單片機(jī)控制的便攜式籃球計時器設(shè)計

　　引言

　　本設(shè)計利用單片機(jī)AT89C51完成了計時的功能，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計過程，設(shè)計由AT89C51編程控制Led七段數(shù)碼管作顯示的籃球計時系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有賽程時間設(shè)定，計時啟功，暫停，報警，24 s及復(fù)位等功能。

　　1 系統(tǒng)原理

　　籃球比賽計時的準(zhǔn)確性和計時的精確度是要求很高的，而單片機(jī)在這方面有著出色的表現(xiàn)。該系統(tǒng)采用頻率為12 MHz的芯片，整個系統(tǒng)由按鍵、計時顯示、報警，箭頭方向等部分組成。該系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

　　單片機(jī)是該系統(tǒng)電路的核心組成部分，系統(tǒng)的各種功能都是在單片機(jī)內(nèi)通過編程來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)選用AT89C51。它的X1(19腳)和X2(18腳)外接12MHz晶振，為單片機(jī)提供時鐘信號。晶振的2個引腳分別串一個瓷片電容，電容值為20～50 pF，用于提高晶振頻率的穩(wěn)定性。共接入6個4寸7段共陽極數(shù)碼管顯示器，用于賽程的時間和記錄24 s違規(guī)計時顯示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 定時控制部件設(shè)計

　　定時控制部件是在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的全部內(nèi)部和外部控制信號，使各功能元件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的功能。主要任務(wù)是產(chǎn)生一個工作時序，其工作需要時鐘電路提供一個工作頻率。

　　MCS-51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入端和輸出端分別是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接時鐘源可構(gòu)成時鐘電路。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，與內(nèi)部反向器構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，它發(fā)出的脈沖直接送入片內(nèi)的定時控制部件。

　　2.2 系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計

　　設(shè)計采用的是上電加按鈕電平復(fù)位，是上電自動復(fù)位與按鈕電平復(fù)位的組合。上電復(fù)位利用電容充電來實(shí)現(xiàn)，即上電瞬間RST/Vpd端的電位與Vcc相同，隨著充電電流的減少，RST/Vpd的電位下降，最后被復(fù)位在0 V，按鈕電平復(fù)位，當(dāng)按鈕按下后，電源Vcc通過電阻施加在單片機(jī)復(fù)位端RST/Vpd上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。

　　2.3 報警器

　　設(shè)計采用的是12 V電磁式鐵振膜蜂鳴器作為報警器。當(dāng)單片機(jī)送一個高電平延時一段時間，經(jīng)過三極管將信號放大后驅(qū)動中間繼電器，再由中間繼電器驅(qū)動12 V電磁式鐵振膜蜂鳴器，使得電磁線圈產(chǎn)生了一個磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下振動發(fā)聲。

　　2.4 譯碼及驅(qū)動部分電路

　　譯碼及驅(qū)動部分由74LS248和ULN2804A兩塊芯片組成，其輸入電壓為12 V。74LS248的輸入端與單片機(jī)的I/O口對應(yīng)相連，ULN2404A的輸出端與數(shù)碼管的段選端相連。

　　3 籃球計時器軟件設(shè)計

　　首先在比賽之前，接通電源，系統(tǒng)自動復(fù)位，首先設(shè)置時間，通過上下?lián)軇印霸O(shè)置時間”的按鈕來設(shè)置比賽的時間，本設(shè)計已設(shè)好12 min和10 min一節(jié)的兩種時間，按下啟動按鈕，計時器面板的計時電路共陽極數(shù)碼管計時部分顯示為“12-00”或“10：00”;24 s計時器顯示為“24”。當(dāng)比賽開始時，按下“運(yùn)行”按鈕計時器計時部分和24 s部分同時開始運(yùn)行。

　　在比賽過程中可以通過球權(quán)按鍵來控制箭頭的指向，從而顯示比賽中擁有球權(quán)的隊。若控球方在24 s內(nèi)未違規(guī)，則只需按一下“24 s復(fù)位”按鈕即可，當(dāng)24 s違規(guī)時，該蜂鳴器會發(fā)出2 s的報警聲音。

　　當(dāng)小節(jié)比賽到最后10 min時，計時器向蜂鳴器發(fā)出信號，蜂鳴器報警提示1 s，此時計時器的計時顯示面板由“00-10”變?yōu)椤?0—00”，當(dāng)24 s顯示面板此時變?yōu)楹撩胗嫊r，這時就進(jìn)入1/10 s倒計時。

　　當(dāng)比賽結(jié)束時蜂鳴器報警提示4 s，計時器面板計時部分顯示為“00-00”，24 s顯示器顯示為“00”。此時本場比賽結(jié)束。流程圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

　　4.1 軟件調(diào)試

　　利用Keil μVision 3進(jìn)行仿真調(diào)試，根據(jù)設(shè)計要求運(yùn)行程序、調(diào)試時間、運(yùn)行的步驟等，最終達(dá)調(diào)試到設(shè)計需要的參數(shù)。

　　(1)程序編完后，對代碼仔細(xì)逐行檢查。檢查代碼的錯誤，建立自己的代碼檢查表，對經(jīng)常易錯的地方進(jìn)行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。

　　(2)對各個子程序進(jìn)行仿真測試。仿真測試的方法：用程序測試程序，編制一個調(diào)用該子程序的代碼，建立要測試子程序的入口條件，再看看它是否按預(yù)期輸出結(jié)果。

　　(3)如果代碼有修改，再次對代碼進(jìn)行檢查。

　　4.2 硬件調(diào)試

　　在Proteus Professional 7.1 SP2單片機(jī)仿真與電路板設(shè)計軟件中繪制電路原理圖，在搭接好基本電路后根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置參數(shù)，之后將寫好的程序?qū)敕抡嬗布娐分校缓筮\(yùn)行，觀察仿真現(xiàn)象是否與設(shè)計要求的一致。

　　主要需要調(diào)試的是電路的輸入電壓，計算電路中的電流來設(shè)置具體的通過每個元件的允許電流，即Imax，在調(diào)試穩(wěn)壓電源的時候需根據(jù)計算結(jié)果，選擇變壓器的參數(shù)，即能夠提供的最大電流、功率。合理選用電容參數(shù)的大小以保證穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)。仿真得到的效果和制作出來的實(shí)物之間有一定的差距，因?yàn)閷?shí)際電路存在電損耗，所以在搭接硬件電路時必須考慮這些方面的影響。

　　5 注意事項(xiàng)

　　(1)根據(jù)硬件電路原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查線路的正確性，并檢查元器件安裝是否正確。常要注意的是芯片及開關(guān)管的型號、放大器和開關(guān)管的極性、電容器的耐壓和極性、電阻的阻值和功率是否與設(shè)計圖紙相符，重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線間或總線與其他信號線間是否存在短路。

　　(2)檢查焊接點(diǎn)是否牢固，特別要仔細(xì)檢查有無漏焊和錯焊;對于靠得很近的相鄰焊點(diǎn)，要注意檢查金屬毛刺和是否短路，必要時可用萬用表進(jìn)行測量。調(diào)試過程有時可能要重復(fù)多次。另外，在燒錄程序的時候，一定要注意到AT89系列單片機(jī)默認(rèn)得有芯片加密。

　　(3)在制作過程中需考慮電流、電壓、磁場對單片機(jī)的影響，做好防護(hù)措施，可外接保護(hù)電路，從而消除灌流、尖峰電流的等對單片機(jī)運(yùn)行的影響。

　　6 結(jié)語

　　計時器的時間設(shè)定操作簡單，功能齊全，體積小，易于方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。能廣泛應(yīng)用于學(xué)校，籃球俱樂部，體育館或者小團(tuán)體作為賽程的計時。