基于单片机控制的便携式篮球计时器设计

随着篮球运动的普及，为了解决偏远贫困山区篮球比赛和小团体外出比赛的计时问题，利用AT89C51芯片控制能力强，设计灵活，以及编程语言易于修改等优点，采用软件设计和硬件设计相结合，设计了该便携式篮球计时器，利用Keil μVision 3运行程序、调试时间、运行步骤，将写好的程序导入仿真硬件电路中，查看是否与设计要求一致。该设计具有性能稳定，功耗低，价格便宜，易于携带等特点。

0 引言
本设计利用单片机AT89C51完成了计时的功能，详细地介绍了系统硬件与软件的设计过程，设计由AT89C51编程控制Led七段数码管作显示的篮球计时系统。该系统具有赛程时间设定，计时启功，暂停，报警，24 s及复位等功能。

1 系统原理
篮球比赛计时的准确性和计时的精确度是要求很高的，而单片机在这方面有着出色的表现。该系统采用频率为12 MHz的芯片，整个系统由按键、计时显示、报警，箭头方向等部分组成。该系统组成方框图如图1所示。

单片机是该系统电路的核心组成部分，系统的各种功能都是在单片机内通过编程来实现。单片机选用AT89C51。它的X1(19脚)和X2(18脚)外接12MHz晶振，为单片机提供时钟信号。晶振的2个引脚分别串一个瓷片电容，电容值为20～50 pF，用于提高晶振频率的稳定性。共接入6个4寸7段共阳极数码管显示器，用于赛程的时间和记录24 s违规计时显示。
2 系统硬件设计
2．1 定时控制部件设计
定时控制部件是在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制信号，使各功能元件协调工作，完成指令所规定的功能。主要任务是产生一个工作时序，其工作需要时钟电路提供一个工作频率。
MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入端和输出端分别是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源可构成时钟电路。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，与内部反向器构成稳定的自激振荡器，它发出的脉冲直接送入片内的定时控制部件。
2．2 系统的复位电路设计
设计采用的是上电加按钮电平复位，是上电自动复位与按钮电平复位的组合。上电复位利用电容充电来实现，即上电瞬间RST／Vpd端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，RST／Vpd的电位下降，最后被复位在0 V，按钮电平复位，当按钮按下后，电源Vcc通过电阻施加在单片机复位端RST／Vpd上，实现单片机的复位。
2．3 报警器
设计采用的是12 V电磁式铁振膜蜂鸣器作为报警器。当单片机送一个高电平延时一段时间，经过三极管将信号放大后驱动中间继电器，再由中间继电器驱动12 V电磁式铁振膜蜂鸣器，使得电磁线圈产生了一个磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下振动发声。
2．4 译码及驱动部分电路
译码及驱动部分由74LS248和ULN2804A两块芯片组成，其输入电压为12 V。74LS248的输入端与单片机的I／O口对应相连，ULN2404A的输出端与数码管的段选端相连。

3 篮球计时器软件设计
首先在比赛之前，接通电源，系统自动复位，首先设置时间，通过上下拨动“设置时间”的按钮来设置比赛的时间，本设计已设好12 min和10 min一节的两种时间，按下启动按钮，计时器面板的计时电路共阳极数码管计时部分显示为“12-00”或“10：00”；24 s计时器显示为“24”。当比赛开始时，按下“运行”按钮计时器计时部分和24 s部分同时开始运行。
在比赛过程中可以通过球权按键来控制箭头的指向，从而显示比赛中拥有球权的队。若控球方在24 s内未违规，则只需按一下“24 s复位”按钮即可，当24 s违规时，该蜂鸣器会发出2 s的报警声音。

当小节比赛到最后10 min时，计时器向蜂鸣器发出信号，蜂鸣器报警提示1 s，此时计时器的计时显示面板由“00-10”变为“10—00”，当24 s显示面板此时变为毫秒计时，这时就进入1／10 s倒计时。
当比赛结束时蜂鸣器报警提示4 s，计时器面板计时部分显示为“00-00”，24 s显示器显示为“00”。此时本场比赛结束。流程图如图2所示。

4 系统调试
4．1 软件调试
利用Keil μVision 3进行仿真调试，根据设计要求运行程序、调试时间、运行的步骤等，最终达调试到设计需要的参数。
(1)程序编完后，对代码仔细逐行检查。检查代码的错误，建立自己的代码检查表，对经常易错的地方进行检查。检查代码是否符合编程规范。
(2)对各个子程序进行仿真测试。仿真测试的方法：用程序测试程序，编制一个调用该子程序的代码，建立要测试子程序的入口条件，再看看它是否按预期输出结果。

(3)如果代码有修改，再次对代码进行检查。
4．2 硬件调试
在Proteus Professional 7．1 SP2单片机仿真与电路板设计软件中绘制电路原理图，在搭接好基本电路后根据设计要求设置参数，之后将写好的程序导入仿真硬件电路中，然后运行，观察仿真现象是否与设计要求的一致。
主要需要调试的是电路的输入电压，计算电路中的电流来设置具体的通过每个元件的允许电流，即Imax，在调试稳压电源的时候需根据计算结果，选择变压器的参数，即能够提供的最大电流、功率。合理选用电容参数的大小以保证稳压电路的稳压系数。仿真得到的效果和制作出来的实物之间有一定的差距，因为实际电路存在电损耗，所以在搭接硬件电路时必须考虑这些方面的影响。

5 注意事项
(1)根据硬件电路原理图和装配图仔细检查线路的正确性，并检查元器件安装是否正确。常要注意的是芯片及开关管的型号、放大器和开关管的极性、电容器的耐压和极性、电阻的阻值和功率是否与设计图纸相符，重点检查系统总线间或总线与其他信号线间是否存在短路。
(2)检查焊接点是否牢固，特别要仔细检查有无漏焊和错焊；对于靠得很近的相邻焊点，要注意检查金属毛刺和是否短路，必要时可用万用表进行测量。调试过程有时可能要重复多次。另外，在烧录程序的时候，一定要注意到AT89系列单片机默认得有芯片加密。
(3)在制作过程中需考虑电流、电压、磁场对单片机的影响，做好防护措施，可外接保护电路，从而消除灌流、尖峰电流的等对单片机运行的影响。

6 结语
AT89C51使电路更为简化，器件减少，结构紧凑，降低了成本，提高了灵敏度和可靠性，符合集成化、模块化的发展趋势。同时该计时器的时间设定操作简单，功能齐全，体积小，易于方便携带等优点。能广泛应用于学校，篮球俱乐部，体育馆或者小团体作为赛程的计时。