單片機籃球計時計分器報告.doc

單片機課程設計結題報告籃球比賽計時計分器團隊成員分工情況：XX：完成實驗報告的總體撰寫，焊接方案設計和電路圖的繪制，程序編寫改進XX：完成元器件采集，輔助電路焊接，電路圖修整以及實驗報告的完善XX：完成程序編寫燒錄，電路焊接，以及PCB版圖的繪制其中設計方案的確立由團隊成員一起討論而成目 錄1選題背景32方案設計42.1硬件電路設計52.1.1硬件系統(tǒng)各功能模塊的電路52.1.2硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)92.1.3硬件系統(tǒng)的調(diào)試102.2軟件設計、編程及調(diào)試1022.1系統(tǒng)軟件的模塊程序設 102.2.2編程實現(xiàn)112.2.3軟件系統(tǒng)的調(diào)試113系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及最終實現(xiàn)結果展示114總結125 收獲與致謝136 參考文獻147附件151 選題背景單片機，亦稱單片微電腦或單片微型計算機。它是把中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口（I/0）等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。計算機的產(chǎn)生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積大。微計算機（單片機）在這種情況下誕生了，它為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領域，從導彈的導航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。由于單片機的集成度高，功能強，通用性好，特別是它具有體積小，重量輕，能耗低，價格便宜，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特的優(yōu)點，使單片機迅速得到了推廣應用，目前已經(jīng)成為測量控制應用系統(tǒng)中的優(yōu)選機種和新電子產(chǎn)品的關鍵部位。世界各大電氣廠家、測控技術企業(yè)、機電行業(yè)，競相把單片機應用于產(chǎn)品更新，作為實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的核心部件。本設計由STC89C52編程控制LED七段數(shù)碼管作球賽計時計分系統(tǒng)具有賽程定時設置、賽程時間暫停、性能穩(wěn)定、操作方便且易攜帶等特點?？蓮V泛適合各類學校和小團體作為賽程計時計分。2方案設計籃球比賽計時計分器主要包括單片機控制模塊、計時計分LED顯示模塊、電源接口模塊、按鍵控制模塊、復位電路模塊和晶振模塊。通過這幾個模塊的協(xié)調(diào)工作就可以完成相應的計時計分控制和顯示功能。模塊框圖如圖3-1所示。 STC89C52LED模塊電源接口模塊復位電路模塊按鍵控制模塊晶振模塊圖1 系統(tǒng)框圖本設計是采用單片機STC89C52作為系統(tǒng)的核心元件，利用7段共陽LED作為顯示器件。在此設計中共接入了6個7段共陽數(shù)碼管，其中4個用于記錄甲、乙兩隊的分數(shù)，每隊2個LED顯示器顯示范圍為099分，足以滿足賽程需要，另外2個用來記錄賽程時間，其中1個用于顯示分鐘，1個用于顯示秒鐘。賽程計時采用順數(shù)計時方式，比賽開始時啟動計時，計滿99即跳到0重新計時，計時范圍可達到099秒，可考慮選用四個數(shù)碼管讓計時范圍達到099分鐘。其次，為了配合計時器和計分器校正、調(diào)整時間和比分，我們在設計中設立了4個按鍵。其中2個用于甲、乙兩隊的分數(shù)；另外2個則用于完成復位和暫停時間等功能。2.1硬件電路設計2.1.1硬件系統(tǒng)各功能模塊的電路設計1系統(tǒng)控制中心單片機STC89C52 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時電路，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，2個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選 圖 2-1 STC89C52單片機引腳圖2.電源接口模塊在這次設計的作品中考慮到方便簡潔性我們使用USB母口，提供5V電壓，因此這一模塊不再贅述。3按鍵控制模塊本作品共配置了4個獨立鍵盤來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制.4個獨立鍵盤分別K1、K2、K3、K4,分別連接到單片機的P2.3、P2.2、P2.1、P2.0。配合程序設計，在系統(tǒng)初始化后，通過按下K1和K2分別顯示甲隊、乙隊的成績，按下K3復位，按下K4比賽暫停。 圖2-2 鍵盤接口4.晶振模塊晶振電路在單片機系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎。在一個單片機應用系統(tǒng)中，時鐘是保障系統(tǒng)正常工作的基準振蕩定時信號，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機系統(tǒng)工作的快慢。根據(jù)不同需要可以采用不同頻率的晶振，這里采用12MHZ的晶振，另外有兩個30pF的電容，兩晶振引腳分別連到XTAL1和XTAL2振蕩脈沖輸入輸出引腳。具體連接圖如圖2-3所示。圖2-3 晶振電路5復位電路模塊復位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，可以按復位鍵以重新啟動，也可以通過監(jiān)視定時器來強迫復位。RST引腳是復位信號的輸入端。復位電路在這里采用的是上電加按鍵復位電路形式，具體連接電路如圖2-4。 圖2-4 復位電路6. LED顯示模塊本設計采用6個共陽數(shù)碼管顯示。通過2個74HC573鎖存實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分時傳送，四個數(shù)碼管用來計分，通過按鍵控制，分別顯示甲、乙兩隊的得分情況，兩個顯示十位，兩個各位，另外兩個數(shù)碼管分別顯示時間的十位與時間的各位。圖2-5所示為LED數(shù)碼管的電路連接圖。圖2-5 LED顯示模塊框圖2.1.2硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)由于有數(shù)碼管，連線較多較繁瑣，為了美觀，故主要連線都在板背面用焊錫焊接，其他連線都用排針和杜邦線組合連接。 由于電池攜帶不便，且使用一段時間后會存在電量不足的情況，故采用USB母口來供電，方便簡單。 關于下載，為了節(jié)約板上空間，單片機的程序是從其他板上燒錄再插到本作品上的。硬件系統(tǒng)的整體電路原理圖展示如下：圖2-6 整體電路圖2.1.3硬件系統(tǒng)的調(diào)試對照原理圖進行焊接，應先把硬件依次正確插到電路板上相應的位置，然后再次檢查器件是否都正確，確定無誤后進行焊接。在焊接的過程中要注意不要將相鄰的兩個引腳焊接在一起，防止短路影響使用。硬件連接好以后，先通過USB-ISP下載線將單片機和PC機連接，接著向單片機內(nèi)燒制已寫好的HEX程序，打開單片機，調(diào)試單片機程序。2.2軟件設計、編程及調(diào)試軟件的編程設計是單片機系統(tǒng)設計的核心部分，也是能否實現(xiàn)預定功能的關鍵。單片機編程常用的語言是C語言和匯編語言，最終都要轉(zhuǎn)為Intel HEX格式或二進制格式(Binary)文件寫入單片機芯片內(nèi)。此次我組使用的是C語言進行編程設計。2.2.1系統(tǒng)軟件的模塊程序設計籃球比賽計時計分器軟件設計部分采用模塊化程序設計，程序部分由主程序、延時子程序、獨立鍵盤檢測子程序、中斷子程序、數(shù)碼管中斷刷新子程序等組成。reg52.h為51單片機庫文件，包含一些重要接口及寄存器定義?？刂奇I盤及鎖存器鎖存端均采用P2。 數(shù)據(jù)傳送均采用P0。根據(jù)共陽極單位數(shù)碼管引腳圖可寫出0-F編碼。采用了52單片機的全部兩個計時器，分別對數(shù)碼管刷新時間，及比賽時間進行控制監(jiān)測。 外接晶振頻率為12M，可推算機器周期為1ns，進而可算出相關計時器初值。 數(shù)碼管顯示為動態(tài)顯示，1ms刷新一次，兩個鎖存器一個是段選（即控制哪個數(shù)碼管顯示）一個是位選（即控制顯示什么數(shù)字）。先送數(shù)據(jù)，再選數(shù)碼管。2.2.2編程實現(xiàn)我們這次軟件的編寫使用C語言實現(xiàn)的，由于以前有過C語言的學習，在這里用C語言編程也顯得輕車熟路。此外我們借鑒的參考書郭天祥著新概念51單片機C語言教程都是以C語言為基礎的編程，書寫簡潔明了。但是也有明顯的不足，采用C語言編程的執(zhí)行效率遠小于用匯編語言。在以后的設計實踐中，我們可以嘗試采用匯編語言編程來使效率得到提高。我們使用的軟件開發(fā)工具為Keil uVision2。Keil是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能、結構、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。2.2.3軟件系統(tǒng)的調(diào)試這次軟件方面的調(diào)試主要是延時的調(diào)試。通過使用Keil軟件對時間進行多次斷點調(diào)試，通過與硬件晶振進行統(tǒng)一，最終調(diào)試出正確的時間。3.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及最終實現(xiàn)結果展示系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)調(diào)試分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試，硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的，通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結合起來調(diào)試以進一步排除故障。最終實現(xiàn)結果： 按鍵1 實現(xiàn)對甲隊（前兩數(shù)碼管）分數(shù)的加按鍵2 實現(xiàn)對乙隊（中間兩數(shù)碼管）分數(shù)的加 按鍵3 實現(xiàn)對兩隊分數(shù)的清零。按鍵4 暫停/恢復比賽。其中，比賽處于暫停時，甲隊乙隊分數(shù)不可加，按鍵1、2無效。 4.總結這個程序是修改以后的版本。之前的版本中，數(shù)碼管顯示沒有采用中斷刷新，而是循環(huán)查詢刷新。故導致按鍵不松開的時候，整個單片機都在等待按鍵松開語句而不工作，浪費CPU資源。delayms延時函數(shù)本來可以用中斷來替換，但是覺得對整體功能影響不大，而編寫中斷又相對麻煩，故沒有采用。鍵盤消抖可以用硬件來實現(xiàn)，即并聯(lián)電容濾波，但是未經(jīng)測試，而且板上空間有限，故采用軟件消抖，當然也可以用中斷替換，宏觀上表現(xiàn)為多任務處理。由于課業(yè)等其它原因，程序修改較為倉促。后來想到程序整體可以用狀態(tài)機來實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)態(tài)及狀態(tài)改變來控制實現(xiàn)相應功能。而由于main只查詢狀態(tài)，故可提高代碼質(zhì)量和執(zhí)行速度。但由于狀態(tài)機需要狀態(tài)變量較多，且編寫較為麻煩，故沒有采用?？偟膩碚f，本次課程設計還是比較成功的，但是由于時間和能力的限制，設計中也難免存在不足之處，很多軟件和程序方面的設計有待進一步改善，懇請老師批評指正。5.收獲與致謝在本次課程設計中，我通過基于典型單片機STC89C52的設計和應用，對單片機的工作原理及功能有了更加深刻的了解，并對單片機程序語言設計有了新的、進一步的認識。在本次設計的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)很多的問題，看似很簡單的電路，要動手把它給設計出來，卻不是一件容易的事，主要原因是我們沒有經(jīng)常去動手設計電路，對畫圖的一些技巧不夠熟悉。另外由于是本學期才自學的單片機課程，對單片機系統(tǒng)的知識似懂非懂，以致于我們又不得不用大量的時間去圖書館查閱各種資料和程序命令，在這個模塊用去了不少時間，但由于我們暑假便已經(jīng)著手準備，因此時間方面還比較充裕，在我們?nèi)齻€不同分工配合下，我們的作品在11月初便已完成。后在跟老師交流學習的過程中將作品得到了進一步的改進。在這里我們要感謝吳自力老師對我們孜孜不倦的輔導與幫助，讓我們受益匪淺。通過此次課程設計，我們發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，充分意識到了“應該把功夫放在平時”這句話的真諦，意識到只有跟同伴一起商量、合作，才能提高效率，或許還會收到事半功倍的效果。在以后不論學什么，我們都會做到打好基礎，并通過不斷地練習將其學好、學精，多動手操作，做好以后課程教學安排中的每一個實驗，提高自己理論聯(lián)系實際的能力，著重培養(yǎng)自己的獨立思考和設計能力，樹立自己可以熟練應用所學知識的信心。雖然這個設計做的不是很完美，但是在設計過程中所學到的和得到的東西卻是歷次實習都無法比擬的，使我終身受益，相信它不論對我們以后的就業(yè)還是學習，都會起到很大的促進和幫助作用。6.參考文獻新概念51單片機C語言教程郭天