隨著籃球運動的普及，為了解決偏遠貧困山區(qū)籃球比賽和小團體外出比賽的計時問題，利用AT89C51芯片控制能力強，設(shè)計靈活，以及編程語言易于修改等優(yōu)點，采用軟件設(shè)計和硬件設(shè)計相結(jié)合，設(shè)計了該便攜式籃球計時器，利用Keil μVision 3運行程序、調(diào)試時間、運行步驟，將寫好的程序?qū)敕抡嬗布娐分?，查看是否與設(shè)計要求一致。該設(shè)計具有性能穩(wěn)定，功耗低，價格便宜，易于攜帶等特點。
0 引言
本設(shè)計利用單片機AT89C51完成了計時的功能，詳細地介紹了系統(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及復位等功能。
1 系統(tǒng)原理
籃球比賽計時的準確性和計時的精確度是要求很高的，而單片機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內(nèi)通過編程來實現(xiàn)。單片機選用AT89C51。它的X1(19腳)和X2(18腳)外接12MHz晶振，為單片機提供時鐘信號。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)的復位電路設(shè)計
設(shè)計采用的是上電加按鈕電平復位，是上電自動復位與按鈕電平復位的組合。上電復位利用電容充電來實現(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，最后被復位在0 V，按鈕電平復位，當按鈕按下后，電源Vcc通過電阻施加在單片機復位端RST／Vpd上，實現(xiàn)單片機的復位。
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。當單片機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)自動復位，首先設(shè)置時間，通過上下?lián)軇?ldquo;設(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”。當比賽開始時，按下“運行”按鈕計時器計時部分和24 s部分同時開始運行。
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復位”按鈕即可，當24 s違規(guī)時，該蜂鳴器會發(fā)出2 s的報警聲音。
當小節(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)?ldquo;10—00”，當24 s顯示面板此時變?yōu)楹撩胗嫊r，這時就進入1／10 s倒計時。
當比賽結(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進行仿真調(diào)試，根據(jù)設(shè)計要求運行程序、調(diào)試時間、運行的步驟等，最終達調(diào)試到設(shè)計需要的參數(shù)。
(1)程序編完后，對代碼仔細逐行檢查。檢查代碼的錯誤，建立自己的代碼檢查表，對經(jīng)常易錯的地方進行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。
(2)對各個子程序進行仿真測試。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，再看看它是否按預期輸出結(jié)果。
(3)如果代碼有修改，再次對代碼進行檢查。
4．2 硬件調(diào)試
在Proteus Professional 7．1 SP2單片機仿真與電路板設(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\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物之間有一定的差距，因為實際電路存在電損耗，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
(1)根據(jù)硬件電路原理圖和裝配圖仔細檢查線路的正確性，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)檢查焊接點是否牢固，特別要仔細檢查有無漏焊和錯焊；對于靠得很近的相鄰焊點，要注意檢查金屬毛刺和是否短路，必要時可用萬用表進行測量。調(diào)試過程有時可能要重復多次。另外，在燒錄程序的時候，一定要注意到AT89系列單片機默認得有芯片加密。
(3)在制作過程中需考慮電流、電壓、磁場對單片機的影響，做好防護措施，可外接保護電路，從而消除灌流、尖峰電流的等對單片機運行的影響。
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。同時該計時器的時間設(shè)定操作簡單，功能齊全，體積小，易于方便攜帶等優(yōu)點。能廣泛應(yīng)用于學校，籃球俱樂部，體育館或者小團體作為賽程的計時。