嵌入式课程设计-篮球赛计时记分牌.doc

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接口技术课程设计报告篮球赛计时记分牌学院(系)：专业年级：学生姓名：学号：指导教师：完成日期： 2013年7月05日 I 设计思路与方案目录 1 设计目的与要求 - 1 - 1.1 设计目的 - 1 - 1.2 设计要求 - 1 - 2 系统硬件设计 - 1 - 2.1 总体设计方案 - 1 - 2.2 芯片选型与电路设计 - 2 - 2.2.1 单片机的选型 - 2 - 2.2.2 74HC573介绍 - 2 - 2.3 各模块电路设计 - 5 - 2.3.1 复位和振荡电路的设计 - 5 - 2.3.2 键盘输入模块的设计 - 6 - 2.3.3 信息提示模块的设计 - 6 - 2.3 系统总体电路 - 6 - 3 软件系统设计 - 7 - 3.1 软件系统总体设计方案 - 7 - 3.2 系统各模块程序设计 - 8 - 3.2.1 主程序设计 - 8 - 3.2.2 按键检测子程序设计 - 9 - 3.2.3 数码管显示子程序设计 - 10 - 4 系统调试 - 11 - 4.1 Proteus仿真 - 11 - 4.2 实物调试 - 12 - 5 总结 - 13 - 5.1本系统存在的问题及经验总结 - 13 - 5.2心得体会 - 14 - 参考文献 - 14 - 附录I 源程序清单 - 15 - - 31 - 设计目的与要求 1 设计目的与要求 1.1 设计目的目前球场计时记分牌在传统操作模式下，采用记分员手动翻动记分牌记分，采用秒表手动计时，工作方式单一，且记分翻牌麻烦，计时不准确。由于这些弊端，电子计时记分板逐渐兴起，近年大量应用于各种体育项目。电子计时记分板根据篮球比赛的具体规则，采用小型单片机为核心控制LED数码管对比赛比分以及计时进行显示，具有亮度高、可视性好、功耗小、使用寿命长等优点。 1.2 设计要求设计题目：篮球赛电子计时记分牌设计要求： (1)分别设计篮球比赛用的计时牌和记分牌； (2)上下半场各20分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一场比赛结束后可清零重新开始比赛； (3)能按照篮球计分规则计分并显示。（新增内容：①加上了减分按键，若存在按错键记录了错误比分，或由于误判比分无效等情况，可以通过减分按键将错误分数进行更正；②增加加时赛环节） 2 系统硬件设计 2.1 总体设计方案篮球记分器的硬件电路分成核心处理模块、输入模块、信息提示、显示模块三部分构成，核心处理模块以AT89C52为核心，对输入模块信号进行分析处理，设置时钟中断，数据分析及发出显示、提示模块所需控制信号；键盘输入模块由3X4矩阵键盘构成，为用户提供交互，完成比赛的开始、暂停、记分、分数调整、置数计时等功能，为单片机处理提供数据基础；提示、显示模块由8个独立数码管、10个LED显示灯及一个蜂鸣器组成，完成对比赛分数的即时显示、比赛进度的提示及时间提示，为记分员提供下一步操作的参考。系统整体结构如图1所示。图1 系统整体结构图 2.2 芯片选型与电路设计 2.2.1 单片机的选型主控模块以AT89C52单片机作为微控制器。AT89C52单片机是一种低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、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位中央处理器和Flash存储单元，有3级程序存储器加密锁定，2~3个16位定时器/计数器，6~8级中断。由于它的这些优良特性，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。采用AT89C52作为微控制器，可以很好地满足篮球记分器的系统要求。图2 AT89C52 芯片 2.2.2 74HC573介绍 74HC573包含八进制3态非反转透明锁存器，是一种高性能硅门CMOS器件，各模块电路设计输入是和标准 CMOS 输出兼容的；加上拉电阻，他们能和 LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端LE为高电平输入时，这些器件的锁存对于数据输出同步。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。74HC573在本系统中用于锁存由单片机P0数据复用口输出的位选及段选信号，对篮球时间、分数进行显示。其引脚图及功能图如图3所示。图 3 74HC573引脚图及功能图 2.3 各模块电路设计 2.3.1 复位和振荡电路的设计图4 AT89C52单片机最小系统原理图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。 2.3.2 键盘输入模块的设计用户通过键盘输入模块对系统进行控制。键盘采用3*4矩阵式按键，其中按键“开始/暂停”控制计时计分的开始与暂停，按键“交换比分”用于在半场结束后交换双方记分牌上的分数，按键 “清除结果”用于在比赛结束后清除比分，其余的按键“+1分”、“+2分”、“+3分”、“-1分”用于给参加比赛的A、B两队加上相应的分数，或在错误记分后对比分进行调整。3*4矩阵按键的7条引线分别接至AT89C52的I/O口P3_0~P3_6（实际电路中接入4*4键盘，使用其三行四列作为本系统输入模块），在单片机内部采用行列扫描法检测到按键按下，从而执行相应的任务。矩阵键盘的连接方式如图5所示。图5 矩阵键盘的连接方式 2.3.3 信息提示模块的设计信息提示模块包含4个2位8段共阴极数码管（图6 仿真中、实际电路采用8个独立数码管）、8个LED指示灯（图7 实物包含2个记分牌中间间隔灯）和一个蜂鸣器（图8）。8个数码管分别用两位数字显示比赛分钟、秒钟和赛场上两个篮板的分数。由于单片机I/O口资源有限，为了不占用太多的接口，在此使用P0口向数码管同时送出数据（段选信号）和地址（位选信号），使用两个74HC573锁存器来分离数据和地址，而P2_0和P2_1口分别用于使能段选锁存器和位选锁存器。由于P0口的电流信息显示模块设计驱动能力有限，所以外接了排阻RP1，从而增强了对数码管的驱动能力。图 6 数码管连接图 LED1、LED2、LED3分别指示比赛状态“开始”、“暂停”和“结束”；LED4用于“进球”指示，在比赛进行时按下任何一个加分按键，“进球”指示灯会闪一下；在上半场比赛结束后按下“EXCHANGE”键，“交换场地”指示灯LED5会亮，同时两个篮板的比分互换。“ERROR!”指示灯LED6用于指示用户的操作出错。6个LED采用共阳极连接方式，其阴极分别接单片机P1_0~P1_5口，当单片机某口输出低电平时，对应的LED亮。图 7 LED仿真连接图蜂鸣器接通过一个8550三级管对P1_6口输入信号放大后，接在三极管的集电极上。蜂鸣器主要用于提示比赛阶段，在半场结束或比赛结束后会发出提示音。具体连接如图8所示。图8 蜂鸣器连接图 2.3 系统总体电路系统电路主要由一片AT89C52、两片74HC573、数码管、按键及LED显示灯构成。单片机通过烧入的执行文件，通过执行，从P0口输出LED显示的位选及段选信号，为节省I/O口资源、P0口输出信号输出给两片74HC573（锁存器），通过不同时刻选通两片锁存器，为数码管输出段选和位选信号。图中排阻用于增加驱动能力，使数码管显示更清晰；按键采用点3*4矩阵按键作为输入；外部时钟电路为单片机提供固定的时钟，使计时准确；复位电路用于单片机的复位，以及显示的复位；蜂鸣器通过三极管放大电路增加驱动能力，为比赛阶段进行提示；LED显示灯用于提示比赛状态及阶段。总体电路图如图9所示。图9 系统硬件总体原理图软件系统设计 3 软件系统设计 3.1 软件系统总体设计方案软件分为主程序和自定义的头文件构成，其中头文件包含按键扫描程key_scan()、按键响应函数key_respond()、数码管显示驱动函数display()、延时函数void delay_ ms(unsigned int xms)、初始化函数init()和蜂鸣器发声函数sounder()。软件开机复位初始化，只有当按下“开始”键，开始计时记分，整个过程分为上半场、下半场、加时赛三个阶段。比赛过程中，可以通过加分按键进行记分，为纠正错误记分，可以通过“—1分”对分数进行调整；当上半场结束，单片机调用蜂鸣器提示程序进行提示，并使LED灯按规律显示；下半场开始时，比分交换，时间重置与上半场一样；下半场结束可对比分清零或进入加时赛。软件总流程图如图10所示。图10 软件总流程图 3.2 系统各模块程序设计 3.2.1 主程序设计在主程序文件main.c中包含两部分内容，分别是主函数和中断服务函数。首先是主函数void main()，这是整个程序执行的入口，在这个函数里，首先调用init()进行单片机的初始化，然后进入大循环，反复调用key_respond()和display()两个函数不断扫描按键输入并输出显示数据。在中断服务函数void Timer() interrupt 1里，设置定时器T0以工作方式1计时，计时时长为50ms，计时器每溢出一次，变量intr_num自增一次，直至intr_num等于20，于是计时时长达到1s。在中断服务程序里，计时每达到1s，篮球计时牌上的秒钟数就自减1；秒钟减到0后，分钟自减1，然后秒钟从59开始继续自减。主程序和中断服务程序流程如图11(a)、11(b)所示。图11(a) 主程序流程图图11(b) 中断服务程序流程图按键检测子程序设计 3.2.2 按键检测子程序设计按键检测子程序包括key_scan()和key_respond()两个函数。在key_scan()中采用逐行扫描法判断是哪个键被按下，返回相应的键码，如果没有按键按下，则返回0。在key_respond()中调用key_scan()中的函数，根据得到的不同键码来执行不同操作，如果键码为0，则不执行任何操作。程序实现如下： uchar key = key_scan(); //获取键码 if (key!=0) //有键按下 { if (LED_run==ON) //游戏进行中 { if(key == 11) game_pause(); //游戏暂停 else if (key == 21) { time_grade_increase(_GRADE_A,1); //A队加1分 LED_SHOOT(); //LED闪烁 game_pause(); //游戏暂停 } ··· ··· 对矩阵键盘的检测，有两种常用方法：行扫描法和线反转法。在此采用行扫描法，其识别按键的过程介绍如下。 ① 判断键盘中有无键按下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 ② 判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。按键检测程序流程图如图12所示。图12 按键检测子程序流程图 3.2.3 数码管显示子程序设计动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。数码管动态显示的正确操作顺序为：（1）段选赋值（2）位选赋值（3）位选左移（4）延时（5）消影以8只数码管同时显示数字“0”~“7”为例来说明： unsigned char code num_table[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07, 0x7F,0x6F}; //共阴极数码管字型码0~9 void delay_ms(unsigned int xms) { unsigned int i,j; for (i=xms;i>0;i--) for (j=110;j>0;j--); } /*-------------------数码管显示------------------------*/ void display(void) 系统调试 { unsigned char i; while(1) { P2=0x7f; //P2=0111,1111 for (i=0;i<8;i++) { P0=num_table[i]; //线选信号 P2=P2<<1|P2>>7; //位选信号（先循环左移再赋给P2） delay_ms(5); P0=0x00; //先延时后消影! } }//while 4 系统调试 4.1 Proteus仿真系统仿真通过Proteus软件搭建电路原理图；通过Keil uVsion 4对系统软件进行编程调试，并进行修改优化，编译解决程序中错误及警告后，生成 .hex 文件。通过点击单片机烧入执行文件，对软件及整个系统进行仿真，检验电路原理是否正确。仿真效果图如图13所示。图13 软件仿真效果图 4.2 实物调试通过理论分析及Proteus电路仿真，对电路进行了论证，采用单片机开发板作为信号的输出控制，焊接了一个8位显示的数码管显示模块用于显示，其余如3*4按键部分采用开发板的4*4矩阵键盘；LED显示模块采用开发板上跑马灯中6个；蜂鸣器使用开发板自带蜂鸣器。实物图如图14所示。图14 实物图将连线连好后，通过数据线及STC-ISP软件将生成的.hex文件烧入单片机，连接电源进行了实物仿真，通过按键，实现了篮球赛的时间显示、加分、分数调整、显示、蜂鸣器提示等功能。具体实物调试结果如图15所示。实物调试、总结图15 实物演示图 5 总结 5.1本系统存在的问题及经验总结本系统设计由实际出发，根据篮球赛具体规则进行设计，实现了篮球赛基本的要求，但在实践中遇到了一些问题：1）软件编写过程中，当要引用别人功能代码时，需看清其代码编写的思想，明确其代码具体用途，在本次实验中，采用共阴极数码管显示，由于未注意，导致有段时间仿真总是乱码。2）软件编写头文件两种方法总结：一是将自己写的功能函数全部写成子函数放在 .H 头文件中，在主程序中只需#include该 .H 文件即可；二是将功能函数全部写成单独的 .C文件，在.H文件中将所有函数进行声明，主程序只需在开头写上#include "···.h"即可。编写头文件可以省去重复写定义和声明的麻烦。3）在实物搭建过程中，要注意芯片引脚分布，不能根据仿真图中芯片引脚排列进行接线。4）本次设计未加入篮球赛中24秒，在设计后期想加入24秒，但单片机I/O有限，实验室又缺少2位的8端数码管，故放弃了该功能。 5.2心得体会通过本次单片机课程设计，对大二大三所学的知识进了温习和巩固，并将书本中理论运用到实际的电路中，同时也在其中学会了得到一个课题该按什么步骤去实现它，也学会和锻炼了在实践过程中如何去发现问题，解决问题的技巧和能力。在实际操作过程中，我们必须本着严谨的态度操作，因为接线不能马虎，接错一根就会失败而且很难发现，尤其是在接一些芯片引脚时，一旦错了要么花很多时间查找问题，要么重新连线。在本次实习中，通过多次失败，磨砺了我严谨的态度，让我懂得了耐心和细心在实际生活中的重要性。本次实习，遇到了很多问题，发现自身存在在知识方面的欠缺和不足，意识到在今后学习中要时刻温习和学习知识，扩展知识面。通过此次课程设计，我学会了发现问题解决问题的能力，同时也提高了我的实际动手能力，在老师的悉心教导和指导下，我最终基本完成了此次设计，在此谢谢老师。参考文献 [1] 郭文川主编. 单片机原理与接口技术. 北京：中国农业出版社，2007. [2] 郭天祥.51单片机C语言教程.北京: 电子工业出版社,2009.1 [3] 童诗白.华成英.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005年第4版 [4] 郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用[M].北京：清华大学出版社1995年第2版 [5] 阎石.数字电路技术基础.高等教育出版社,2002.:364-400 [6]徐惠民.单片微型计算机原理接口与应用.北京：北京邮电大学出版社，1996.：26-39 [7]陈大钦主编.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社 ,2000:74-96 附录I 源程序清单附录I 源程序清单主程序： /*======================================*/ //文件名：main.c #include <reg52.h> #include "My_func.h" uchar intr_num = 0; /*----------------主程序---------------*/ void main() { init(); //初始化 while (1) { key_respond(); display(); } } /*------------计时器T0溢出中断服务程序------------*/ void Timer() interrupt 1 //T0中断 { TIMER_LOAD(); //T0装初值 intr_num++; if (intr_num == 20) { intr_num = 0; time_grade_increase(_SECOND,-1); } } /*-----------------------------------------------*/ /*头文件======================================*/ //文件名：My_func.h #ifndef MY_FUNC_H //防止重复定义 #define MY_FUNC_H /*---------------头文件-----------------*/ #include <reg52.h> #include <intrins.h> /*---------------宏定义-----------------*/ #define PLAY_TIME 20 #define ON 0 #define OFF 1 #define _MINUTE 1 #define _SECOND 2 #define _GRADE_A 3 #define _GRADE_B 4 /*----------------位定义----------------*/ sbit LED_run= P1^0; sbit LED_pause= P1^1; sbit LED_end= P1^2; sbit LED_shoot= P1^3; sbit LED_exchg= P1^4; sbit LED_error= P1^5; sbit SOUNDER= P1^6; sbit LE_duan= P2^1; sbit LE_wei = P2^2; /*------------数据类型定义--------------*/ typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; /*----------------函数声明--------------*/ extern void init (void); extern void delay_ms(unsigned int xms); extern void sounder(void); extern uchar key_scan(void); extern void key_respond(void); extern void game_start(void); extern void game_pause(void); extern void game_clear(void); extern void display(void); extern uchar time_grade_increase(uchar item,char inc_num); extern void time_grade_set(uchar item,uchar num); void LED_INIT() { LED_run=1; LED_pause=1; LED_end=0; LED_shoot=1; LED_exchg=1; LED_error=1; } void LED_RUN() { LED_run=0; LED_pause=1; LED_end=1; } void LED_PAUSE() { LED_run=1; LED_pause=0; LED_end=1; } void LED_END() { LED_run=1; LED_pause=1; LED_end=0; } void LED_EXCHG() { LED_exchg=!LED_exchg; } void LED_SHOOT() { LED_shoot=0; delay_ms(500); LED_shoot=1; } void LED_ERROR() {LED_error=0; delay_ms(500); LED_error=1; } void TIMER_START() { TR0=1; } //启动T0 void TIMER_PAUSE() { TR0=0; } //暂停T0 void TIMER_LOAD() { TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; } void TIMER_INIT() { TMOD=0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; } char minute,second,grade_A,grade_B; uchar code num_table[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};//共阴极数码管显示0~9的字型码 /*-----------------8只数码管显示数字---------------------*/ void display() { uchar display_table[8] = {0}; //display_table[8]存放8只数码管将要显示的字型码 uchar i,display_3_num,display_4_num,temp_wei; if (second<0) { second = 59; minute--; } //秒进位到分钟 if (minute==-1) //半场结束 { TIMER_PAUSE(); //暂停计时 if (LED_exchg == OFF) //如果是上半场 { LED_PAUSE(); sounder(); //蜂鸣器提示 while (key_scan()!=12) { LED_EXCHG(); //灯闪烁 delay_ms(500); } //响应EXCHANGE键 LED_exchg = ON; time_grade_set(_MINUTE,20); //计时置数 time_grade_set(_SECOND,0); } else if (LED_exchg == ON) //如果是下半场 { time_grade_set(_MINUTE,0); //计时清零 time_grade_set(_SECOND,0); LED_END(); sounder(); //蜂鸣器提示 } } if (grade_A>99) { grade_A = 99; LED_ERROR(); } //比分超出显示范围 if (grade_B>99) { grade_B = 99; LED_ERROR(); } if (LED_exchg==ON) { display_3_num = grade_B; display_4_num = grade_A; } //下半场，比分交换 else if (LED_exchg==OFF) { display_3_num = grade_A; display_4_num = grade_B; } //上半场，比分不交换 display_table[0] = num_table[(uchar)(minute/10)]; //第1只数码管 display_table[1] = num_table[(uchar)(minute%10)]; //第2只数码管 display_table[2] = num_table[(uchar)(second/10)]; display_table[3] = num_table[(uchar)(second%10)]; display_table[4] = num_table[(uchar)(display_3_num/10)]; display_table[5] = num_table[(uchar)(display_3_num%10)]; display_table[6] = num_table[(uchar)(display_4_num/10)]; display_table[7] = num_table[(uchar)(display_4_num%10)];//第8只数码管 temp_wei=0xfe; //位选初值1111,1110 for (i=0;i<8;i++) { P0 = 0x00; //消影! LE_duan = 1; //打开段选锁存端 _nop_(); P0 = display_table[i]; //段选信号 _nop_(); LE_duan = 0; //关闭段选锁存端 P0 = 0xFF; //消影! LE_wei = 1; //打开位选锁存端 P0 = temp_wei; //位选信号 LE_wei = 0; //关闭位选锁存端 temp_wei = temp_wei<<1|temp_wei>>7; //位选信号循环左移 delay_ms(1); } LE_wei = 1; P0 = 0xFF; LE_wei = 0; } /*-----------------增大指定显示项的数字-----------------*/ //显示项可以是_MINUTE、_SECOND、_GRADE_A、_GRADE_B。 uchar time_grade_increase(uchar item,char inc_num) { uchar temp; switch (item) { case _MINUTE: minute += inc_num; temp = minute; break; case _SECOND: second += inc_num; temp = second; break; case _GRADE_A: grade_A += inc_num; temp = grade_A; break; case _GRADE_B: grade_B += inc_num; temp = grade_B; break; default: break; } return temp; } /*-----------------给指定的显示项置数--------------------*/ //显示项可以是_MINUTE、_SECOND、_GRADE_A、_GRADE_B。 void time_grade_set(uchar item,uchar num) { switch (item) { case _MINUTE: minute = num; break; case _SECOND: second = num; break; case _GRADE_A: grade_A = num; break; case _GRADE_B: grade_B = num; break; default: break; } } void key_respond() { uchar key = key_scan(); //获取键码 if (key!=0) //有键按下 { if (LED_run==ON) //游戏进行中，响应除了EXCHANGE和CLEAR之外的按键 { if (key == 11) game_pause(); else if (key == 21) { time_grade_increase(_GRADE_A,1); LED_SHOOT(); game_pause(); } else if (key == 22) { time_grade_increase(_GRADE_A,2); LED_SHOOT(); game_pause(); } else if (key == 23) { time_grade_increase(_GRADE_A,3); LED_SHOOT(); game_pause(); } else if (key == 31) { time_grade_increase(_GRADE_B,1); LED_SHOOT(); game_pause(); } else if (key == 32) { time_grade_increase(_GRADE_B,2); LED_SHOOT(); game_pause(); } else if (key == 33) { time_grade_increase(_GRADE_B,3); LED_SHOOT(); game_pause(); } else LED_ERROR(); } else if (LED_pause==ON) //游戏暂停，只响应START/PAUSE键（半场结束才响应EXCHANGE键） { if(key == 11) game_start(); else if (key == 21) { time_grade_increase(_GRADE_A,1); LED_SHOOT(); } else if (key == 24) { if(grade_A==0) { time_grade_increase(_GRADE_A,0); LED_ERROR(); } else { time_grade_increase(_GRADE_A,-1); LED_SHOOT(); game_pause(); } } else if (key == 31) { time_grade_increase(_GRADE_B,1); LED_SHOOT(); } else if (key == 34) { if(grade_B==0) { time_grade_increase(_GRADE_B,0); LED_ERROR(); } else { time_grade_increase(_GRADE_B,-1); LED_SHOOT(); game_pause(); } } else LED_ERROR(); } else if (LED_end==ON) //游戏结束，只响应START/PAUSE和CLEAR键 { if (key == 11) game_start(); else if (key == 13) game_clear(); else if (key==14)

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