基于51单片机的电子记分牌的设计

基于51单片机的电子记分牌的设计内容摘要：

8 位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。 例如 ，对于共阴 LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极 hgfedcba 各段为 0111011 时，显示器显示 P字符，即对于共阴极 LED 显示器，“ P”字符的字形码是 73H。 如果是共阳 LED 显示器，公共阳极接高电平，显示“ P”字符的字形代码应为 10001100（ 8CH）。 下表 22 列出了共阳极与共阴极 LED 显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系： 表 22 代码对应表 显示字符 共阴极段码 共阳极段码 显示字符 共阴极段码 共阳极段码 0 3FH C0 8 7FH 80H 1 06H F9 9 6FH 90H 2 5BH A4 A 77H 88H 3 4FH B0 B 7CH 83H 4 66H 99H C 39H C6 5 6DH 92H D 5EH A1H 6 7DH 82H E 79H 86H 7 07H F8 F 71H 8EH LED 显示器及显示方式 点亮 LED 显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。 在本次设计中，采用的是动态显示。 所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 界面用于笔划段字形代码。 这样单片机只要把要显示的 字形代码发送到界面电路，就 不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中 CPU的开销小。 这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。 从下图 26 可以看出，每位 LED 显示器需要单独占用 8 根端口线，因此，在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式。 图 26 动态显示图 所谓动态显示，就是将要显示的多位 LED 显示器采用一个 8 位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器。 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的 一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 在轮流显示过程中，每位 数码管的点亮时间为 1～ 2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 下图 27 为一个4 位 LED 显示器简单的动态显示电路 图 27 静态显示图 下图 28 为本次设计 LED 显示器动态显示电路： 图 28 数码管动态显示电路 在此电路中，单片机的 P2 口用于控制 4 位 LED 的段选码， T_ T_ T_T_4 分别是 4 位 LED 的位选码， A_ A_ A_ B_ B_ B_3 分别是两个 3 位 LED 的位选码。 由于所有的段选码连在一起，所以同一瞬间只能显示同一种字符。 但如果要显示不同字符，则要借助位选码来控制。 例如，现在要 U5 显示 567 三个数字，则首先应该将“ 5”的显示代码（共阴 LED 显示器的显示代码为 6DH，共阳 LED显示器的显示代码为 92H）由 P2 口送出，然后 ~~ 输出相应位码（ LED为共阴则 ~~ 输出 100，） LED 为共阴则 ~~ 输出 011）时，则可以看到在数码管 1 上显示的数 字为“ 5”。 再将显示的数字“ 5”延时 5~10ms，以造成视觉暂留效果；同时代码由 P2 口送出。 用同样的方法将其余 2 个数字“ 67”送数码管 2， 3 显示，于是最后则可以在 3 位 LED 显示器上看到“ 567”三个数字。 为了使显示效果更加稳定，可以使每个数码管显示的数字不断的重复，但其中重复频率达到了一定的程度的时候，加之人眼睛本身的视觉暂留效果的作用，便可以看到相当稳定的“ 567”三个数字。 LED 显示器界面 数据从 P2 口送出，送到 74HC373 锁存器的输入端口，由 74HC373 锁存器把数据锁存以 后，再送到各个数码管。 74HC373 芯片介绍 74HC373 锁存器是带三态缓冲输出的 8D 透明锁存器 ， 74HC373 管脚图如下图 29 所示。 图 29 74HC373锁存器 当三态允许控制端 OE 为低电平时， Q0～ Q7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。 当 OE 为高电平时， Q0～ Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时， Q 随数据 D 而变。 当 LE 为低电平时， D被锁存在已建立的数据电平。 当 LE 端施密特触发器的输 入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。 引出端符号： D0～ D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 Q0～ Q7 输出端 74HC373 的真值表： 表 23 74HC373真值表 Dn LE OE On H H L H L H L L X L L QO X X H 高阻态 报警器 报警器简介 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用 直流电压 供电，广泛应用于 计算机 、打印机、复印机、报警器、 电子玩具 、汽车电子设备、电话机、 定时器 等电子产品中作发声 器件。 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 本次设计采用的是电磁式蜂鸣器作为报警器。 电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁 线圈 、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号 电流 通过电磁线圈，使电磁线圈产生 磁场。 振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 图 210 电磁式蜂鸣器 驱动方式 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用 放大电路 来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。 第三章 硬件电路设计 系统方案设计 基于 51 单 片机系统的记分器的系统构成框图如下图 31 所示。 稳压电源模块A T 8 9 S 5 2单 片 机蜂 鸣 报 警独 立 键 盘计 时 显 示 模 块计 分 显 示 模 块 图 31系统框图 本系统采用单片机 AT89S52 作为本设计的核心元件。 利用七段共阴 LED 作为显示器件。 在本次设计中，共接入 3 个七段共阴极 LED 数码管，其中 2 个三位一体的七段共阴极 LED 数码管用于计录甲、乙两队的分数，显示器分数范围可达到 0— 999 分，远远足够满足赛程需要。 另外 1 个四位一体的七段共阴极 LED数码管则用于计录赛程的时间，其中两个用于显示比赛时间的分钟； 2 个用于显示比赛时间的秒钟。 赛程计时 采用倒计时方式。 比赛前将时间设置好，比赛开始时启动计时，直至计时倒计时到零为止，此时蜂鸣报警器报警提示比赛结束。 根据设计，计时范围可达 0— 99 分钟，也完全满足赛程的需要。 为了配合计时器和 记分 器校正、调整时间和比分，特定在本设计中设立了 8个按键。 其中 4 个用于输入甲、乙两队的分数；另外 4 个则用于完成设置、调整、 启动和暂停赛程时间、比分中场调换等功能。 硬件总体设计 根据设计要求，本次系统硬件由一下几个部分构成： 电源电路 单片机 AT89S52 时钟振荡电路 复位电路 按键控制电路 显示电路 蜂鸣报警电路 下面图 32 是用 altium designer winter09 软件绘制的系统总体电路图： 图 32 系统总体电路图 单片机最小应用系统 AT89S52 单片机是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的 最小系统简单、可靠。 用 AT89S52 单片机构成的最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如下图 33 为 AT89S52 单片机最小系统所示。 其应用特点： 有可供用户使用的大量 I/O 口线。 内部存储器容量有限。 应用 系统开发具有特殊性。 图 33 系统最小系统电路图 电源电路部分 在该系统中单片机需要用到 +5V的直流稳压电源，在我们的生活中一般都是使用 220 的交流电，为了获得高质量的 5V直流稳压电源，这就需要我们进行电 压转化。 电源部分的电路如下图 34 所示： 图 34 系统电源电路图 7805 系列集成稳压器，只有输入端、输出端和公共端三个引线端子，可输出 1A 以上的电流，有必要的保护电路，使用起来安全可靠。 它输出固定的正电压。 电压经过整流、滤波后产生的不稳定直流电压，从稳压器的输入端输入，在稳压器的输出端就可得到稳定的直流电压输出。 正常工作时，稳压器输入、输出电压差为 2～ 3V，电容用来实现频率补偿。 图中 C1 为 f 可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。 C2 为 f 用来减少由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。 时钟振荡电路部分 时钟电路在单片机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础，晶振的频率决定了整个系统工作的快慢。 单片机有两种时钟产生方式，一种是外部时钟方式，一种是内部时钟方式。 外部时钟方式虽然精度高，稳定性好，但是成本高，需要额外 提供一个外部震荡信号。 这次设计采用内部震荡方式。 设计要使用到 AT89S52 单片机的时钟振荡功能。 中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶 AT89S52 瓷谐振器一起构成自激振荡器。 振荡电路如下图 35 所示 图 35系统时钟振荡电路 如图 35，外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容 C1， C2 接在放大器的反馈电路中构成并联谐振电路。 谐振器本身对外接电容 C C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻 微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度以及温度的稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用 33pF，而使用陶瓷谐振器建议选择 40pF。 复位电路部分 通过某种方式，是单片机内寄存器的值变为初始状态的操作成为复位。 MCS51 单片机在时钟电路工作以后，在 RST 端持续给出 2 个机器周期的高电平就可以完成复位操作，复位分为上电复位和外部复位两种方式。 主要功能是把系统初始化，当程序运行错误或者进入死循环的时候，为摆脱困境，可以按复位键以重新启动。 本设计采用上电复位加按钮方式，通过调整按 钮的状态，是单片机能够可靠的上电复位，当需要外部复位时，按下复位按钮就能达到复位的目的，由于人的动作再快也会保持接通数十毫秒，所以完全能够满足单片机复位的要求。 下图 36 为本次设计中的上电加按钮电路： 图 36 系统复位电路 按键电路部分 按键是单片机应用系统中适用最广泛的一种数据输入设备，按键通常是一种常开型按键，常态下键的两个触点处于断开，按下时他们才闭合。 图 37 常开型按键 此次设计采用的是非编码键盘、非编码键盘按组成结构又可分为独立式键盘和矩阵式键盘。 独立式键盘的工作过程 与矩阵式键盘类似，无论是硬件结构还是软件设计都比较简单。 矩阵式键盘的特点：电路连接复杂，但提高了 I/O 口的利用率，软件编程较复杂。 适用于需要使用大量按键的系统。 由于本次有足够空域端口，且为了降低编程时的复杂性，采用的是独立式键盘，独立式键盘的特点：每个按键只占用一个 I/O 口， I/O 口利用率不高，但是编程简单。 适用于所需按键比较少的场合。 本次设计一共使用了 9 个按键，其中 4 个用于甲乙两队的分数，分别是甲队加分和减分、乙队加分减分，另外四个用于控制开始暂停、调节分钟秒钟以及调换比赛分数，最后一个是复位按键， 用于单片机的复位。 下图 38 所示为本系统的按键电路图。 图 38 系统按键电路 显示电路部分 本。