基于單片機(jī)的比賽記分牌設(shè)計

1、課程設(shè)計(論文)說明書題 目：基于單片機(jī)的比賽記分牌設(shè)計院（系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 2015年 12月 18日摘 要本論文介紹了以AT89S52為核心控制部件，并制作成為最小系統(tǒng)，兼?zhèn)漭斎胄盘柕淖R別與處理與輸出信號的控制；其主要功能為實(shí)現(xiàn)體育競賽的簡單記分功能；事先在單片機(jī)內(nèi)部寫入控制程序，通過用戶按鍵，對單片機(jī)輸入不同的控制信號，即可實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)的加與減、權(quán)值的靈活調(diào)整、蜂鳴提醒、手動式計數(shù)復(fù)位以及具體數(shù)字顯示等功能。整個設(shè)計流程分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩大部分，但本文僅著重敘述硬件設(shè)計部分。關(guān)鍵字：AT89S52；單片機(jī)

2、；記分系統(tǒng)Abstract In this paper introduces one kind of scores counting function that take the 51 single chip microcomputer as the primary control unit. The scores counting, weight changing, buzzing when number changes and display the number is the major function in this minimum system. The whole process

3、 can be divided into two different parts. The one is hardware design, and the other one is software. But the paper tends to introduce the part of hardware design.Key words：AT89S52；MCU；Counting System目 錄1 引言11.1 單片機(jī)簡介11.2 單片機(jī)的基本組成11.3 單片機(jī)的特點(diǎn)11.4 單片機(jī)的應(yīng)用12 硬件設(shè)計22.1 硬件電路分析22.2 硬件部件選擇與簡介22.2.1 控制模塊22.2.2

4、 顯示模塊32.2.3 鍵盤模塊42.2.4 電源指示模塊42.2.5 時鐘模塊52.2.6 復(fù)位模塊52.2.7 程序錄入模塊62.2.8 其余電子零部件63電路設(shè)計63.1開發(fā)平臺簡介73.2電路原理圖73.3PCB 制作簡介73.4單片機(jī)成品簡介83.5單片機(jī)使用簡介84程序設(shè)計94.1編程平臺簡介104.2程序分析104.3程序流程圖114.4源程序代碼115 設(shè)計總結(jié)11謝辭 12參考文獻(xiàn) 13附錄 141 引言1.1 單片機(jī)簡介單片機(jī)是一個單芯片形態(tài)，面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計算領(lǐng)域，進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計算機(jī)技術(shù)在通用計

5、算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展，并正在深深地改變著我們的社會。1.2 單片機(jī)的基本組成單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特征是將組成計算機(jī)的基本部件集成在一塊晶體芯片上，構(gòu)成一臺功能獨(dú)特的，完整的單片微型計算機(jī)。1.3 單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了它具有如下特點(diǎn)。(1)集成度高，可靠性高單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度極高，芯片體積小。由于芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求所設(shè)計，因此內(nèi)部布線很短，其抵抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般的通用CPU。單片機(jī)的程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易遭到破壞，多數(shù)信號通道均處在一個芯片內(nèi)，故可靠性高。(2)控制功能多樣為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的

6、指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，滿足日常控制的同時，更能勝任特殊的控制需求。(3)能耗極低為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓為1.8V5.0V，而工作電流僅為數(shù)百微安。(4)性價比突出單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已開始使用RISC流水線或DSP等技術(shù)。目前單片機(jī)的尋址能力已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極大，由于各大公司的商業(yè)競爭，更使其價格十分低廉，極具性價比。1.4 單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)功能的飛速發(fā)展，它的應(yīng)

7、用范圍日益廣泛，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域。小到兒童玩具，信用卡，大到航天器，機(jī)器人，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，過程控制，模糊控制等智能系統(tǒng)，到人類的日常生活，到處都離不開單片機(jī)。其主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下：(1)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用單片機(jī)可以用于構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。例如，工業(yè)上的鍋爐溫度控制，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制，車輛檢測系統(tǒng)，水閘自動控制，數(shù)控機(jī)床及軍事上的雷達(dá)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等。(2)在智能化儀器、儀表中的應(yīng)用單片機(jī)應(yīng)用于儀器儀表設(shè)備中促使儀器儀表向數(shù)字化，智能化，多功能化和綜合化等方向發(fā)展。單片機(jī)的軟件編程技術(shù)使長期以來測量儀表中的機(jī)械或環(huán)境誤差誤差得以修正，線性化的處理等難題迎刃

8、而解。(3)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制走向智能化，構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品；這是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。2 硬件設(shè)計2.1硬件電路分析按照課題要求，單片機(jī)硬件部分需要具備主控模塊、顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊等四大主要模塊。2.2硬件部件選擇與簡介2.2.1 控制模塊主控模塊選用AT89S52，它是是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具8K在線可編程Flash存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位

9、CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，WDT定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。此外，AT89S52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(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。本課程設(shè)計為了方便程序的下載與調(diào)試，采用了具備ISP

10、功能的、較C51系列CPU更為先進(jìn)的S52進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。其電器原理及針腳定義如圖2.1：圖2.12.2.2 顯示模塊顯示模塊采用共陽極四段8位LED數(shù)碼管，共12個引腳；原理及引腳定義如圖2.2所示，單段顯示范圍為AF、09。采用動態(tài)點(diǎn)亮方式，可以實(shí)現(xiàn)程序中的“權(quán)-分?jǐn)?shù)”顯示，同時滿足0100的記分要求。電路設(shè)計如圖2.3中，P0.x作為一段8位LED數(shù)碼管的電平轉(zhuǎn)換接口，相應(yīng)的變成低點(diǎn)位即可點(diǎn)亮對應(yīng)的管腳。Kx端作為四段數(shù)碼管的選通引腳，配合P0.x口，就能實(shí)現(xiàn)四段8位LED數(shù)碼管的動態(tài)點(diǎn)亮。圖2.2圖2.32.2.3 鍵盤模塊分值計數(shù)模塊采用了4枚按鍵，包含一枚分?jǐn)?shù)數(shù)值“+”，以及一枚分?jǐn)?shù)

11、數(shù)值“-”；在此基礎(chǔ)上，引入權(quán)計數(shù)方式，以方便如普通分值的加一，同時可輕松實(shí)現(xiàn)如籃球比賽中三分球的加三，而避免了頻繁按鍵。圖2.4為記分、加權(quán)按鍵原理圖，采用了共陰極設(shè)計，當(dāng)CPU的P2.x某個電位由高變低時，CPU便可識別信號的來源，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。圖2.42.2.4 電源指示模塊電源模塊中加入了一枚紅色LED二極管，用以顯示單片機(jī)上電情況；供電使用+5V直流電壓，并使用開關(guān)控制。圖2.5為LED接線原理圖，圖2.6為電源開關(guān)及接口原理圖：圖2.5圖2.62.2.5 時鐘模塊時鐘模塊在設(shè)計時采用12MHz頻率的晶體振蕩器，但由于實(shí)際中在串行通信時無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的波特率，如9600，4800；

12、為了實(shí)現(xiàn)計數(shù)器的計時準(zhǔn)確，以及方便編程，讓計數(shù)器能進(jìn)行整數(shù)計數(shù)，所以實(shí)際選用的是頻率為11.0592MHz的石英晶體振蕩器，其X1與X2端分別接入CPU引腳中的XLAT1與XLAT2，產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘頻率。其接口原理如圖2.7：圖2.72.2.6 復(fù)位模塊單片機(jī)在程序中已經(jīng)設(shè)定開機(jī)上電時初始分?jǐn)?shù)為0，為了達(dá)到設(shè)計功能，當(dāng)記分結(jié)束時可通過手動方式將分?jǐn)?shù)清零，即單片機(jī)的復(fù)位操作，所以引入了復(fù)位電路。當(dāng)按下按鍵時，電路產(chǎn)生一個高電平，由于電容的引入，實(shí)現(xiàn)了將電平保持兩個周期以上，并將其送入CPU中的RST引腳中，單片機(jī)檢測到RST引腳輸入的信號，即按照相應(yīng)程序設(shè)計對軟件和對應(yīng)的端口進(jìn)行復(fù)位。其原理如圖

13、2.8：圖2.82.2.7 程序錄入模塊本次課程設(shè)計采用了51單片機(jī)的S系列CPU，最大的特點(diǎn)之一是支持ISP（In System Programming）在線編程。只需在單片機(jī)上加入code寫入接口，即可不用拆下CPU實(shí)現(xiàn)程序代碼的寫入。ISP接口電路原理如圖2.9：圖2.92.2.8 其余電子零部件如表2.1。電阻多用為限制電流強(qiáng)度，以保護(hù)相關(guān)電子元件。在四段8位LED數(shù)碼管的電路中，每一段都引入了一枚S8550三極管以放大單片機(jī)引腳輸出的弱電壓，以驅(qū)動數(shù)碼管發(fā)光；同理在無源蜂鳴器中也有相應(yīng)的應(yīng)用。序號名稱類型數(shù)量19腳排阻10K12無源蜂鳴器-13電解電容10uF14瓷片電容30pF25

14、三極管S855056色環(huán)電阻15087色環(huán)電阻4.7K5表2.13 電路設(shè)計3.1 開發(fā)平臺簡介本課程設(shè)計采用Altium Design為平臺，進(jìn)行設(shè)計。Altium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進(jìn)行設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。3.2 電路原理圖如圖2.10所示：圖2.103.3 PCB制作簡介本設(shè)計中，由于

15、電路較為簡單，元件數(shù)量較少，所以選擇熱轉(zhuǎn)印法進(jìn)行制作，其具體步驟及操作如下： （1）使用熱轉(zhuǎn)印紙將繪制好的PCB板電路原理打印出來，為了得到最優(yōu)成品，所以選擇打印四份，挑選其中質(zhì)量最好的兩份進(jìn)行轉(zhuǎn)印。（2）選擇符合轉(zhuǎn)印之中電路板大小的覆銅板，進(jìn)行劃線、裁剪并打磨覆銅板周圍毛刺。（3）若覆銅板表面存在氧化層，即表面灰暗或有污漬，則需安排打磨步驟，以保證轉(zhuǎn)印紙上的碳粉能牢固地印在覆銅板上。（4）將熱轉(zhuǎn)印紙與覆銅板對齊，印有電路圖的部分緊貼覆銅板，使用電燙斗均勻加熱轉(zhuǎn)印紙表面，使之充分且均勻地受熱。該步驟完成后會將黑色的碳粉轉(zhuǎn)印至覆銅板上，如果轉(zhuǎn)印有缺失，可使用黑色馬克筆仔細(xì)補(bǔ)齊缺失的部分。（5）由

16、于板子走線簡單，空間充足，可以將電路板腐蝕速度提高，所以使用濃鹽酸、濃雙氧水、清水，按照1：2：3的配比來制作腐蝕液。過程中先加入水，再加入濃鹽酸、濃雙氧水，防止沸騰飛濺。混合充分后放入覆銅板，使用夾具夾住覆銅板在腐蝕液中晃動，加速腐蝕速度。待沒有覆蓋碳粉的銅箔全部被腐蝕之后即可拿出，使用清水洗凈。（6）使用手工鉆的方式，依據(jù)原件管腳的位置，使用高鉆速仔細(xì)鉆出1.5mm的小孔。（7）打磨有銅引線一側(cè)，去除表面碳粉和打磨小孔，再次使用清水洗凈。水干后，均勻涂抹松香水使其覆蓋表面走線，起到保護(hù)作用的同時，也可為后續(xù)元器件焊接起輔助作用。3.4 單片機(jī)成品簡介單片機(jī)成品如圖2.11所示，其中A為電源

17、及LED模塊，B為ISP寫入接口，C為復(fù)位按鍵模塊，D為晶振，E為AT89S52，F(xiàn)為記分及權(quán)按鍵，G為無源蜂鳴器，H為四段8位LED數(shù)碼管。圖2.113.5 單片機(jī)使用簡介單片機(jī)開機(jī)初始狀態(tài)如圖2.12所示，左上角電源開關(guān)按下，LED指示燈亮，表示單片機(jī)上電正常，四段8位LED數(shù)碼管閃爍點(diǎn)亮（動態(tài)點(diǎn)亮，后文中軟件設(shè)計部分有詳細(xì)描述）。圖2.12如圖2.13所示，當(dāng)前狀態(tài)下，四段8位LED數(shù)碼管顯示的內(nèi)容為“當(dāng)前計數(shù)權(quán)值為3，當(dāng)前分值為14”。圖2.13當(dāng)再次按下“分+”按鈕，四段8位數(shù)碼管顯示會變更為“當(dāng)前計數(shù)權(quán)值為3，當(dāng)前分值為17”，即在當(dāng)前權(quán)值下，每次按鍵會讓分值加三。如圖2.14所示

18、：圖2.144 程序設(shè)計4.1 編程平臺簡介開發(fā)使用了單片機(jī)實(shí)驗中所教授的Keil uVision2軟件。它是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)， 使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。

19、C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含:編譯器，匯編器，實(shí)時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。4.2 程序分析較于匯編語言，單片機(jī)的程序設(shè)計采用了易于編寫和閱讀的C語言。程序中設(shè)計定義單片機(jī)引腳P0口，用于控制四段8位LED數(shù)碼管的點(diǎn)亮，P2口用于對每一段LED數(shù)碼管的選通，無源蜂鳴器由P3.7口輸出控制。程序大致執(zhí)行過程為通過鍵盤掃描函數(shù)，對按鍵接口進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)某一位按鍵按下觸發(fā)電平變化時，執(zhí)行特定語句并進(jìn)行相關(guān)操作，對某一段數(shù)碼管選通并送出顯示信號；若為分?jǐn)?shù)變化，則送出波信號使蜂鳴器發(fā)聲。 程序設(shè)

20、計時考慮到了發(fā)生電平變化開始與結(jié)束時，會產(chǎn)生電壓抖動，對于信號的識別會產(chǎn)生不利影響，所以在語句中加入了按鍵延時程序。當(dāng)按下某一按鍵時，程序會延時一段極小的時間，以排除抖動，使單片機(jī)獲得準(zhǔn)確的電平變化信號。其次，考慮到實(shí)現(xiàn)按一次按鍵，執(zhí)行一次變化，在程序中添加了一部分空指令，使長時間按下按鍵不會執(zhí)行多余的動作，保證了計數(shù)的準(zhǔn)確性和易用性。由于需要使用單片機(jī)中的一個8位控制口控制四段8位LED數(shù)碼管，在程序中運(yùn)用了“動態(tài)點(diǎn)亮”的方式，依次輪流點(diǎn)亮每一段數(shù)碼管，其點(diǎn)亮頻率設(shè)置為1kHz，在特殊環(huán)境下肉眼能分辨出數(shù)碼管閃爍與否。4.3 程序流程圖4.4 源程序代碼 （見附錄1）5 設(shè)計總結(jié)從最初確定課

21、程題目，一直到完成，共經(jīng)歷了主體思路的確定，資料的查找，程序的編寫，元器件的選型，電路原理圖的繪制，PCB電路板的制作，零部件的組裝焊接，整機(jī)的調(diào)試，多次的組內(nèi)討論等幾個大階段由于自身所學(xué)專業(yè)為機(jī)械方向，對于電子方面的學(xué)識淺薄或有所遺忘，制作起來困難重重，為此不得不翻閱大量的參考書籍，尋求電子方面資深人士的幫助；終于在不懈的努力下，共同完成了這一作品。在本次單片機(jī)課程設(shè)計過程中，我所負(fù)責(zé)的是電子元器件的選型，以及電路圖的制作。由于單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，所以沒有進(jìn)行精確的電路分析和計算，如電流電壓等；在選型時多依靠網(wǎng)絡(luò)和書籍的參考資料與日常經(jīng)驗，同時與程序設(shè)計者多次交流，最終確定了所有的元器件類型。期

22、間也參與了PCB電路板的制作，對制作流程有了大概的了解。謝 辭首先感謝微機(jī)原理及應(yīng)用與單片機(jī)原理及應(yīng)用教程的授課老師1老師，其獨(dú)特的授課風(fēng)格，使得我對匯編語言以及單片機(jī)相關(guān)內(nèi)容充滿了興趣，雖然過程艱難但最終還是通過自己的不懈努力、朋友的幫助以及萬能的互聯(lián)網(wǎng)，充分學(xué)習(xí)了課程的有關(guān)內(nèi)容；并以此作為完成單片機(jī)課程設(shè)計的知識基礎(chǔ)。其次還要感謝同小組成員，通過積極的討論與協(xié)商，組內(nèi)互幫互助，相互彌補(bǔ)知識的缺乏，從確定題目到完成作品，這一步步扎實(shí)的走過來。最后還要感謝有關(guān)文獻(xiàn)的作者們，是他們讓我在遇到困難時，指點(diǎn)迷津，提供了實(shí)用的知識，和簡潔明了的教程，讓我順利完成了課程設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 趙全利.單片機(jī)及應(yīng)用教程M.北京，機(jī)械工業(yè)出版社， 2007：139、111122.2 秦曾煌.電工學(xué)電工技術(shù)M.北京，高等教育出版社，2009：3664.3 周潤景.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計M.北京，電子工業(yè)出版社，2