基于单片机的篮球赛计时计分器器的设计本科毕业设计.docx
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基于单片机的篮球赛计时计分器器的设计本科毕业设计
南京工程学院
自动化学院
本科毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的篮球赛计时计分器器的设计
专业：
自动化
GradustcionDesign（Thesis）
Design of the splitter-based single-chip
basketballgame timescoring
By
Zhouweijun
Supervisedby
Prof.XINGCanhua
DepartmentofAutomstcionEngineering
NanjingInstituteofTechnology
April,2012
摘要
此次设计属于计算机控制技术弱电课程设计，主要通过基于单片机STC89C51芯片座位本次核心控制元件，利用数码管座位显示器件，键盘输入电路等相关的软件的有机结合以及喇叭等辅助器件，构成了一个满足基本设计要求的篮球计时计分系统。
本系统可满足倒计时方式显示单节比赛剩余时间，可暂停，显示双方得分，按键输入修改分值，如有错误可进行分值的相应修改。
整场比赛结束时有声音提示。
系统符合一般篮球赛计时器的工作要求。
采用数码管显示器件，因为其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪器和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，而且有利于硬件实物的成功。
设计的主要方法主要是通过仿真确定方案的可行性，然后在进行局部测试实物是否满足仿真的设计要求，最后把整体电路搭建完成做最后的测试和调试。
关键词：
STC89C51;数码管显示;计数器;计分器
ABSTRACT
Thedesigniscomputer-controlledweakcurriculumdesign,mainlythroughthecombinationofspeakersandotherauxiliarydevices,theuseofthesoftwareofthedigitaltubeseatdisplay,keyboardinputcircuitthemicrocontrollerSTC89C51chipseatofthecorecontrolelements,constitutingatthebasicdesignrequirementsbasketballtimingscoringsystem.Thissystemcanmeetthecountdowndisplaytheremainingtimeofasinglegametopause,toshowbothsidesscoringkeyinputtomodifythescore,ifanerrorscorescanbemodifiedaccordingly.Theendofthegame,avoiceprompt.Thesystemmeetstherequirementsfortheworkofthegeneralbasketballtimer.Digitaldisplay,micro-power,smallsize,theuseofflexibleandmanyotheradvantagestobemorewidelyusedinpocket-sizedinstrumentandlow-powerapplications,butalsoconducivetothesuccessofthehardwareinkind.Themainmethodofdesignistodeterminethefeasibilityoftheprogramthroughthesimulation,andthenmeetinkindduringthelocaltestsimulationdesignrequirements,theoverallcircuitstructurestocompletethefinaltestinganddebugging.
Keywords：
STC89C51;digitaldisplay;counter;scoring
第一章绪论1
1.1引言1
1.2设计背景1
1.3设计目的2
1.4设计意义2
第二章系统硬件介绍3
2.1MCS-51单片机简述3
2.1.1单片机STC89C51简介3
2.1.2主要特性5
2.1.3管脚说明5
2.1.4芯片擦除6
2.1.5空闲节电模式7
2.1.6掉电模式7
2.1.7程序存储器的加密8
2.1.8STC89C51的极限参数8
2.2显示器及其接口8
2.2.1显示器介绍8
2.2.2结构与原理9
2.2.3LED显示器显示方式11
2.2.4LED显示器接口实例13
2.3报警器15
2.3.1报警器的分类15
2.3.2报警器工作原理15
2.374HC573芯片介绍15
2.4矩阵键盘16
第三章硬件电路的设计12
3.1DXP软件的介绍19
3.2系统方案的设计29
3.3硬件总体设计32
3.3.1STC89C51最小系统板部分33
3.3.2振荡电路33
3.3.3计时电路设计34
3.3.4计分电路设计34
3.3.5串行接口工作原理35
3.3.6复位电路原理36
3.3.7电源开关电路原理37
3.3.8矩阵键盘部分37
3.3.9全部电路的制作和调试37
第四章软件程序设计38
4.1Keil开发环境的介绍38
4.2程序设计47
4.3系统调试47
第五章结论48
5.1论文总结48
5.1.1主要工作及结论48
5.1.2存在问题48
5.2感想与收获48
致谢48
参考文献49
附录A：
英文资料50
附录B：
英文资料翻译52
附录C：
硬件设计原理图与PCB图54
附录D：
C语言程序58
附件：
毕业论文光盘资料
第一章绪论
1.1引言
进入21世纪，伴随着电子、信息技术的应用与迅速普及，人们对电子技术的要求越来越高。
当今社会，科学技术日异月新，时代进步的步伐越慢越宽，应用自动化设备，计算机处理，数字化信息，现代化显示设备等高新技术而建设的现代化智能。
目前单片机渗透带我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪影。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制盒数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机，摄像机，全自动洗衣机的控制，以及遥控玩具，电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
通过此次基于单片机设计的篮球计时计分的系统，我们可以更清楚详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧来讲诉单片机编程，并对STC89C51单片机的结构和原理进行讲诉，以及基于单片机开发应用的相关芯片的工作原理，和相关外围电路的设计和调试过程进一步了解，有助于今后的工作和学习生活。
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STC89C51完成了计时和计分的功能。
本文详细地介绍了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事件的准确显示们具有低功耗，可靠性，安全性以及低成本等特点。
1.2设计背景
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。
单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。
例如，STC80C51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的趋势，就充分证明了这一点。
单片机以其一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。
并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器等。
而美国STCMEL公司开发生产了新型的8位单片机——STC89系列单机。
他不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，此次设计中所用到的STC89C51就是其中典型的代表。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。
单片机是靠程序实现功能的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功
能，尤其是特殊的独特的一些功能。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代
开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件的话，电路一定是一块
大PCB板。
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会
有天壤之别。
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以
及高可靠性。
1.3设计目的
随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而产生，如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器，用单片机控制数码管计时计分器等。
本次设计用由STC89C51编程控制LED数码管作显示的球赛计时计分系统。
该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。
它具有价格低廉，性能稳定，操作方便并且易于携带等特点。
广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时计分。
通过本次基于C51系列篮球计时计分器的设计，可以了解、熟悉有关单片机开发设计的过程，这主要表现在以下一些方面：
（1）篮球赛计时计分系统包含了STC8051系列单片机的最小应用系统的构成，
同时在此基础上扩展了一些使用性强的外围接口。
（2）可以了解到数码管显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例与
具体连接与编程方法。
（3）怎样利用外接矩阵键盘来控制比赛时间和比赛分数等
1.4设计意义
单片机的应用是具有高度现实意义的。
单片机极高的可靠性，微型性和智能
性（我们只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作），单片机已成为工
业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的日常生活
当中通过此次基于单片机设计的篮球计时计分系统，我们可以更清楚详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧来讲述单片机编程，并对
MCS-51单片机的结构和原理进行讲述，以及基于单片机开发应用的相关芯片的
工作原理，并且可以在将来的工作和学习中加以应用。
第2章系统硬件介绍
2.1MCS-51单片机简述
2.1.1单片机STC89C51简介
MCS51[1]是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。
INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中STC89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由STMicroelectronics公司开发生产的。
本课题中用到的芯片是STC89C51单片机芯片。
STC89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用STMicroelectronics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，内置功能强大的微型计算机的STC89C51提供了高性价比的解决方案。
STC89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
它是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16
位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[2][3]。
如图所示，图1-1为STC89C51基本构造，其基本性能介绍如下：
图2-1为STC89C51基本构造
STC89C51本身内含40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含
2个外中端口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C51
可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash
存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
下图为STC89C51方框原理图
图2-2STC89C51方框原理图
2.1.2主要特性：
STC89C51的主要特性如下表所示：
表2-1STC89C51主要功能描述
兼容MCS—51指令系统
4k可反复擦写（>1000次）FlashROM
32个双向I/O口
可编程UARL通道
两个16位可编程定时/计数器
全静态操作0-24MHz
1个串行中断
128x8bit内部RAM
两个外部中断源
共6个中断源
可直接驱动LED
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
2.1.3管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，
由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
表2-2STC89C51特殊功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
P3.5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚8被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.1.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持
ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”
且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，STC89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.1.5空闲节电模式
STC89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模
式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON（电源控制寄存器）中的PD（PCON.1
）和IDL（PCON.0）位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模
式，单片机进入掉电工作状态，IDL是空闲等待状态，当IDL=1时，激活空闲
工作模式，单片机进入睡眠状态，如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电工作模式。
在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状
态，这种方式由软件产生。
此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持
不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或者硬件复位终止。
终止空闲工作模式的方法有两种其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。
程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位也可以将空闲工作模式终止。
需要注意的是，当由硬
件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活模式那条指令的下一条指令
开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周
期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。
为了避免对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令的后一条指令不应是一条对端口或者外部存储器的写入指令。
2.1.6掉电模式
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行
的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
推出掉
电模式的唯一方法是硬件复位。
复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变
RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并且稳定的工作。
空闲和掉电模式外部引脚状态如表2-3所示
表2-3外部引脚状态表
模式
空闲模式
空闲模式
掉电模式
掉电模式
程序存储器
内部
外部
内部
外部
ALE
1
1
0
0
/PROG
1
1
0
0
P0
数据
浮空
数据
浮空
P1
数据
数据
数据
数据
P2
数据
数据
数据
数据
P3
浮空
浮空
数据
数据
2.1.7程序储存器的加密
STC89C51可使用对芯片上的三个加密位LB1、LB2、LB3[2]进行编程（P）或者不进行编程（U）。
当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA断的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有服位，则锁存起的初始值是一个随机数，这个随机数会保存到真正复位为止。
2.1.8STC89C51的极限参数
表2-3极限参数表
2.2显示器及其接口
2.2.1显示器介绍
显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用
的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。
由于这两种显示器
结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。
发光二极管LED，组成的显示屏，每个点都是一个或多个发光二极管，通过控制电路控制二极管的亮与灭来控制点的发光，从而使整个大屏幕显示图案。
液晶显示器LCD最常见的就是TFT类型的，它是由光源，液晶光栅，和控制芯
片组成，他的光源是常亮的白色强光，当光线通过液晶光栅（液晶屏）的时候，
通过电压改变液晶颗粒滤光方向，从而改变每个点的颜色和强度来显示图案。
液晶显示器分很多种类，按显示方式可分为段式，行点阵式和全点阵式。
段
式与数码管类似，行点阵式一般是英文字符，全点阵式可显示任何信息，如汉
字、图形、图表等。
两者之间的区别：
（1）二极本身发光，液晶本身不发光，只是透射光。
（2）二极管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低。
液晶成本较高，面积无法做得很大，但图像质量很好，适合做显示器。
（3）二极管耗电大，液晶耗电小。
（4）二极管图像刷新率低，液晶的高二者的档次相差比较大，一般来讲在一些图像简单，对成本控制较严格的场合，用二极管，比如商场、银行等服务部门的电子提示窗，街道、百货公司外面的广告宣传窗；而液晶一般都是作计算机显示器、电视、手持设备等对图像质量要求高的场合。
下面介绍发光二极管显示器（LED）的结构、工作原理及其接口电路。
2.2.2结构与原理
下图为典型的数码管：
图2-47段LED数码管
如上图，LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。
中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的
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