基于单片机的比赛记分牌设计

课程设计(论文)说明书题目：基于单片机的比赛记分牌设计院（系）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：学号：指导教师：职称：2015年12月18日摘要本论文介绍了以AT89S52为核心控制部件，并制作成为最小系统，兼备输入信号的识别与处理与输出信号的控制；其主要功能为实现体育竞赛的简单记分功能；事先在单片机内部写入控制程序，通过用户按键，对单片机输入不同的控制信号，即可实现分数的加与减、权值的灵活调整、蜂鸣提醒、手动式计数复位以及具体数字显示等功能。整个设计流程分为硬件设计与软件设计两大部分，但本文仅着重叙述硬件设计部分。关键字：AT89S52；单片机；记分系统AbstractInthispaperintroducesonekindofscorescountingfunctionthattakethe51singlechipmicrocomputerastheprimarycontrolunit.Thescorescounting,weightchanging,buzzingwhennumberchangesanddisplaythenumberisthemajorfunctioninthisminimumsystem.Thewholeprocesscanbedividedintotwodifferentparts.Theoneishardwaredesign,andtheotheroneissoftware.Butthepapertendstointroducethepartofhardwaredesign.Keywords：AT89S52；MCU；CountingSystem目录1引言…………………………………………………………………………11.1单片机简介………………………………………………………………………11.2单片机的基本组成………………………………………………………………11.3单片机的特点……………………………………………………………………11.4单片机的应用……………………………………………………………………12硬件设计…………………………………………………………………22.1硬件电路分析……………………………………………………………………22.2硬件部件选择与简介……………………………………………………………22.2.1控制模块………………………………………………………………………22.2.2显示模块………………………………………………………………………32.2.3键盘模块………………………………………………………………………42.2.4电源指示模块…………………………………………………………………42.2.5时钟模块………………………………………………………………………52.2.6复位模块………………………………………………………………………52.2.7程序录入模块…………………………………………………………………62.2.8其余电子零部件………………………………………………………………63电路设计…………………………………………………………………63.1开发平台简介……………………………………………………………………73.2电路原理图………………………………………………………………………73.3PCB制作简介……………………………………………………………………73.4单片机成品简介…………………………………………………………………83.5单片机使用简介…………………………………………………………………84程序设计…………………………………………………………………94.1编程平台简介……………………………………………………………………104.2程序分析…………………………………………………………………………104.3程序流程图………………………………………………………………………114.4源程序代码………………………………………………………………………115设计总结…………………………………………………………………11谢辞…………………………………………………………………………12参考文献……………………………………………………………………13附录…………………………………………………………………………1411引言1.1单片机简介单片机是一个单芯片形态，面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域，进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展，并正在深深地改变着我们的社会。1.2单片机的基本组成单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的，完整的单片微型计算机。1.3单片机的特点单片机独特的结构决定了它具有如下特点。(1)集成度高，可靠性高单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度极高，芯片体积小。由于芯片是按工业测控环境要求所设计，因此内部布线很短，其抵抗工业噪音性能优于一般的通用CPU。单片机的程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易遭到破坏，多数信号通道均处在一个芯片内，故可靠性高。(2)控制功能多样为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，满足日常控制的同时，更能胜任特殊的控制需求。(3)能耗极低为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压为1.8V～5.0V，而工作电流仅为数百微安。(4)性价比突出单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线或DSP等技术。目前单片机的寻址能力已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，由于各大公司的商业竞争，更使其价格十分低廉，极具性价比。1.4单片机的应用由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。小到儿童玩具，信用卡，大到航天器，机器人，从实现数据采集，过程控制，模2糊控制等智能系统，到人类的日常生活，到处都离不开单片机。其主要的应用领域如下：(1)在测控系统中的应用单片机可以用于构成各种工业控制系统，自适应控制系统，数据采集系统等。例如，工业上的锅炉温度控制，电机运转控制，车辆检测系统，水闸自动控制，数控机床及军事上的雷达、导弹系统等。(2)在智能化仪器、仪表中的应用单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和综合化等方向发展。单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的机械或环境误差误差得以修正，线性化的处理等难题迎刃而解。(3)在机电一体化中的应用单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能化，构成新一代的机电一体化产品；这是机械工业发展的方向。2硬件设计2.1硬件电路分析按照课题要求，单片机硬件部分需要具备主控模块、显示模块、按键模块、电源模块等四大主要模块。2.2硬件部件选择与简介2.2.1控制模块主控模块选用AT89S52，它是是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具8K在线可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，WDT定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。此外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。本课程设计为了方便程序的下载与调试，采用了具备ISP功能的、较C51系列CPU更为先进的S52进行开发设计。其电器原理及针脚定义如图2.1：3图2.12.2.2显示模块显示模块采用共阳极四段8位LED数码管，共12个引脚；原理及引脚定义如图2.2所示，单段显示范围为A~F、0~9。采用动态点亮方式，可以实现程序中的“权-分数”显示，同时满足0~100的记分要求。电路设计如图2.3中，P0.x作为一段8位LED数码管的电平转换接口，相应的变成低点位即可点亮对应的管脚。Kx端作为四段数码管的选通引脚，配合P0.x口，就能实现四段8位LED数码管的动态点亮。图2.24图2.32.2.3键盘模块分值计数模块采用了4枚按键，包含一枚分数数值“+”，以及一枚分数数值“-”；在此基础上，引入权计数方式，以方便如普通分值的加一，同时可轻松实现如篮球比赛中三分球的加三，而避免了频繁按键。图2.4为记分、加权按键原理图，采用了共阴极设计，当CPU的P2.x某个电位由高变低时，CPU便可识别信号的来源，并进行相应的操作。图2.42.2.4电源指示模块电源模块中加入了一枚红色LED二极管，用以显示单片机上电情况；供电使用+5V直流电压，并使用开关控制。图2.5为LED接线原理图，图2.6为电源开关及接口原理图：5图2.5图2.62.2.5时钟模块时钟模块在设计时采用12MHz频率的晶体振荡器，但由于实际中在串行通信时无法达到标准的波特率，如9600，4800；为了实现计数器的计时准确，以及方便编程，让计数器能进行整数计数，所以实际选用的是频率为11.0592MHz的石英晶体振荡器，其X1与X2端分别接入CPU引脚中的XLAT1与XLAT2，产生稳定的时钟频率。其接口原理如图2.7：图2.72.2.6复位模块单片机在程序中已经设定开机上电时初始分数为0，为了达到设计功能，当记分结束时可通过手动方式将分数清零，即单片机的复位操作，所以引入了复位电路。当按下按键时，电路产生一个高电平，由于电容的引入，实现了将电平保持两个周期以上，并将其送入CPU中的RST引脚中，单片机检测到RST引脚输入的信号，即按照相应程序设计对软件和对应的端口进行复位。其原理如图2.8：6图2.82.2.7程序录入模块本次课程设计采用了51单片机的S系列CPU，最大的特点之一是支持ISP（InSystemProgramming）在线编程。只需在单片机上加入code写入接口，即可不用拆下CPU实现程序代码的写入。ISP接口电路原理如图2.9：图2.92.2.8其余电子零部件如表2.1。电阻多用为限制电流强度，以保护相关电子元件。在四段8位LED数码管的电路中，每一段都引入了一枚S8550三极管以放大单片机引脚输出的弱电压，以驱动数码管发光；同理在无源蜂鸣器中也有相应的应用。序号名称类型数量19脚排阻10K12无源蜂鸣器-13电解电容10uF14瓷片电容30pF25三极管S855056色环电阻150Ω87色环电阻4.7KΩ5表2.13电路设计3.1开发平台简介7本课程设计采用AltiumDesign为平台，进行设计。AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。3.2电路原理图如图2.10所示：图2.103.3PCB制作简介本设计中，由于电路较为简单，元件数量较少，所以选择热转印法进行制作，其具体步骤及操作如下：（1）使用热转印纸将绘制好的PCB板电路原理打印出来，为了得到最优成品，所以选择打印四份，挑选其中质量最好的两份进行转印。（2）选择符合转印之中电路板大小的覆