基于單片機(jī)控制的便攜式籃球計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)

隨著籃球運(yùn)動(dòng)的普及，為了解決偏遠(yuǎn)貧困山區(qū)籃球比賽和小團(tuán)體外出比賽的計(jì)時(shí)問題，利用AT89C51芯片控制能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)靈活，以及編程語言易于修改等優(yōu)點(diǎn)，采用軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了該便攜式籃球計(jì)時(shí)器，利用Keil μVision 3運(yùn)行程序、調(diào)試時(shí)間、運(yùn)行步驟，將寫好的程序?qū)敕抡嬗布娐分?，查看是否與設(shè)計(jì)要求一致。該設(shè)計(jì)具有性能穩(wěn)定，功耗低，價(jià)格便宜，易于攜帶等特點(diǎn)。

0 引言
本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)AT89C51完成了計(jì)時(shí)的功能，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)由AT89C51編程控制Led七段數(shù)碼管作顯示的籃球計(jì)時(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有賽程時(shí)間設(shè)定，計(jì)時(shí)啟功，暫停，報(bào)警，24 s及復(fù)位等功能。

1 系統(tǒng)原理
籃球比賽計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性和計(jì)時(shí)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(gè)系統(tǒng)由按鍵、計(jì)時(shí)顯示、報(bào)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(shí)鐘信號(hào)。晶振的2個(gè)引腳分別串一個(gè)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(gè)4寸7段共陽極數(shù)碼管顯示器，用于賽程的時(shí)間和記錄24 s違規(guī)計(jì)時(shí)顯示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 定時(shí)控制部件設(shè)計(jì)
定時(shí)控制部件是在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的全部內(nèi)部和外部控制信號(hào)，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(gè)工作時(shí)序，其工作需要時(shí)鐘電路提供一個(gè)工作頻率。
MCS-51內(nèi)部有一個(gè)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(shí)鐘源可構(gòu)成時(shí)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(shí)控制部件。
2．2 系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)采用的是上電加按鈕電平復(fù)位，是上電自動(dòng)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(bào)警器
設(shè)計(jì)采用的是12 V電磁式鐵振膜蜂鳴器作為報(bào)警器。當(dāng)單片機(jī)送一個(gè)高電平延時(shí)一段時(shí)間，經(jīng)過三極管將信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)中間繼電器，再由中間繼電器驅(qū)動(dòng)12 V電磁式鐵振膜蜂鳴器，使得電磁線圈產(chǎn)生了一個(gè)磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下振動(dòng)發(fā)聲。
2．4 譯碼及驅(qū)動(dòng)部分電路
譯碼及驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)相連，ULN2404A的輸出端與數(shù)碼管的段選端相連。

3 籃球計(jì)時(shí)器軟件設(shè)計(jì)
首先在比賽之前，接通電源，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，首先設(shè)置時(shí)間，通過上下?lián)軇?dòng)“設(shè)置時(shí)間”的按鈕來設(shè)置比賽的時(shí)間，本設(shè)計(jì)已設(shè)好12 min和10 min一節(jié)的兩種時(shí)間，按下啟動(dòng)按鈕，計(jì)時(shí)器面板的計(jì)時(shí)電路共陽極數(shù)碼管計(jì)時(shí)部分顯示為“12-00”或“10：00”；24 s計(jì)時(shí)器顯示為“24”。當(dāng)比賽開始時(shí)，按下“運(yùn)行”按鈕計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)部分和24 s部分同時(shí)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(duì)。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(shí)，該蜂鳴器會(huì)發(fā)出2 s的報(bào)警聲音。

當(dāng)小節(jié)比賽到最后10 min時(shí)，計(jì)時(shí)器向蜂鳴器發(fā)出信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警提示1 s，此時(shí)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)顯示面板由“00-10”變?yōu)?ldquo;10—00”，當(dāng)24 s顯示面板此時(shí)變?yōu)楹撩胗?jì)時(shí)，這時(shí)就進(jìn)入1／10 s倒計(jì)時(shí)。
當(dāng)比賽結(jié)束時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示4 s，計(jì)時(shí)器面板計(jì)時(shí)部分顯示為“00-00”，24 s顯示器顯示為“00”。此時(shí)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(jì)要求運(yùn)行程序、調(diào)試時(shí)間、運(yùn)行的步驟等，最終達(dá)調(diào)試到設(shè)計(jì)需要的參數(shù)。
(1)程序編完后，對(duì)代碼仔細(xì)逐行檢查。檢查代碼的錯(cuò)誤，建立自己的代碼檢查表，對(duì)經(jīng)常易錯(cuò)的地方進(jìn)行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。
(2)對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真測(cè)試的方法：用程序測(cè)試程序，編制一個(gè)調(diào)用該子程序的代碼，建立要測(cè)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(duì)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(jì)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(jì)要求設(shè)置參數(shù)，之后將寫好的程序?qū)敕抡嬗布娐分?，然后運(yùn)行，觀察仿真現(xiàn)象是否與設(shè)計(jì)要求的一致。
主要需要調(diào)試的是電路的輸入電壓，計(jì)算電路中的電流來設(shè)置具體的通過每個(gè)元件的允許電流，即Imax，在調(diào)試穩(wěn)壓電源的時(shí)候需根據(jù)計(jì)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(shí)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(hào)、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(jì)圖紙相符，重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線間或總線與其他信號(hào)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(cuò)焊；對(duì)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(shí)可用萬用表進(jìn)行測(cè)量。調(diào)試過程有時(shí)可能要重復(fù)多次。另外，在燒錄程序的時(shí)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(duì)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(duì)單片機(jī)運(yùn)行的影響。

6 結(jié)語
AT89C51使電路更為簡化，器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，提高了靈敏度和可靠性，符合集成化、模塊化的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)該計(jì)時(shí)器的時(shí)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(jì)時(shí)。