篮球24秒倒计时器设计.docx
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篮球24秒倒计时器设计
编号
河南机电高等专科学校
毕业设计（论文）
篮球24秒倒计时器设计
系部:
自动控制系
专业:
电气自动化技术
班级:
自
姓名:
学号:
指导老师:
二零一二年五月十六日
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
模拟多通道压力系统是利用压力传感器采集当前压力并放映在显示器上，它可以分析压力过量程，并发出报警。
并采用电子秤原理可根据输入单价准确的计算出物体的金额。
本篇论文讨论了简单的倒计时器的设计与制作，对于倒计时器中的LED数码显示器来说，我为了简化线路、降低成本，采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进行译码。
关键词：
单片机；AT89C51；LED数码管显示器；keilC；晶体振荡器
ABSTRACT
Permeateinthesocialrealmalongwiththecalculatorinrecentyears,singleslicetheapplicationofthemachinejustatconstantlyalignmentthorough,arouseatraditionalcontrolanexaminationadayanewmoonbenefitrenewalinthemeantime.Insolidlythehourtheexaminationthesingleslicethatcontrolswithautothemachinetheapplicationthesystem,slicemachineusuallyBeacorepartstouse,onlysingleslicethemachineaspectknowledgeisnotenough,returnshouldaccordingtoconcretethehardwarestructure,andaimatconcrereapplicationthesofwatreoftheobjectcharacteristicscombinetomakeperfect.
Imitatingmanypassagepressuresystemsesistomakeuseofpresuretospreadthefeelingmachinetocollectcurrentpressurecombinethereflectionisontnedisplay,itcananalyzethepressuresurfeitdistance,eruptingtoreporttothepolice.Combinetheadoptionelectronicssteelyardprinciplecanaccordingtoinputtheamountofmoneythattheunitpricecompuresanobjectaccurately.Thisthesisdiscussthatpourthedesignandcreationofthetimerinbrief,forpourLEDfiguresdisplaysinthetimertosay,Ianforthesakeofthesimpificationcircuit,declinelowcost,adopttotakesoftwareasconnectoflordapeople’smethdo,donotusespecializedhardwatetotranslatethecodemachinenamely,butadoptthesoftwareproceduretocarryontranslatingcode.
Keywords：
singleslicemachine；AT89C51；TheLEDfiguretubedisplay,KeilC；CrystalOscillactor
3.1硬件组成原理图8
第1章绪论
1.1论文设计背景
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了倒计时器的迅速发展。
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。
单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。
若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。
而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。
单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。
同时，一个学习与应用单片机的新高潮正在大规模地兴起。
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。
臂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。
本次设计的目的和意义在于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设计实现功能
本系统的设计利用单片机程序设计原理，来实现篮球计时计分器的各项功能主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电子工艺,通过对Proteus和Keil等软件来实现功能，还有硬件部分，包括时钟频率电路，复位电路，显示电路等的结合。
在本设计中采用独立键盘设计，启动键K1，按下后开始倒计时，再一次进攻中如有裁判吹哨则暂停比赛，按下K2键，再按下K2键恢复比赛，一次进攻24秒结束后按下K3复位键恢复24秒再次开始倒计时。
此次设计的篮球比赛24秒倒计时设计，设计简单，而且易懂，使操作使用者使用非常方便，成本较低。
最终实现篮球比赛24秒倒计时,适合应用于篮球比赛中。
第2章系统原理介绍
2.1AT89C51单片机介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash
ProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
所用单片机内部结构如图2-1所示:
图2-1AT89C51单片机的内部结构
CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。
（1）运算器电路
运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。
（2）控制器电路
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。
控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。
（3）定时器/计数器
MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。
它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。
（4）存储器
MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。
（5）并行I/O口
MCS－52单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。
P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3
口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。
（6）串行I/O口
MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。
（7）中断控制系统
8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。
（8）时钟电路
MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。
（9）总线
以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。
系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。
单片机内部结构如表2-1所示:
表2-1选用单片机的结构
序号
机构
1
一个8位算术逻辑单元
2
32个I/O口4组8位端口可单独寻址
3
两个16位定时计数器
4
全双工串行通信
5
6个中断源两个中断优先级
6
128字节内置RAM
7
独立的64K字节可寻址数据和代码区
AT89C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。
随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以是系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM得插座，暂不插芯片也好。
每个8051处理周期包括12个振荡周期每12个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12取倒数然后指令执行所须的
周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz除以12后就得到了每秒执行的指令
个数为921583条指令取倒数将得到每条指令所须的时间1.085ms。
2.2单片机管脚说明
AT89C51单片机管脚如图2-2所示:
图2-2AT89C51管脚图
各管脚作用：
（1）VCC：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向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。
（4）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。
（5）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。
（6）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。
（7）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。
（8）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。
（9）/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。
（10）/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）。
（11）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（12）XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
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。
（13） /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。
（14） /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）。
（15） XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（16） XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
第3章系统硬件设计
3.1硬件组成原理图
本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。
只要技术准备充分，硬件设计的大返工时比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，是硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中所占的比重逐渐下降。
硬件原理设计如图3-1所示
图3-1硬件原理图
为使应硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几个方面：
（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片的价格总和高。
（2）留有设计余地。
在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。
因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小修改或扩展而被迫进行全面返工。
（3）程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。
（4）RAM空间，AT89C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。
随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以是系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM得插座，暂不插芯片也好。
（5）I/O端口;在样机研制出来进行现场使用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。
如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端：
有些物理量需要控制，就必须增加输出端。
如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，但是需要用的时候就派上用场了。
硬件电路所用原件如表3-1所示:
表3-1硬件所用元件清单
序号
元器件名称
元器件数量
1
单片机AT89C51芯片
1块
2
七段数码管
2个
3
12MHz石英晶体振荡器
1个
4
10pf电解电容
1个
5
30pf电容
1个
6
1千欧电阻
1个
7
电路板
1块
3.2硬件电路设计
3.2.1时钟频率电路设计
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。
单片机必须在时钟的驱动下才能工作。
在单片机内部有一个时钟振荡电路，只要外界一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。
时钟电路如图3-2所示:
图3-2外部震荡源电路
一般选用石英晶体振荡器。
此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。
电路中两个电容C1、C2的作用有两个：
一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。
C1、C2的典型值为20pf。
整合的时钟电路，是硬件技术进步的一个标志。
电脑中的不同设备对时钟频率的要求是不一样的，如果你从废物箱中找来一块286主板，可以看到有好几颗晶振排列在一起。
电脑中的CPU，AGP插槽、PCI插槽、硬盘接口、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差异，所以需要提供不同的时钟频率，譬如PCI要求33MHz、USB为48MHz等。
可是，一只石英振荡器只能提供一种频率，所以主板制造商通常将这些原本散布在主机板上各处的振荡电路整合成一颗“频率合成器（FrequencySynthesizer）”芯片，对晶体振荡器产生的脉冲信号进行分频（或倍频），以便为不同运行速度的芯片（或设备）提供所需要的时钟频率。
普通分频器为整数分频器，其输出频率与输入频率之间为整数倍的关系，只能分段调节频率，不能满足精密调节的要求。
频率合成器是“分数分频器”，可对输出频率进行精细调节。
研发工程师可自由地设计电路中的各种频率，不再受限于石英震荡晶体的固定频率规格。
目前电脑中的时钟芯片一般都具有“分数分频”能力，可以根据需要将调节步长设计到1%，甚至0.1%。
为了指导和规范频率合成器的设计和应用，Intel制定了频率合成器设计指南，如CK97、CK40X等，适用于最新Pentium4处理器的规范是CK410。
频率调节原理,频率合成器是一个具有频率负反馈的时钟信号系统（图7），其中使用了两个分频器，Mdiv用于降低基准频率，Ndiv则用于对VCO进行分频。
晶体振荡器（OSC）产生的频率fi经M分频器后得到参考频率fref，它与反馈频率ffd分别送入鉴频器（FrequencyDetector，FD）的两个反向输入端，鉴频器输出一个反映两者之商的直流电压，并经低通滤波器（LowPassFilter，LPF）滤除交流分量后，提供给压控振荡器（VoltageControlledOscillator，VCO）输出频率信号fout。
频率合成器的输出频率fout与输入频率fin之间的关系可以用公式fout=fin×（N+k/M）来表示，其中N、M和K均为整数，K可取0～M间的任意整数。
非整数值N+k/M通常写作N.F，这里的圆点代表小数点，N表示频率的整数部分，而F=k/M则表示频率的小数部分。
在输入频率fin、N和M均不改变的条件下，只要修改k值即可得到所需要频率值fout。
在频率合成器芯片中，有专门的SMBus接口电路，这是芯片的寄存器与外部联络的途径，有了它，就能够通过BIOS或软件对寄存器进行改写。
频率寄存器中的每一位数据有两种可能，“0”或“1”，那么当这几位按不同状态进行组合时就可得到多种外频输出。
频率合成器的频率调节精度与频率寄存器的位数有关，譬如，如果频率寄存器为5位，则调节步长为1MHz。
为数越多，调节精度越高。
在实用的频率合成器中，Mdiv和Ndiv两个分频器均为可编程的，只要用户设定相应的fout数值，BIOS便能自动给出N、M和K的值，并通过SMBus总线写入相应的寄存器中。
实现相位同步的自动控制原理时钟芯片是电脑的心脏，其性能和稳定性直接决定着整个硬件系统的性能。
采用频率合成器一方面可以节省成本与主板空间，更为重要的目的是使主板各芯片以及外部设备的时钟信号与CPU的时钟信号之间保持严格的同步关系，以保证正确地交换数据。
FS芯片不仅具有倍频/分频功能，更主要的特点就是具有相位锁定功能——输出信号的相位被强制跟参考信号的相位保持一致。
因此，频率合成器输出的各种时钟信号虽然频率各不相同，但它们在相位上是完全一致的，它们都与参考信号源保持相位同步。
为了实现相位锁定，VCO输出的时钟信号与参考频率信号在鉴相器中进行相位比较，如果两者相位不同，就会输出一个与相位差大小成比例的误差电压；误差电压的极性决定了电荷泵内的电流源是吸收还是送出电流，所以电荷会流入或流出滤波器内的电容器，电荷流动的数量与相位差的大小成正比。
压控振荡器是一个受电压控制的振荡器，内部的变容二极管两端电压变化时，其电容量会随之改变，从而改变振荡器的频率。
压控振荡器是PLL电路的核心单元，相位控制过程是依靠改变压控振荡器的输入电压（即调谐电压）实现的，调谐电压的大小和极性决定了相位调整是滞后还是超前，从而使相位误差得以校正。
频率合成器的其它功能在主板设计中使用频率合成器芯片，可以很容易地实现时钟频率的调整和相位锁定。
除了这些功能，频率合成器还允许主板设计工程师通过微调各种接口时钟之间的时钟延迟，使各种相关接口的组件保持同步，方便了设计和调试工作。
此外，频率合成器芯片在系统稳定性和安全性方面也是可以有所作为的。
一方面，可以对不需要调整的频率进行锁定，防止因CPU超频而导致其它设备失效的情况；另一方面，一些频率合成器芯片中还设计了“看门狗”功能，一旦超频失败导致死机时，此功能可以对频率寄存器进行清零，使系统按照CPU的默认频率正常启动。
目前，频率合成器芯片的应用已经十分普遍，常见的有ICS、Cypress、IDT、Realtek和Winbond等品牌。
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