机电一体化毕业设计论文基于单片机的篮球比赛计时器硬件设计.doc

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1、毕业设计（论文）题目： 篮球计时器系统设计 专 业 机电一体化 班 级 姓 名 指导教师 2012年 5 月 22 日目 录前 言1第1章 绪论21.1 设计目的和意义21.2 设计题目21.3设计的要求3第2章 硬件电路设计42.1 系统的硬件构成及功能42.1.1 AT89S51单片机及其引脚说明42.2 电源电路及复位电路设计92.2.1 电源电路9 2.2.2 复位电路112.3 时钟电路设计122.4 显示电路设计14第3章 系统软件的设计173.1 定时中断的程序设计173.2 独立键盘服务程序的设计183.3 显示子程序的设计183.4 系统软件的调试18第4章 系统调试及结果分

2、析194.1 使用的主要仪器和调试工具的简介194.2 系统调试204.3 测试结果20结 论21致 谢22参考文献23II湖南生物机电职业技术学院篮球竞赛计时器设计摘 要本文介绍了一个基于单片机的篮球比赛计时器硬件设计，包括AT89C51、6个八段显示LED、上电复位电路、时钟发生电路等基本模块的设计。其功能主要有：一场篮球比赛共分四节，每节12分；每次进攻为24秒，计时器的显示均为倒计时方式，24秒计时用两位数码管显示；所有得计时都要具有暂停、继续、清零和时间调整功能；当每节比赛时间结束、24秒倒计时减为零有声光提示,具有得分计数功能。This article introduced bas

3、ed on the monolithic integrated circuit basketball game timer hardware design, including AT89C51, 6 eight sections demonstrated LED, on the electricity replacement electric circuit, the clock has the electric circuit and so on the basic module design.Its function mainly has: A basketball game altoge

4、ther is divided four, each 12 minutes; Each time attack is 24 seconds, the timer demonstration is the countdown way, 24 seconds time demonstrated with two nixietubes; All succeeds in schemes when all must have the suspension, the continuation, the reset and the time adjustment function; When each co

5、mpetition time finished, 24 seconds countdowns reduces for the zero has the acousto-optic prompt, has the score counting function.关键词： 单片机；计时器；倒计时；LED 前 言近年来随着计算机在社会领域的渗透，在电子技术飞速发展的今天，单片机的应用正在不断地走向深入。单片机技术在自动控制领域有着十分广泛的应用，如汽车、航空、电话、传真、视频等。很多行业涉及到自动控制的情况下涉及到单片机技术。电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，单片机就是一个微型中央处理器，通过编

6、程即能完成很多智能化的工作 ，因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始注重身体素质的提高，譬如举办篮球比赛需要有一个专门计时的工具。因此有必要设计适合篮球比赛计时器。1第1章 绪论1.1 设计目的和意义 首先，巩固和加深在模拟电子技术和数字电子技术中所学到的基本理论知识和基本技能，本次设计的目的在理论学习的基础上，通过完成一个涉及89S51芯片单片机的资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来。基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高和培养在电子电路方面的设计和实

7、验能力，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，学会运用理论来分析和解决实际问题，提高实际工作的能力,为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。1.2 设计题目设计一个篮球比赛的计时器。 2 1.3设计的要求 （1）篮球比赛上下半场各二十分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一场比赛结束后可清零（复位）重新开始。 （2）计时器由分、秒计数器完成 （3）“分”、“秒”显示用LED数码管，应配用相应的译码器。 （4）用按钮开关控制计时器的启动/暂停。 （5）

8、半场、全场到自动音响提示，用按钮开关关断声音， 分与秒要有不同报警声音。 3第2章 硬件电路设计2.1 系统的硬件构成及功能 89S51端口分配：P0.0 - P0.7口LED显示器段选口P2.2 - P2.7口LED显示器段选口P2.1、P2.1口加减指示灯（代替数码管闪烁）P 3.0 P3.7口键盘列线输入P1.0、P1.1口-光报警P1.2口-声响报警2.1.1 AT89S51单片机及其引脚说明AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB的可系统编程的Flash只读程序存储器，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805

9、1指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8位微处理器于单片芯片中，具有高性价比。AT89S51是一个有40个引脚的芯片，引脚配置如图2.1.1所示。4图2.1.1 AT89S51引脚配置AT89S51芯片的40个引脚功能为：VCC：电源电压。GND：接地。RST：复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISKRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XT

10、AL2：来自反向振荡放大器的输出。P0口：一组8位漏极开路型双向I/O口。也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电

11、阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P1口部分端口引脚及功能如表2.1.1所示。表2.1.1 P1口特殊功能 P1口引脚特殊功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MOSI（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数

12、据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校验期间，P2亦接收低8位地址。P3口：一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写“1”时，它们被内部的上拉电阻把拉到高电并可作输入端口。作输入端口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1.2所示。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号。7表2.1.2 P3口特殊功能P3口引脚特殊

13、功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读先通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN/有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN/信号。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平，需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。Flash存储

14、器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP 2.2 电源电路及复位电路设计2.2.1 电源电路在该系统中需要用到+5V的直流稳压电源，在我们的生活中一般都是使用220的交流电，为了获得高质量的5V直流稳压电源，这就需要我们进行电压转化。其转化图如图2.2.1所示：图2.2.1 内部转化图这里的滤波是为了滤去外界电源输入带来的一些不稳定的因素，比如说纹波的影响，而用一个大电容和一个小电容的组合，是为了分别滤去低频或高频的纹波。 电源部分的电路如图2.2.2所示：图 2.2.2 电源部分原理图7805系列集成稳压器，只有输入端、输出端和公共端三个引线端子，可输出1A以上的电流，有必要的保护电路，

15、使用起来安全可靠。它输出固定的正电压。从变压器输出的交流电压经过整流、滤波后产生的不稳定直流电压，从稳压器的输入端输入，在稳压器的输出端就可得到稳定的直流电压输出。正常工作时，稳压器输入、输出电压差为23V，电容用来实现频率补偿。图中C1为0.1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2为0.1用来减少由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为100为容量较大的电解电容，用来进一步减少输出脉动和低频干扰。 2.2.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给8051的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得8051复位，复位时，PC初始化为00

16、00H，使8051从OUT单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得RST脚为高电平，使8051重新启动。在系统中，有时会出现显示不正常，也为了调试方便，我们需要设计一个复位电路，在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能更完善的电路。本系统采用的电路如图2.3.3所示。工作原理是：上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。当时钟频率选用6MHz时

17、，C取22F，R取1K。图 2.2.3 复位部分原理 上电自动复位电路由上电瞬间C与R构成充电电路，RESET端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。图中RC时间常数越大，上电时RESET端保持高电平的时间越长，图中这组参数足以保证复位操作。若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运行。2.3 时钟电路设计 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式

18、。此设计选用内部时钟方式如图2.3.1：图2.3.1 时钟电路部分原理图 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2典型值通常选择30pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212MHz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和

19、电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路没有问题。2.4 显示电路设计在单片机系统中，常常用数码管做显示器，一般的显示器为4位或8位。本系统使用数码管显

20、示分 秒，因此需要6位数码管。数码管显示电路有静态显示和动态显示两种。本设计中采用的是4位数码管动态扫描的方式，但是这种方式用共阴极数码管时需用三极管驱动，4个数码管需要用7个三极管来驱动，总共占用单片机12个I/O口线,也可以用静态显示方式，共阴极数码管用74HC595驱动。，只需占用3个I/O口.数码管管脚图2.4.1及其七段LED码表2.4.1所示：图2.4.1 数码管管脚 表2.4.1 七段LED显示字符共阳极段码显示字符共阳极段码0C0H592H1F9H682H2A4H7F8H3B0H880H499H990H 第3章 系统软件的设计3.1 定时中断的程序设计 否开始保护现场重置计数初

21、值中断数据送显示缓冲单元调用显示子程序恢复现场并中断返回是如图3.1.1 图3.1.1 定时中断程序流程图3.2 独立键盘服务程序的设计键盘有功能按键和直接查询按键，功能按键需要子程序不断的调用，并在主程序中循环检测，直接按键通过查询方式，判断相应的数据进行相应的调整。3.3 显示子程序的设计显示程序时通过查询数组的方式，进行动态扫描,给P0口送段码，P2口送位码。3.4 系统软件的调试显示部分是采用三极管驱动七段LED数码管，采用+5V直流稳压电源进行供电。我使用的是爱思超级仿真开发系统。电脑里安装上了仿真软件后，把89S51的仿真头接至电路板上，把仿真器RS-232口与电脑的RS232口连

22、接。就可以进行仿真了。第4章 系统调试及结果分析4.1 使用的主要仪器和调试工具的简介数字万用表DT9203单片机仿真器WAVE6000烧写器 GF2100双踪稳压稳流电源DH1718E-5数字示波器 TDS1002在调试过程中，使用的调试工具是爱思超级仿真开发系统。该仿真系统包括G3000仿真器、稳压电源、仿真头及串口通信控制线构成。使用方法为将仿真头连接在用户板上，控制线连接仿真器和电脑，接上电源，在电脑上安装仿真软件就可以进行仿真调试了。在仿真系统中可以进行程序的编写、编译、运行，运行的同时可以对各个寄存器、存储空间及变量的值进行观察。当编写的程序有错误时，编译时就会出现错误的信息及所在

23、的位置，在运行程序时可以设置断点，进行单步运行，也可以连续运行。4.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试。4.3 测试结果实现了课题的要求，具有秒、分的倒计时，得分计数的功能。14结论结 论本文介绍了以89S51单片机为核心的篮球比赛计时器，并详细介绍了各个部分的功能的结构，原理，本系统所选的。在论文制作的整个过程中，本人最深的体会是做一定要认真，仔细。这一点与只写一篇文章的论文有很大的不同。在画原理图，焊器件，调试的过程中，都必须以认真，仔细的态度去对待每一个细节，任何不

24、慎都将导致最终的失败。当然，这些都是我未来学习和工作的重要步骤，相信有了这一步，我将致谢致 谢 本文的研究工作是在陈老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着指导老师辛勤的汗水和心血。指导老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的指导老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理，在此我要向我的指导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在多年的学习生活中，还得到了许多领导和老师的热情关心和帮助，在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意! 衷心地感谢在百忙之中评阅论文的各位老师!参考文献参考文献1 杨素行.模拟电子技术基础.北京:清华大学电子教研组,19982 李士平.北京电子报.北京：北京电子报社98合订本下,1998 3 何立文.单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，19944 童诗白.现代电子学及应用.南京：东南大学出版社.1997, 5 崔广新.高性能价格比单片机AT89C2051J.北京：电子技术应用，1996