基于51单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统毕业论文(编辑修改稿)

基于51单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

单片机的时序。 MCS51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器， XTAL1 为该放大器的输入端， XTAL2 为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。 本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2 个电容即可，如图 210 所示。 图 210 单片机时钟发生电路 电路中的器件选择可以通过计算和实验确定， 也可以参考一些典型电路 [8]的参数，电路中，电容器 C1 和 C2 对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是 30177。 10pF，在这个系统中选择了 33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是 12MHz，因而时钟信号的震荡频率为 12MHz。 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 8 显示模块 显示模块采用 了 四位一体的数码管 [9]、二位一体的数码管以及一位数码管，分别如图 21 212 以及 213 所示。 图 211 四位一体数码管显示模块 图 212 二位一体数码管显示模块 图 213 一位数码管显示模块 LED[10]是发光二极管显示器的缩写。 LED 由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。 LED 显示器 [13]即数码管 是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。 在单片机中使用最多的是七段数码显示器。 七段数码 管 由 8 个发光二极管组成显示字段，其中 7 个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 9 四位数码管概述 四位 数码管 是一种半导体发光器件，其基本单元是 发光二极管。 能显示 4个数码管叫四位数码管。 数码管按段数分为 七段数码管 和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光 二极管 单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和 共阴极数码管。 共阳极数码管 是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 （ COM） 的数码管。 其 在应用时应将公共极 COM 接到 +5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 共阴极数码管 是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 （ COM） 的数码管。 共阴极数码管 在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 本次所采用的的是共阳极（ COM）的数码管。 原理图及引脚图 对于一位数码管对应的端名称及排列如下图所示 图 214 一位数码管引脚端名 称 内部的工作原理即如下图所示。 每个段其实就是一个发光二极管，导通即亮。 下面的示例图都以共阳极数码管为例，共阴极数码管原理相同，只是二极管方向相反。 图 215 共阳极数码管内部电路 二位数码管为两个一位的数码管段选并联而阴极 （共阴数码管） 或者阳极（共阳数码管） ，分别作为 位选端。 本次设计选择的二位一体 共阳极数码管 是基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 10 18 个管脚的，其 内部电路构造如图 216 所示 图 216 二位 一体数码管 内部电路图 其显示的引脚位置图为图 217 图 217 二位 一体数码管 （ 18 脚） 引脚图 而四位数码管即相当于四个一位的数码管段选并联而阴极（共阴数码管）或阳极（共阳数码管），则分别作为位选端。 四位一体 共阳极数码管的内部电路构造如图 218 所 示（共阴极数码管二极管反向）。 图 218 四位一体共阳极数码管内部电路图 从数码管正面俯视看，对应的引脚如图 219 所示， 图 219 四位一体数码管引脚图 1， 2， 3， 4 分别表示从左到右四个数码管的位选端， a， b， c， d， e， f，g， dp 即分别对应数码管的段选，共阴极数码管高电平有效，共阳极的数码管低电平有效。 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 11 数码管的译码方式 表 23 共 阴（阳） 极字段码表 显示字 符 共阳极字段码 共阴极字段码 0 C0H 3FH 1 F9H 06H 2 A4H 5BH 3 B0H 4FH 4 99H 66H 5 92H 6DH 6 82H 7DH 7 F8H 07H 8 80H 7FH 9 90H 6FH 译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，对于 LED 数码管显示器，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种 [8]。 硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转换。 软件译码就是编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段码，译码程 序通常为查表程序。 本设计系统中为了简化硬件线路设计，数码管译码采用软件编程来实现，采用的是共阳极数码管。 数码管与单片机接口设计 由于单片机的并行口不能直接驱动 数码管 ，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片 [13]，使之产生足够大的电流， 数码管 才能正常工作。 如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此， 数码管 的驱动电路设计是一个非常重要的问题。 数码管的驱动通常分为两种：静态驱动和动态显示。 静态驱动也称直流驱动。 静态驱动是指每个 数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动。 静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 12 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 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。 所以为了简化电路，本系统在数码管驱动电路的设计上，利用单片机 P0口上外接的上拉电阻来实现，即将数码管的 AG 段显示引脚和 DP 小数点显示引脚并联到 P0 口与上拉电阻之间，这样，就可以加大 P0 口作为输出口的驱动能力，使得数码管能按照正常的亮度显示出数字。 74HC595 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件， 兼容低电压 TTL 电路，遵守 JEDEC标准。 74HC595 是具有 8 位 移位寄存器 和一个 存储器 ，三态输出功能。 移位寄存器和 存储器 是分别的时钟。 数据在 SHcp（移位寄存器时钟输入）的上升沿输入到 移位寄存器 中，在 STcp（存储器时钟输入）的上升沿输入到存储寄存器中去。 如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（ Ds），和一个串行输出（ Q7’） ， 和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一 个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当使能 OE 时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 图 220 为引脚图。 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 13 图 220 74HC595 引脚图 74HC595 的引脚说明 如表 24： 表 24 74HC595 引脚说明 表 引脚 描述 Q0„Q7 8 位并行数据输出，其中 Q0 为第 15 脚 GND 地 Q7’ 串行数据输出 MR 主复位（低电平 ） SHCP 移位寄存器时钟输入 STCP 存储寄存器时钟输入 OE 输出有效（低电平） DS 串行数据输入 VCC 电源 蜂鸣器原理 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。 分类 蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。 有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别：注意：这里的 “源 ”不是指电源，而是指震荡源。 也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫；而 无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。 必须用 2K5K 的方波去驱动它。 有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。 无源蜂鸣器的优点是： 1. 便宜 2. 声音频率可控，可以做出 “多来米发索拉西 ”的效果。 3. 在一些特例中，可以和基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 14 LED 复用一个控制口。 有源蜂鸣器的优点是：程序控制方便。 本次设计选用的蜂鸣器是有源蜂鸣器。 驱动方式 单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是 PWM 输出口直接驱动，另一种是利用 I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。 PWM 输出口直接驱动 是利用 PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。 在单片机的 软件 设置中有几个系统寄存器是用来设置 PWM 口的输出的，可以设置占空比、周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的 频率 的波形之后，只要打开 PWM 输出， PWM 输出口就能输出该频 率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。 比如频率为20xxHz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为 500μs，这样只需要把 PWM 的周期设置为 500μs，占空比电平设置为 250μs，就能产生一个频率为 20xxHz 的方波，通过这个方波再利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。 而利用 I/O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用 定时器 来做定时，通过定时翻转 电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。 比如为 2500Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为 400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的 I/O 口每 200μs 翻转一次电平就可以产生一个频率为 2500Hz，占空比为 1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。 驱动电路 蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。 1．蜂鸣器 发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要 参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流 /方波）等。 这些都可以根据需要来选择。 2．续流二极管 蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。 否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。 3．滤波电容 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 15 滤波电容 C1 的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个 220uF 的电解电容。 4．三极管 三极管 Q1 起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使 蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。 驱动电路如图 221 所示。 图 221 蜂鸣器驱动电路图 基于 51 单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统 16 第 3 章 系统软件部分设计 对于 单片机 控制的系统 ，软件和硬件 同样重要 ，硬件 仅 解决了信号输入输出问题，软件 完成对数据 的处理、传送、存储、显示等， 是系统的控制和处理核心。 单片机在推广应用的初期，主要使用汇编语言，这是因为当时的开发工具只能支持汇编语言。 随着硬件技术的发展，单片机的程序设计语言从汇编语言过渡到高级语言 C 已经成为时代的潮流。 C 语言是一种通用的程序设计语言，其代码效率高、数据类型及运 算符丰富，并具有良好的程序结构，适用于各种应用程序设计。 支持 51 单片机 用的 C 语言编程 [11]的编译器主要有两种： Franklin C51 编译器和 Keil C51 编译器，我们简称 C51。 C51 是专为 51 单片机 开发的一种高。