基于AT89S52單片機(jī)的電子記分牌設(shè)計(jì)

鐘 煒，李澤滔

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

單片機(jī)的應(yīng)用是具有高度現(xiàn)實(shí)意義的。本次設(shè)計(jì)通過(guò)AT89S52編程控制LED七段數(shù)碼管作為電子記分牌的計(jì)時(shí)記分系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有賽程定時(shí)設(shè)置，賽程時(shí)間暫停，及時(shí)刷新甲、乙雙方的成績(jī)以及賽后成績(jī)暫存等功能［1］。它具有價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，操作方便并且易于攜帶等特點(diǎn)。廣泛適合各類學(xué)?；蛘咝⌒蛨F(tuán)體作為賽程計(jì)時(shí)記分設(shè)備。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

AT89S52作為本設(shè)計(jì)的核心元件。利用七段共陰極LED作為顯示器件。在本次設(shè)計(jì)中，共接入3個(gè)七段共陰極LED數(shù)碼管，其中2個(gè)三位一體的七段共陰極LED數(shù)碼管用于計(jì)錄甲、乙兩隊(duì)的分?jǐn)?shù)，顯示器分?jǐn)?shù)范圍可達(dá)到0～999分，足夠滿足賽程需要。另外1個(gè)四位一體的七段共陰極LED數(shù)碼管則用于計(jì)錄賽程的時(shí)間，其中兩個(gè)用于顯示比賽時(shí)間分鐘;兩個(gè)用于顯示比賽時(shí)間的秒鐘。賽程計(jì)時(shí)采用倒計(jì)時(shí)方式。比賽前將時(shí)間設(shè)置好，比賽開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，直至計(jì)時(shí)倒計(jì)時(shí)到零為止，此時(shí)蜂鳴報(bào)警器報(bào)警提示比賽結(jié)束。根據(jù)設(shè)計(jì)，計(jì)時(shí)范圍可達(dá)0 ～99 min，也完全滿足賽程的需要［2］。

為了配合計(jì)時(shí)器和記分器校正、調(diào)整時(shí)間和比分，特定在本設(shè)計(jì)中設(shè)立了8個(gè)按鍵。其中4個(gè)用于輸入甲、乙兩隊(duì)的分?jǐn)?shù);另外4個(gè)則用于完成設(shè)置、調(diào)整、啟動(dòng)和暫停賽程時(shí)間、比分中場(chǎng)調(diào)換等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中穩(wěn)壓電源模塊，復(fù)位電路，晶振電路等構(gòu)成了我們AT89S52單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)，下面就分別介紹這幾個(gè)電路模塊［3］。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 電源電路模塊

在該系統(tǒng)中單片機(jī)需要用到+5 V的直流穩(wěn)壓電源，在我們的生活中一般都是使用220 V的交流電，為了獲得高質(zhì)量的5 V直流穩(wěn)壓電源，這就需要我們進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化。電源部分的電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源模塊

7805系列集成穩(wěn)壓器，只有輸入端、輸出端和公共端三個(gè)引線端子，可輸出1 A以上的電流，有必要的保護(hù)電路，使用起來(lái)安全可靠。它輸出固定的正電壓。電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波后產(chǎn)生的不穩(wěn)定直流電壓，從穩(wěn)壓器的輸入端輸入，在穩(wěn)壓器的輸出端就可得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。正常工作時(shí)，穩(wěn)壓器輸入、輸出電壓差為2～3 V，電容用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。圖中C1為0.1 μF可以防止由于輸入引線較長(zhǎng)而帶來(lái)的電感效應(yīng)而產(chǎn)生的自激。C2為0.47 μF用來(lái)減少由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化而引起的高頻干擾［4］。

1.2 時(shí)鐘振蕩電路

時(shí)鐘電路在單片機(jī)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(chǔ)。單片機(jī)有兩種時(shí)鐘產(chǎn)生方式，一種是外部時(shí)鐘方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式。外部時(shí)鐘方式雖然精度高，穩(wěn)定性好，但是成本高，需要額外提供一個(gè)外部震蕩信號(hào)。因此本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部震蕩方式。設(shè)計(jì)要使用到AT89S52單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩功能。其中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷AT89S52諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。

1.3 復(fù)位電路

單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RST端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作，復(fù)位分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。主要功能是把系統(tǒng)初始化，當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤或者進(jìn)入死循環(huán)的時(shí)候，為擺脫困境，可以按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。

本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位加按鈕方式，通過(guò)調(diào)整按鈕的狀態(tài)，使單片機(jī)能夠可靠的上電復(fù)位，當(dāng)需要外部復(fù)位時(shí)，按下復(fù)位按鈕就能達(dá)到復(fù)位的目的，由于人的動(dòng)作再快也會(huì)保持接通數(shù)十毫秒，所以完全能夠滿足單片機(jī)復(fù)位的要求。

1.4 按鍵電路部分

采用的是非編碼鍵盤中的獨(dú)立式鍵盤，設(shè)計(jì)一共使用9個(gè)按鍵，其中4個(gè)用于甲乙兩隊(duì)的分?jǐn)?shù)，分別是甲隊(duì)加分和減分、乙隊(duì)加分減分，另外四個(gè)用于控制開(kāi)始、暫停、調(diào)節(jié)分鐘秒鐘以及調(diào)換比賽分?jǐn)?shù)，最后一個(gè)是復(fù)位按鍵，用于單片機(jī)的復(fù)位。

1.5 顯示電路部分

采用共陰極數(shù)碼管，共陰極接低電平，其他管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為高電平時(shí)，該端所連接的字符導(dǎo)通并發(fā)亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或者字符。同樣，要求段驅(qū)動(dòng)電路能提供額定的導(dǎo)通電壓或者電流，同時(shí)根據(jù)需要設(shè)定響應(yīng)的限流電阻。本次設(shè)計(jì)的顯示電路部分采用2個(gè)3位一體共陰極數(shù)碼管和一個(gè)4位一體共陰極數(shù)碼管，共8個(gè)代碼輸入口和10個(gè)位選輸入口。顯示方式采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，使各位數(shù)碼管逐一輪流點(diǎn)亮，由于掃描速度極快，顯示效果與靜態(tài)顯示效果相同［5］。

1.6 蜂鳴報(bào)警電路部分

報(bào)警部分要求同時(shí)比賽結(jié)束之后有蜂鳴報(bào)警，采用蜂鳴器報(bào)警實(shí)現(xiàn)。其中蜂鳴器通過(guò)一個(gè)PNP三極管驅(qū)動(dòng)，R14作為驅(qū)動(dòng)電阻。當(dāng)比賽時(shí)間倒計(jì)時(shí)結(jié)束之后，通過(guò)軟件控制在P3.6端口輸出低電平信號(hào)，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音。圖3為本系統(tǒng)的蜂鳴報(bào)警電路電路圖。

圖3 報(bào)警電路

2 軟件總體設(shè)計(jì)方案

軟件的編程設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，也是能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的關(guān)鍵。單片機(jī)編程常用的語(yǔ)言是C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，其最終都要轉(zhuǎn)為Intel HEX格式或二進(jìn)制格式文檔拷入單片機(jī)芯片內(nèi)。本次設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

C語(yǔ)言可以進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，程序部分由主程序，延時(shí)程序，中斷程序，加分程序，減分程序，比分交換程序，時(shí)間調(diào)整程序，時(shí)間暫停程序，報(bào)警程序，掃描顯示程序，結(jié)束程序等程序構(gòu)成。程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

在主程序中，可以清晰看到，初始化結(jié)束之后，定時(shí)器顯示默認(rèn)值，甲乙分?jǐn)?shù)清零，進(jìn)入檢測(cè)按鍵程序，與此同時(shí)，數(shù)碼管正常顯示，當(dāng)時(shí)間分鐘設(shè)定或者時(shí)間秒鐘設(shè)定被選擇之后我們?cè)O(shè)定此時(shí)計(jì)時(shí)中斷，蜂鳴器報(bào)警也停止。當(dāng)達(dá)到規(guī)定計(jì)時(shí)時(shí)間后，再次進(jìn)入蜂鳴報(bào)警響應(yīng)，并且交換分?jǐn)?shù)，重新回到定時(shí)設(shè)定［6］。

3 仿真與PCB展板

3.1 Proteus仿真

Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。可以分析各種模擬器件和集成電路。在Proteus下完成電路的連接，通過(guò)KEIL軟件生成的HEX文檔導(dǎo)入仿真程序單片機(jī)中，按下軟件頁(yè)面下的開(kāi)始按鍵開(kāi)始進(jìn)行軟件仿真［7］，本次設(shè)計(jì)的電子記分牌仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 電路仿真結(jié)果圖

3.2 PCB展板

PCB展板的制作應(yīng)遵循均勻分布，重心平衡，版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)優(yōu)化布局。相同結(jié)構(gòu)電路部分盡可能采用對(duì)稱布局，同類原件盡可能在X或Y方向上一致，以便于生產(chǎn)和調(diào)試［6］。本次設(shè)計(jì)根據(jù)需要制作了電子記分牌實(shí)物電路［8］如圖6所示。

圖6 電子記分牌實(shí)物展板

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電子記分牌實(shí)現(xiàn)的功能包括:時(shí)鐘倒計(jì)時(shí)功能，可以精確到秒;時(shí)鐘的數(shù)值可以調(diào)節(jié)同時(shí)倒計(jì)時(shí)具有夠暫停;當(dāng)時(shí)間倒計(jì)時(shí)結(jié)束之后，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警;作為體育賽事的記分牌，能夠記錄兩隊(duì)分?jǐn)?shù)，并且具有加減功能;最后在半場(chǎng)比賽結(jié)束能夠交換兩隊(duì)比分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了8051系列單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成，同時(shí)在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一些使用性強(qiáng)的外圍界面。該電子記分牌設(shè)計(jì)功能相對(duì)完善，蜂鳴器聲音大小可調(diào)，后期還可將獨(dú)立鍵盤擴(kuò)展為觸摸屏，因此其用途十分廣泛。

［1］ 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)電子教研組，1998:492-518

［2］ 李士平.北京電子報(bào).北京電子報(bào)社98合訂本下，1998

［3］ 趙保經(jīng).中國(guó)集成電路大全.國(guó)防工業(yè)出版社，1987:9-82

［4］ 童詩(shī)白.現(xiàn)代電子學(xué)及應(yīng)用.東南大學(xué)出版社，1997:23-34

［5］ 曉喻.電子制作.中國(guó)家用電器維修協(xié)會(huì)，1999:15-18

［6］ 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程.電子工業(yè)出版社，2009:38-125

［7］ 張毅剛.新編MCS-51應(yīng)用設(shè)計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008:380-390

［8］ 霍亮雨.探討數(shù)字單片機(jī)技術(shù)的PCB版.數(shù)字化用戶，2013