体设计本设计中，系统采用ATMEL公司AT89S52单片机为控制核心，由倒计时模块、比分显示模块、人机接口模块、报警模块等部分组成。其中比赛时间倒计时和24秒进攻倒计时分别采用单片机AT89S52的定时器1和定时器2实现；人机接口模块由键盘和LCD1602液晶组成，可实现比赛时间、24秒倒计时设置和显示、比分显示和比赛节数显示等功能。本设计采用切换试按键的控制方式，通过一个模式按键对比赛两队分数、比赛时间的分秒位进行切换，通过一个加键、一个减键对切换到的位子数据进行加减。另外单独设置一个开始/暂停按键控制比赛的开机与暂停。最后本设计中还有一个24秒的进攻时间倒计时清零键控制对其清零。设计中接通电源，系统进行复位（本系统中复位为系统断电再接通），蜂鸣报警器蜂鸣、LED二极管闪烁显示第一节比赛开始，进行12分倒计时，单节比赛倒计时完成自动进入下节比赛（中途可暂停），当第二节比比赛倒计时完成进入第三节比赛时两队比分位置自动进行交换。比赛中途可以随时对两队比分、比赛时间进行人为调整。3.2硬件设计原理简介3.2.1控制单片机AT89C52的简介AT89S52是一个低的功率，高性能8位微控制器芯片包含8K字节的ISP（在系统编程）可以被反复擦除1000次的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性挥发性记忆体技术，兼容标准MCS-51指令集与80C51引脚结构，集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元芯片，功能强大的单片机AT89S52为许多嵌入式控制应用的解决方案，以提供符合成本效益的。设计AT89S52DIP40封装引脚结构如图3-1所示。，除8K字节FLASH芯片的程序存储器，256字节的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，8个中断源，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。图3-1AT89S52单片机引脚说明如下：Vcc：电源端，接+5VVSS：接地端子。XTAL1：当使用外部TTL时钟输入端为外部时钟时，此引脚连接到外部晶体和微调电容器，片上振荡器反相放大器输入的一端。XTAL2的另一端连接到一个外部晶体和微调电容器，片上振荡器反相放大器的输出端，该引脚必须敞开时，使用外部TTL时钟。，ALE地址锁存使能ALE信号：P0口输出的地址锁存器输出的低8位地址锁存器控制系统扩展，使复用的数据和低地址。此外，ALE在第六晶体频率的固定频率输出的正脉冲，作为外部时钟或外部定时脉冲使用。PSEN：PSEN是外部程序存储器的读选通，低电平有效。访问程序存储器控制信号EA：当CPU执行片上程序存储器指令，但是当PC值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。的复位信号RST：此信号是高有效，在输入侧