长短跑自动计时器系统.docx

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长短跑自动计时器系统

学号：

14113500523

毕业设计（论文）

题目：

长短跑自动计时器系统

作者郑文静届别2015

系别机械工程学院专业机械电子工程

指导老师谭鹤良职称教授

完成时间2015年5月1号

摘要

为了让学生德智体全面发展，每年定期对学生进行多次体能测试，学生的人数在万人以上，测试的项目多。

如果采用传统的人工方法，不仅耗时过长，难以满足要求，而且对裁判的要求较高，人为因素大，精度低，大量数据的保存以及成绩的查阅方面等都有很大的困难，几乎不可能完成。

但在电子技术飞速发展的今天，电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，其发展前景仍然不可估量。

如今的人们需求的是一种能给自己带来方便的电子产品，当然最好是人性化和智能化的，如何能做到智能化呢？

单片机的引入就是一个很好的例子。

单片机又称单片微型计算机，也称为微控制器，是微型计算机的一个重要分支，单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU，RAM，ROM，I/O接口和中断系统于同一硅片上的器件。

单片机的诞生标志着计算机正式形成了计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。

尤其是美国Intel公司的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉，易于使用等特点，在工业控制，智能仪器仪表，办公室自动化，家用电器等诸多领域得到广泛的应用。

美国ATMEL公司推出的AT89S5x系列在世界的8位单片机市场中占有较大的份额，是替代MCS-51系列单片机的主要机型。

该系列中的AT89S51单片机是目前与MCS-51单片机兼容的最具典型性、代表性的机种，同时也是各种增强型、扩展型等衍生的基础。

本设计，采用了AT89S5单片机实现长短跑计时器的硬件设计和软件设计，也说明了关于计时器系统的监测设备的硬件设计。

其中，利用单片机设计的新型的长短跑计时系统。

它不仅能精确计时，准确地分辩各跑道运动员的比赛成绩，并能在运动员冲过终点时记录该运动员的比赛成绩，实时性、精确性优于人工秒表。

现场监测装置由激光发射器和激光接受器组成，每个赛道上的起点和终点均安置一现场监测装置，现场监测装置负责监视参赛者是否抢跑，终点线上的现场监测装置负责向控制台发送该参赛者成绩的信号。

并且，该装置还具有一致性好，使用便捷，价格低廉等优点。

关键词：

AT89S51单片机计时器

ABSTRACT

Inordertoletthestudentsall-rounddevelopmentofmorality,intelligenceandphysique,physicalfitnesstest,everyyearregularlyundertaketothestudentmanytimesthenumberofthestudentsinmorethantenthousandpeople,moretestingproject.Ifusethetraditionalmanualmethod,notonlytaketoolong,difficulttomeettherequirements,andhigherrequirementforthereferee,humanfactors,lowaccuracy,largeamountsofdatapreservationandrefertotheachievementofallhavegreatdifficulties,suchasalmostimpossible.Butintoday'srapiddevelopmentofelectronictechnology,electronicproducts,humanizationandintelligenthasbeenverymature,itsdevelopmentprospectsarestillimmeasurably.Nowthepeopledemandisakindofcanbringconveniencetoyourelectronicproducts,preferablyhumanizationandintelligent,ofcourse,howintelligentcandoit?

Theintroductionofthesinglechipmicrocomputerisaverygoodexample.Microcontrollerisalsocalledthesinglechipmicrocomputer,alsoknownasmicrocontroller,isanimportantbranchofmicrocomputerandsinglechipmicrocomputerisdevelopedinthemid-1970-akindoflargescaleintegratedcircuitchips,isacollectionofCPU,RAM,ROM,I/Ointerfaceandinterruptsystemonthesamesilicondevices.Thebirthofthesinglechipmicrocomputermarkscomputerformallyformedcomputersystemsandembeddedcomputersystemtwobranches.ParticularlyintheusIntelMCS-51seriesmicrocontroller,sinceithashighintegration,strongprocessingpower,highreliability,systemstructureissimple,cheap,easytouseetc,inindustrialcontrol,intelligentinstruments,officeautomation,householdappliances,andmanyotherfieldshasbeenwidelyused.AmericaATMELcompanylaunchedAT89S5xseriesinthe8-bitmicrocontrollermarketoftheworldoccupylargershare,isthemainmodelofalternativeMCS-51seriesmicrocontroller.TheseriesofAT89S51iscompatiblewithMCS-51singlechipmicrocomputerofthemosttypicalandrepresentativemodels,aswellasavarietyofenhancedtype,extension,suchasthefoundation.

Thisdesign,usealongdashAT89S5microcomputertimerofhardwaredesignandsoftwaredesign,alsoexplainsthehardwaredesignoftimersystemmonitoringequipment.Amongthem,theuseofsingle-chipdesignofnewtypeoflongsprinttimingsystem.Itcannotonlyprecisetiming,accuratelydeterminetheperformanceofeachtrackathletes,andcanfinishtheathletesofrecordedwhentheathlete'sperformance,real-timeandaccuracyisbetterthanthatofartificialstopwatch.Fieldmonitoringdeviceiscomposedoflaserandlaserreceiver,startingpointandendpointareplacedoneachtrackafieldmonitoringdevice,fieldmonitoringdevicesisresponsibleformonitoringthecontestantsisfalsestart,thesceneofthefinishinglinemonitoringdeviceisresponsibleforsignalsendtheparticipantresultstotheconsole.And,thedevicealsohasagoodconsistency,theuseisconvenient,thepriceislowwaitforanadvantage.

Keywords:

AT89S51single-chipmicrocomputertimer

目录

摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

1概述1

1.1工程背景1

1.2工程项目1

1.3本设计介绍2

1.4设计要求及任务3

2原理5

2.1理论阐述5

2.2数字传导5

3硬件7

3.1主电路设计8

3.2控制电路设计8

3.3信号装置设计9

3.4监测系统设计11

3.5硬件自检13

4软件设计15

4.1主程序设计15

4.2抢跑处理23

4.3定时器的计时服务程序26

4.4成绩查询28

5系统说明及注意事项30

5.1系统功能及性能30

5.2使用说明30

5.3注意事项31

结论32

参考文献33

致谢34

第1章工程概况

1．1工程背景

单片微计算机子20世纪70年代问世以来，已对人类社会产生了巨大的影响。

尤其是美国Intel公司的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉，易于使用等特点，在工业控制，智能仪器仪表，办公室自动化，家用电器等诸多领域得到广泛的应用。

美国ATMEL公司推出的AT89S5x系列在世界的8位单片机市场中占有较大的份额，是替代MCS-51系列单片机的主要机型。

该系列中的AT89S51单片机是目前与MCS-51单片机兼容的最具典型性、代表性的机种，同时也是各种增强型、扩展型等衍生的基础。

单片机已在广阔的计算机应用领域中表现得淋漓尽致。

从家用消费类电器到复印机、打印机、扫描仪、传真机等办公自动化产品；从智能仪表、工业测控装置到CT、MRI、γ刀等医疗设备；从数码相机、摄录一体机到航天技术、导航设备、现代军事装备；从形形色色的电子货币如电话卡、水电气卡到身份识别卡、门禁控制卡、档案管理卡及相关读/写卡机等等都有单片机在里面扮演重要角色。

因此，单片机已成为电子类工作者必须掌握的专业技术之一。

单片机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。

关于89S51单片机，从功能上，它包括如下部件：

一个8位中央处理器（CPU）；4K可在线编程Flash；128字节RAM与特殊功能寄存器；2个16位定时/计数器；中断逻辑控制电路；一个全双工串行接口（UART）；32条可编程的I／O口线；另外，还包括一些寄存器如程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、堆栈指针寄存器SP、数据指针寄存器DPTR等部件。

1.2工程项目

本设计主要利用89S51单片机实现长短跑计时器的硬件设计和软件设计，详细介绍了计时器系统的监测设备的硬件设计和利用中断、中断扩展以及定时器等软件技术实现智能计时的功能，现场监测装置由激光发射器和激光接受器组成，每个赛道上的起点和终点均安置一现场监测装置，起跑线上的现场监测装置负责监视参赛者是否抢跑，终点线上的现场监测装置负责向控制台发送该参赛者成绩的信号。

基于89S51单片机，设计中有键盘控制、显示电路、以及监测装置等方面设计。

从系统的设计功能上看，系统可分为三大部分，即监测部分、键盘输入控制部分和显示部分，其中监测部分是重点。

而且该系统对实时性和精确度要求特别高。

最后还介绍了长短跑计时器的使用方法和注意事项。

设计的电源可用成品，可自制。

设计报告正文中包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。

完整的电路原理图、重要的源程序、和完整的测试结果用附件给出。

在测试结果中给出跑道之间最小的时间间隔。

1.3本设计介绍

长短跑规则规定每位选手必须采用蹲踞式起跑及使用起跑器。

在枪响之前发令员要发“预备”及“各就位”口令让参赛者完成有关准备动作。

在枪声响起前参赛者有任何起跑动作，属起跑犯规。

目前短跑采取的是“一次抢跑”起跑原则，每次短跑比赛中只允许发生一次抢跑事件，第一次抢跑的运动员将不会遭到处罚，而第二次抢跑的运动员则将被罚出场，即使第一次抢跑的不是他。

对于短跑赛道规则要求整个过程中参赛者不得越出其指定之赛道。

根据要求，以AT89C51单片机为核心设计短跑计时器。

系统由现场监测装置，控制信号装置，控制台等部分组成。

现场监测装置由激光发射器和激光接受器组成，每个赛道上的起点和终点均安置一现场监测装置，起跑线上的现场监测装置负责监视参赛者是否抢跑，终点线上的现场监测装置负责向控制台发送该参赛者成绩的信号。

控制信号装置有信号灯和语音设备组成，起跑线上的每个赛道上均设置红、绿、黄三信号灯和语音设置，以便使每位参赛者都能公平一致的得到发令信号。

显示装置负责显示比赛已进行时间和比赛结束后显示每个赛道上参赛者的成绩以及抢跑的赛道。

控制台上配有有一系列按键，由操作人员控制。

当系统开启后系统处于就绪状态，赛道上只有红色信号灯亮，显示器状态位显示“AA”等待发令人员在控制台按键发令。

第一轮当操作人员按“命令”按键时显示状态位器显示“BB”，起跑线上的语音设备都发出“嘀嘀嘀”三声。

若有人抢跑则切换到第二轮，若无人抢跑再按“命令”按键信号灯切换成黄色信号灯亮，显示器状态位显示“CC”，语音装置发出“嘀嘀”两声。

第一轮按第二次“命令”键后，若有人抢跑则进入第二轮，若无人抢跑操作人员再按“命令”按键，信号灯切换成绿色信号灯，同时语音装置发出“嘀”一声，显示器状态位显示已用的时间，参赛者跑到终点时终点监测装置向系统发出记录成绩的信号，系统把该赛道上的参赛者成绩储存下来。

该轮比赛结束后操作员按“显示结果”按键，信号灯变成红色，并显示第一道状态和结果，按“UP”显示上一赛道状态和结果，若当前是第一赛道则显示第8赛道状态和结果，按“DOWN”时显示下一赛道状态和成绩，若当前是第八赛道则显示第一赛道状态和结果。

若第一轮中有人抢跑，则信号灯切换成红色信号灯，显示器状态位显示“AA”，操作人员再按“命令”键则分别依次是“各就位”、“预备”“起跑”，其情景和第一次相同。

若第二轮还有人抢跑则起点监测装置向系统发该赛道参赛者抢跑的信号，系统记录该赛道状态位为“E”。

若最终显示成绩时，某道的状态为“E”，则表明该赛道参赛者抢跑，若某道状态为“A”、时间为0，则表示该赛道缺跑，某道的状态为“A”时间不为0，则表明该赛道参赛者成绩有效。

本次设计注重对单片机工作原理以及键盘控制及显示原理的理解，以便今后自己在单片机领域的学习和开发打下基础，提高自己的动手能力和设计能力，培养创新能力，丰富自己的理论知识，做到理论和实践相结合。

本次设计的重要意义还在于对单片机的内部结构和工作状态做更进一步的了解，同时还对单片机的接口技术，中断技术，定时/计数器技术，存储方式和控制方式作更深层次的了解。

此次设计更进一步了解基本电路的设计流程，提高自己的设计理念，丰富自己的理论知识，巩固所学知识，使自己的动手动脑能力有更进一步提高，为自己今后的学习和工作打好基础，为自己的专业技能打好基础。

1.4本设计要求及任务

由于激光具有相干性好、方向性强、发散角小、亮度高等特点，故每个监测装置用一对激光发射/接收器来实现，现场监测装置的硬件设计采用激光发射/接收器装置，起跑线和终点线的每个赛道上仍都安装一个监测装置，但每个监测装置的输出口加了一个非门作为输出。

与单片机相连时单片机的P0口和P1.0,、P1.1口连接到8位串行口接收端RXD后与单片机的P3.2、P3.3口相连，采用外部中断源的扩展方法利用中断技术进行监测装置的定位，然后进行起点抢跑或终点计时处理。

键盘控制仍采用独立式键盘，每个按键的“接零端”均接地，每个按键的“测试端”各接一条输入线，通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个键被按下了。

显示装置采用第一种方案中的动态显示，采用移位寄存器4094显示驱动程序驱动七段数码管显示。

该方案设计支持发令抢启动，可以用拍掌代替。

计时器能够能够设定最大定时极限，计时器开始后，当超过定时极限后自动停止计时，认为8个跑道全部结束，同时未到达终点的跑道要有相应状态显示。

而系统每轮至多允许8名运动员同时跑，而且占用单片机I/O口较多，但该方案的实时性好，可靠性好，易于实现，而且一般的田径跑道几乎最多只能同时容纳8人，该方案能满足大多数场合田径短跑比赛计时要求。

计时器能够支持远程网络数据的读取，每台计时器能够任意设定1~8号子机地址。

当8个跑道全部结束后，当前计时器能够自动向远程主机报告竞赛结果。

主机上能够实时显示每个计时器工作状态与实时数据。

第2章原理

2.1理论阐述

本系统由主机和子机构成，主机用PC机模拟，至少能支持8台计时器。

子机由电源、主控电路、激光收发装置、显示模块、主从通信等组成。

主控单元采用MCS-51系列单片机。

其特点是高度单片集成，可以用比较低的成本来完成尽可能多的任务，并且可利用伟福软件、仿真器进行仿真和调试，使用简单方便。

根据实际情况，采用MCS-51足以实现该系统的功能。

传感器选择采用激光发送接收装置。

接收方便，同时可用电位器调节发射强度，易于控制，且抗环境干扰能力强。

显示部分采用LED显示，又采用LCD显示。

本设计做的是长短跑自动计时器系统，故我们可以用LED显示提供观众成绩，而用LCD增加显示内容，使系统更完善。

电源部分根据实际电路，需向主控单元、显示电路、激光检测电路等供电。

2.2数字传导

支持发令枪启动，可以用拍掌代替。

当外部有声音激励时，产生电平跳变，经过电压比较器后，输出脉冲信号，经过放大及单稳态电路之后，产生便于单机检测的信号。

电路如图所示。

图2.1数字传导电路图

第3章硬件设计

硬件的设计应考虑到软件的可实现性，只有软硬件达到最好的结合才能显示出系统的优越性，所以软硬件设计要想结合。

根据设计任务与要求，可初步将系统分为五大功能模块：

主电路模块、监测装置电路模块，信号电路模块、控制台电路模块和5V稳压电源模块。

进一步细说，主电路选用AT89S51作为中央处理器；监测装置电路用一对激光发射/接收器组成；控制电路由“发令键”、“成绩查询键”UP“键”、“DOWN”键、“复位”键，5个按键组成；信号电路由蜂鸣器、信号灯、显示器组成，显示器由七个数码管和4094移位寄存器组成；音响电路用蜂鸣器；稳压电路把电源电压稳定在5V。

系统整体的模块图如图3所示。

图3-1系统整体模块图

3.1主电路设计

主电路是整个系统的核心部分，以89S51单片机为中央处理器。

主电路模块包括现场监测模块、信号模块、控制模块，复位模块和晶振电路模块等几部分组成。

现场监测模块接P0口、P3.2和P3.3。

监测装置与系统连接采用外部中断源扩展的连接方法，每个赛道的起点和终点都安装监测装置，同一赛道起点和终点的两个监测装置经过保护电阻连接到单片机P0口上的同一接口上，然后P0口通过8位串行口接收端RXD连接到外部中断接口P3.2和P3.3上。

信号模块接P1口、P2口的P2.0、P2.1、P2.2和P3口的P3.0。

P1口连接信号模块的显示器，其中P1.0、P1.1连接道号状态显示器，P1.2、P1.3连接分显示器，P1.4、P1.5连接秒显示器，P1.6、P1.7连接毫秒显示器。

P2口中，P2.0、P2.1、P2.2口连接信号模块的红色信号灯、黄色信号灯和绿色信号，其中P2.0连接红灯，P2.1连接黄灯，P2.2连接绿灯。

P3.0连接蜂鸣器。

控制模块由P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、和RST五个接口连接。

其中，P2.3接“发令”按键，P2.4连接“显示成绩”按键，P2.5连接”UP”按键，P2.6连接“DOWN”按键。

3.2控制台电路设计

控制台由“复位”按键电路、“命令”按键电路、“查看结果”按键电路、“UP”按键电路以及“DOWN”按键电路组成。

控制模块由P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、和RST五个接口连接。

P2.3接“发令”键，P2.4连接“显示成绩”键，P2.5连接”UP”键，P2.6连接“DOWN”键。

复位电路连接+V电源、地线，通过电容、电阻、和按键接在单片机的VCC、RST、VSS三接口上。

复位电路是连接电源和单片机的通道，负责向系统提供电源和复位。

其功能是复位到系统初始化状态，而且其功能的实现是通过硬件电路来实现的。

图3-2是控制台电路的电路连接、信号灯电路的连接以及音响设备电路的连接的原理图。

3.3信号装置设计

信号电路由显示器，信号灯、音响设备组成。

显示装置用的设计采用移位寄存器4094与数码杆连接的方法。

其中，道号状态显示器由两个4094移位寄存器和两位数码管组成，接在P1.0、P1.1两个接口；分显示器也由两个4094移位寄存器和两位数码管组成，接在P1.2、P1.3两个接口；秒显示器由两个4094移位寄存器和两位数码管组成，接在P1.4、P1.5两个接口上；毫秒显示器由三个4094移位寄存器和三位数码管组成，接在P1.6、P1.7两个接口。

其连接原理图见图3-3。

信号灯由红色信号灯、黄色信号灯、绿色信号灯组成。

其中P2.0接红色信号灯、P2.1接黄色信号灯、P2.2接绿色信号灯。

音响设备使用驱动电路连接蜂鸣器，用单片机的P3.0接口连接蜂鸣器的驱动设备。

信号灯和音响设备电路的连接见图3-2。

图3-2控制台电路原理图

图3-3显示器电路原理图

3.4监测装置设计

激光由于具有亮度高，方向性、准直性、相干性好等的优点，所以采用激光来发射和接收实现监测系统的监测情况。

在赛道的一侧，放置一个激光发射器，而在另一侧，则对应的放置一个接收的激光装置，但是，要注意发射的激光光束，必须要射到相对应的，用来接收的装置的感应器上。

这样，在系统开始启动之后，当无人经过监测装置时，发射器发出的激光光束随即会照射到接收器的感应器件上去，然后系统会接受到输出的高电平。

运动员跑步经过时，激光的光束就会被运动员的身体给挡住，感应器上就会无法感应到到激光光束的照射，