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 0100 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2靠性比一般危机系统高得多。 （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。8051CPU C 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：00HFFH。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3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： （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 3-1 3.2 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 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储 器和 256 byres 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 3-2 3.3 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 P20P23，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 P0P7 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 CPUAT89C512 104 瓷片电容 130pF4 104 瓷片电容 210uF2 晶振 12MHz2 蜂鸣器2 PNP 三极管MJE3502 1602 液晶2 电阻10K2 RESPACK-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 d