摘要：采用單片機(jī)AT89C51作為本設(shè)計(jì)的核心元件。利用7段共陽(yáng)LED作為顯示器件。在此設(shè)計(jì)中共接入了6個(gè)7段共陽(yáng)LED顯示器，和4個(gè)8段共陽(yáng)LED顯示器，其中6個(gè)用于記錄AB隊(duì)的分?jǐn)?shù)，每隊(duì)3個(gè)LED顯示器顯示范圍可達(dá)到0~999分，足夠滿足賽程需要，另外4個(gè)LED顯示器則用來(lái)記錄賽程時(shí)間，其中2個(gè)用于顯示分鐘，2個(gè)用于顯示秒鐘。賽程計(jì)時(shí)采用倒計(jì)時(shí)方式。即比賽前將時(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)到零為止。計(jì)時(shí)范圍可達(dá)到0~99分鐘，也完全滿足實(shí)際賽程的需要。

其次，為了配合計(jì)時(shí)器和計(jì)分器校正調(diào)整時(shí)間和比分，我特定在本設(shè)計(jì)中設(shè)立了11個(gè)按鍵，其中3個(gè)用于設(shè)置，交換場(chǎng)地，啟動(dòng)和暫停等功能，另外8個(gè)用于調(diào)整比賽的比分。采用單片機(jī)控制使這個(gè)系統(tǒng)按鍵操作使用簡(jiǎn)潔，LED顯示，安裝方便。解決了籃球比賽計(jì)數(shù)器的安裝問(wèn)題，節(jié)約了線材，適合在各種規(guī)模的體育場(chǎng)館使用，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用鐘表進(jìn)行計(jì)時(shí)的方法，當(dāng)然稍加改動(dòng)也可以用于其他球類比賽，是體育器材向智能化發(fā)展的一個(gè)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：AT89C51 74LS164 計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)

1 概述

1.1 課題背景

體育比賽計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)是對(duì)體育比賽過(guò)程中所產(chǎn)生的時(shí)間,比分等數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集記錄，加工處理，傳遞利用的信息系統(tǒng)。根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同比賽規(guī)則要求，體育比賽的計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)包括測(cè)量類，評(píng)分類，命中類，制勝類,得分類等多種類型。

籃球比賽是根據(jù)運(yùn)動(dòng)隊(duì)在規(guī)定的比賽時(shí)間里得分多少來(lái)決定勝負(fù)的，因此，籃球比賽的計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)是一種得分類型的系統(tǒng)。籃球比賽的計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)由計(jì)時(shí)器，計(jì)分器等多種電子設(shè)備組成，同時(shí)，根據(jù)目前高水平籃球比賽要求，完善的籃球比賽計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)能夠與現(xiàn)場(chǎng)成績(jī)處理，現(xiàn)場(chǎng)大屏幕，電視轉(zhuǎn)播車等多種設(shè)備相聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)高比賽現(xiàn)場(chǎng)感，表演娛樂(lè)觀眾等功能目標(biāo)。

由于單片機(jī)的集成度高，功能強(qiáng)，通用性好，特別是它具有體積小，重量輕，能耗低，價(jià)格便宜，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使單片機(jī)迅速得到了推廣應(yīng)用，目前已經(jīng)成為測(cè)量控制應(yīng)用系統(tǒng)中的優(yōu)選機(jī)種和新電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部位。世界各大電氣廠家，測(cè)控技術(shù)企業(yè)，機(jī)電行業(yè)，競(jìng)相把單片機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)品更新，作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，智能化的核心部件?；@球計(jì)時(shí)計(jì)分器就是以單片機(jī)為核心的計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)，由計(jì)時(shí)器，計(jì)分器，綜合控制器和24秒控制器等組成。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本系統(tǒng)是采用單片機(jī)AT89C51作為本設(shè)計(jì)的核心元件。利用LED作為顯示器件。在此設(shè)計(jì)中共接入了10個(gè)LED顯示器，其中6個(gè)用于記錄AB隊(duì)的分?jǐn)?shù)，每隊(duì)3個(gè)LED顯示器顯示范圍可達(dá)到0~999分，足夠滿足賽程需要，另外4個(gè)LED顯示器則用來(lái)記錄賽程時(shí)間，其中2個(gè)用于顯示分鐘，2個(gè)用于顯示秒鐘。賽程計(jì)時(shí)采用倒計(jì)時(shí)方式。即比賽前將時(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)到零為止。計(jì)時(shí)范圍可達(dá)到0~99分鐘，也完全滿足實(shí)際賽程的需要。

其次，為了配合計(jì)時(shí)器和計(jì)分器校正調(diào)整時(shí)間和比分，我特定在本設(shè)計(jì)中設(shè)立了11個(gè)按鍵，其中8個(gè)用于設(shè)置，交換場(chǎng)地，啟動(dòng)和暫停等功能。

1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

任務(wù)： 設(shè)計(jì)一個(gè)用于賽場(chǎng)的籃球計(jì)時(shí)計(jì)分器。

要求： 1、能記錄整個(gè)賽程的比賽時(shí)間，并能修改比賽時(shí)間。

2、能隨時(shí)刷新甲、乙兩隊(duì)在整個(gè)過(guò)程中的比分。

3、中場(chǎng)交換比賽場(chǎng)地時(shí)，能交換甲、乙兩隊(duì)比分的位置。

4、比賽結(jié)束時(shí)，能發(fā)出報(bào)警聲。

5、自帶+5V、+12V直流穩(wěn)壓電源。

2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案：

本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51作為本設(shè)計(jì)的核心元件。利用7段共陽(yáng)LED作為顯示器件。在此設(shè)計(jì)中共接入了10個(gè)7段共陽(yáng)LED顯示器，其中6個(gè)用于記錄AB隊(duì)的分?jǐn)?shù)，每隊(duì)3個(gè)LED顯示器顯示范圍可達(dá)到0~999分，足夠滿足賽程需要，另外4個(gè)LED顯示器則用來(lái)記錄賽程時(shí)間，其中2個(gè)用于顯示分鐘，2個(gè)用于顯示秒鐘。賽程計(jì)時(shí)采用到計(jì)時(shí)方式。即比賽前將時(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)到零為止。計(jì)時(shí)范圍可達(dá)到0~999分鐘，也完全滿足實(shí)際賽程的需要。

其次，為了配合計(jì)時(shí)器和計(jì)分器校正調(diào)整時(shí)間和比分，我特定在本設(shè)計(jì)中設(shè)立了11個(gè)按鍵，其中3個(gè)用于設(shè)置，交換場(chǎng)地，啟動(dòng)和暫停等功能，另外8個(gè)用于調(diào)整比賽的比分。AT89C51單片機(jī)是智能控制器的核心，控制整個(gè)系統(tǒng)電路的工作： 74LS164將單片機(jī)輸出的串行輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)輸出并驅(qū)動(dòng)LED；顯示器顯示比賽的時(shí)間，和兩個(gè)隊(duì)伍的分?jǐn)?shù)等信息；鍵盤用于發(fā)出控制命令；報(bào)警電路會(huì)在24秒進(jìn)攻時(shí)間結(jié)束或單節(jié)比賽結(jié)束時(shí)給出聲光報(bào)警信號(hào)。

1）單片機(jī)控制電路，以AT89C51為控制核心

2）鍵盤電路，采用軟件延遲去抖動(dòng)電路設(shè)計(jì)，輸入接口采用串行方式，這樣可減少占用CPU的接口，減少了硬件的成本同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

3）顯示電路，采用靜態(tài)顯示方式，采用串行輸入并行輸出的74LS164集成電路，該電路驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器，減少了顯示電路與單片機(jī)之間的連接線。

4）設(shè)計(jì)了復(fù)位電路。智能控制器中設(shè)有復(fù)位電路，這是單片機(jī)開(kāi)始工作都要進(jìn)行的操作。

2.2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：

此籃球比賽計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)間計(jì)算系統(tǒng)，由相應(yīng)的鍵盤控制電路、LED顯示器、聲光報(bào)警、電源等電路組成。可以通過(guò)人員的簡(jiǎn)單調(diào)控，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，輸出比賽時(shí)間，比分并推動(dòng)顯示電路顯示數(shù)值?；趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)的籃球賽計(jì)時(shí)計(jì)分器的系統(tǒng)構(gòu)成圖如下圖所示：

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 鍵盤模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要求有調(diào)時(shí)調(diào)分等功能，因此鍵盤設(shè)計(jì)是必須的。非編碼式鍵盤中，每個(gè)按鍵的作用只是使相應(yīng)接點(diǎn)接通或斷開(kāi)，每個(gè)按鍵的鍵碼并非由硬電路產(chǎn)生，而是由相應(yīng)掃描處理程序?qū)λ鼟呙栊纬傻摹Ｒ虼朔蔷幋a鍵盤硬件電路極為簡(jiǎn)單，在微型計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式非編碼鍵盤，每個(gè)按鍵都是彼此獨(dú)立的，均需占用CPU的一條I/O輸入數(shù)據(jù)線，其中控制比分調(diào)節(jié)的8個(gè)按鍵分別與P1.0～P1.7相連，控制交換場(chǎng)地，和開(kāi)始/暫停的3個(gè)按鍵與CPU的P3.0～P3.2口相連，若沒(méi)有按鍵按下時(shí)，CPU從P1口讀得的引腳電平均為'0'（+5V）；若某一按鍵被按下，則該鍵所對(duì)應(yīng)的端口線變?yōu)榈碗娖?。單片機(jī)定時(shí)對(duì)P1口進(jìn)行程序查詢，即可發(fā)現(xiàn)鍵盤上是否有鍵按下以及哪個(gè)鍵被按下。

11個(gè)控制按鍵的定義如下：

S1 RST/VPD 復(fù)位按鈕

S2 P1.0 A隊(duì)加1分

S3 P1.1 A隊(duì)加2分

S4 P1.2 A隊(duì)加3分

S5 P1.3 A隊(duì)減1分

S6 P1.4 B隊(duì)加1分

S7 P1.5 B隊(duì)加2分

S8 P1.6 B隊(duì)加3分

S9 P1.7 B隊(duì)減1分

S10 P3.0 開(kāi)始/暫停按鈕

S11 P3.1 交換場(chǎng)地按鈕

S12 P3.2 設(shè)定時(shí)間按鈕

控制按鍵的設(shè)計(jì)如下圖所示：

3.2 LED顯示模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1 AT89C51對(duì)LED的顯示 LED是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱，LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。在單片機(jī)顯示中通常使用的都是LED數(shù)碼管。89C51單片機(jī)對(duì)LED數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各LED管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各自字型；動(dòng)態(tài)顯示是指各LED輪流地一遍一遍的顯示各自字符，人們因視覺(jué)器官惰性而看到的是各LED似乎是在同時(shí)顯示不同的字型[1]。

靜態(tài)顯示：所謂的靜態(tài)顯示，是由單片機(jī)一次輸出顯示后，就能保持，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示可靠；缺點(diǎn)是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。但是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出具有多種功能的顯示器件。例如：鎖存器，譯碼器、驅(qū)動(dòng)器、顯示器四位一體的顯示器件，用起來(lái)比較方便。當(dāng)顯示位數(shù)較少時(shí)，采用這種顯示方式是合適的。這種顯示方式的每一個(gè)七段顯示器需要一個(gè)8位輸出口控制。

動(dòng)態(tài)顯示：所謂的動(dòng)態(tài)顯示，就是單片機(jī)定時(shí)地對(duì)顯示器件掃描。在這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能有一個(gè)器件顯示，但由于認(rèn)得視覺(jué)暫留現(xiàn)象，所以仍感覺(jué)到所有的器件都在'同時(shí)'顯示。這種顯示方法的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，因而價(jià)格低；但占用機(jī)時(shí)多，只要單片機(jī)不執(zhí)行顯示程序就立刻停止顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)通電流有關(guān)，與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔的比例有關(guān)。許多單片機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及仿真器上的6位顯示器即采用這類顯示方法[2]。

3.2.2 74LS164芯片簡(jiǎn)介 74LS164是8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出），它的作用是將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)。當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QH）為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平[3]。當(dāng) A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。

表1： 164為8位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：

74LS164的引腳圖和邏輯圖如下所示：

表2： 74HC164引出端符號(hào)及功能

表3： 74LS164真值表

注：H－高電平，L－低電平，X－任意電平，↑－低到高電平跳變， QA0,QB0,QH0 －規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平，QAn, QGn －時(shí)鐘最近的↑前的電平[6]。

表4： 74HC164推薦工作條件:

3.2.4 顯示電路設(shè)計(jì) 為了保證顯示的可靠性，本單片機(jī)控制系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示。本設(shè)計(jì)采用的是通過(guò)連接74LS164移位寄存器實(shí)現(xiàn)LED的靜態(tài)顯示，這樣可以使CPU將數(shù)據(jù)送來(lái)后就由74LS164控制，減少了CPU的工作。采用的數(shù)碼顯示管是采用共陽(yáng)極的接法，電源電壓為5V。AT89C51單片機(jī)串行口方式為移位寄存器方式[7]，外接10片74LS164作為L(zhǎng)ED顯示器的靜態(tài)接口，把AT89C51的P0口和P2口作為數(shù)據(jù)輸出線，P0.1和P2.4作為移位時(shí)鐘脈沖。

下圖示出了AT89C51通過(guò)74LS164對(duì)十個(gè)共陽(yáng)LED的接口電路。圖中，Q0～Q7口和所有LED的a，b，c，d，e，f，g，SP引線相連，用于字型顯示，其余引腳用于接通數(shù)據(jù)和電源等。此顯示部分有兩個(gè)功能，分別是顯示時(shí)間和顯示兩隊(duì)的比分。顯示時(shí)間用四個(gè)LED，兩個(gè)為分鐘位，其余兩個(gè)為秒鐘位；采用十進(jìn)制，最高顯示99.59，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；顯示兩隊(duì)比分用六個(gè)LED，采用十進(jìn)制，最高分為999分。

AT89C51是通過(guò)P0.0～P0.5和74LS164相連的，10 個(gè)74LS164移位寄存器按照比分和時(shí)間的不同用途一共分為兩組，P0.0口為比分?jǐn)?shù)據(jù)輸出口，為74LS164提供顯示數(shù)據(jù)，P0.1口為移位寄存器時(shí)鐘輸入，P0.2為比分同步清除輸入端[8]；P0.3為時(shí)間數(shù)據(jù)輸出口，為74LS164提供顯示時(shí)間數(shù)據(jù)，P0.4口也為移位寄存器時(shí)鐘輸入，P0.2為時(shí)間同步清除輸入端。

在這個(gè)靜態(tài)顯示電路中，數(shù)據(jù)的輸入和保存是通過(guò)74LS164的寄存器和鎖存器實(shí)現(xiàn)的，這樣LED就可以實(shí)現(xiàn)一遍一遍的顯示，能將新的數(shù)據(jù)顯示而替換上一級(jí)的數(shù)據(jù)。

74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，共一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。CLK（第8腳）為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到CLK端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。CLR（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時(shí)，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。QA…QH（第3-6和10-13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的hg….a各段對(duì)應(yīng)的引腳上。在給出了8個(gè)脈沖后，最先進(jìn)入74LS164的第一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)了最高位，再來(lái)一個(gè)脈沖，第一個(gè)脈沖就會(huì)從最高位移出。4片7LS164首尾相串，而時(shí)鐘端則接在一起，這樣，當(dāng)輸入8個(gè)脈沖時(shí)，從單片機(jī)P3.0端輸出的數(shù)據(jù)就進(jìn)入到了第一片74LS164中了，而當(dāng)?shù)诙€(gè)8個(gè)脈沖到來(lái)后，這個(gè)數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第二片74LS164，而新的數(shù)據(jù)則進(jìn)入了第一片74LS164，這樣，當(dāng)?shù)?個(gè)8個(gè)脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送到了最左面的164中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一,二,三,四片74LS164單片機(jī)中[9]。顯示電路圖如下：

3.3 聲光報(bào)警及指示電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警電路,設(shè)定單節(jié)比賽的時(shí)間值，系統(tǒng)計(jì)時(shí)的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)到達(dá)設(shè)定的時(shí)間，即當(dāng)整節(jié)比賽結(jié)束時(shí)，便啟動(dòng)自身報(bào)警電路[10]。單片機(jī)便將P3.6管腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，如果?bào)警開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，則三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。聲光警報(bào)電路原理圖如下所示：

3.4 單片機(jī)控制設(shè)計(jì)

3.4.1 單片機(jī)系統(tǒng)I/O口分配 系統(tǒng)的I/O口分配如下:TXAL1，TXAL2 為單片機(jī)外接時(shí)鐘振蕩電路，石英晶體起振后在XTAL2上輸出一個(gè)3V左右的正弦波，以便使AT89C51片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同的頻率自激振蕩[11]。

P1.0口至P1.7口為鍵盤輸入口,這8個(gè)按鍵用來(lái)調(diào)整A，B兩隊(duì)的比分，在比賽中出現(xiàn)計(jì)分錯(cuò)誤的情況時(shí)方便快速的修改比分。P3.0口至P3.2口外接了另外三個(gè)按鍵，他們的作用分別是：開(kāi)始/暫停，交換場(chǎng)地，設(shè)定時(shí)間。

P0.0口至P0.2口連接4個(gè)LED數(shù)碼管用來(lái)顯示比賽時(shí)間，P2.0口至P2.4口連接了6個(gè)LED數(shù)碼管顯示A，B兩只隊(duì)伍的比分。

P3.6口接報(bào)警電路。

3.4.2 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機(jī)[12]，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路。AT89C51是MCS51系列單片機(jī)的一個(gè)產(chǎn)品。MCS51系列單片機(jī)是Intel公司推出的通用型單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）8位CPU；

（2）片內(nèi)震蕩及時(shí)鐘電路；

（3）32根I/O線；

（4）外部存儲(chǔ)器尋址范圍ROM、RAM各64K；

（5）2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；

（6）5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；

（7）全雙工串行接口。

AT89C51單片機(jī)系列指的是MCS51系列和其他公司的8051衍生產(chǎn)品。這些衍生品是在基本型基礎(chǔ)上增強(qiáng)了各種功能的產(chǎn)品，如高級(jí)語(yǔ)言型、flash 型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型等，這些產(chǎn)品給8位單片機(jī)注入了新的活力[13]，給它的開(kāi)發(fā)應(yīng)用開(kāi)拓了更廣泛的前景[14]。

AT89C51引腳圖：

AT89C51主要特性:

·與MCS-51 兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路

AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器[15]（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案[16]。

管腳說(shuō)明：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)'1'時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址'1'時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容[17]。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入'1'后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故. P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

管腳 備選功能

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效[18]。

/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

3.4.3 單片機(jī)外接時(shí)鐘產(chǎn)生電路 定時(shí)控制部件起著控制器的作用，由定時(shí)控制邏輯，指令寄存器，和振蕩器OSC等電路組成。OSC是控制器的心臟，能為控制器提供時(shí)鐘脈沖，引腳ATXL1為反向放大管的輸入端，XTAL2為輸出端，在XTAL1和XTAL2上外接定時(shí)反饋回路，OSC就能自激振蕩。單片機(jī)片內(nèi)電路OSC與片外器件就構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，CPU的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2MHz～12MHz之間選取。C1、C2是反饋電容，其值在5pF～30pF之間選取，典型值為30Pf[19]。本電路選用的電容為30pF，晶振頻率為12MHz[20]。

XTAL1和XTAL2：這兩個(gè)端子是片內(nèi)振蕩電路的輸入線，用來(lái)外接石英晶體和微調(diào)電容。在石英晶體的兩個(gè)管腳加交變電場(chǎng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下，無(wú)論是機(jī)械振動(dòng)的振幅，還是交變電場(chǎng)的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率為某一特定值時(shí)，振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩[21]。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。即用來(lái)連接AT89C51片內(nèi)OSC的定時(shí)反饋回路，如上圖所示。石英晶振起振后要能在XTAL2線上輸出一個(gè)3V左右的正弦波，以便使MCS-51片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，OSC的輸出時(shí)鐘頻率fOSC為0.5MHz-16MHz，典型值為12MHz或者11.0592MHz。電容C1和C2可以幫助起振，典型值為30pF，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)fOSC的目的。

3.4.4 單片機(jī)外接復(fù)位電路 單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位后是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（2個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便可實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。MCS-51單片機(jī)的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。例如：若MCS-51單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，則復(fù)位脈沖寬度至少應(yīng)該為2μs[10]下圖為單片機(jī)復(fù)位電路[22]。

3.5 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

3.5.1 穩(wěn)壓電源的組成 直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，原理框圖如圖16所示，電網(wǎng)供給的交流電壓Ui1為220V、50Hz，經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓Ui2，然后由整流電路變換方向不變，大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)直流電壓Ui3；再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓Uo，為了能得到穩(wěn)定的輸出直流電壓，本設(shè)計(jì)還使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出電壓更加穩(wěn)定[15]。

圖10 直流穩(wěn)壓電源原理框圖

3.5.2 三端固定集成穩(wěn)壓器簡(jiǎn)介 三端固定集成穩(wěn)壓器包含7800和7900兩大系列，7800系列是三端固定正輸出穩(wěn)壓器，7900系列是三端固定負(fù)輸出穩(wěn)壓器。它們的最大特點(diǎn)是穩(wěn)壓性能良好，外圍元件簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，價(jià)格低廉，現(xiàn)已成為集成穩(wěn)壓器的主流產(chǎn)品。7800系列屬于正壓輸出，即輸出端對(duì)公共端的電壓為正。UI為輸入端，UO為輸出端，GND是公共端（地）。三者的電位分布如下：UI＞UO＞UGND(0V)。最小輸入—輸出電壓差為2V，為可靠起見(jiàn)，一般應(yīng)選4～6V。最高輸入電壓為35V。

7900系列屬于負(fù)電壓輸出，輸出端對(duì)公共端呈負(fù)電壓。7900與7800的外形相同，但管腳排列順序不同，2為輸出端，3位輸入端。7900的電位分布為：UGND(0V)＞-UO＞-UI。對(duì)三端固定輸出集成穩(wěn)壓器，其輸入電壓的選取原則：

UImax＞UI＞U0+( UI—U0) Imin

U0=5~18V時(shí), UImax=35V

U0=20~24V時(shí), UImax=40V

只要把正輸入電壓加到CW7800的輸入端,CW7800的公共端接地,其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓值U0。實(shí)際應(yīng)用電路中，芯片輸入端、輸出端除分別接大容量濾波電容外，通常在芯片引出腳跟部接小電容（0.01 u~10uF）Ci及Co到地。Ci用于抑制芯片自激振蕩。當(dāng)輸入線較長(zhǎng)時(shí)，抵消其電感效應(yīng)以防止產(chǎn)生自激振蕩。Co用于變窄芯片的高頻寬帶，減小高頻噪聲。Ci與Co的具體取值隨芯片輸出電壓高低及應(yīng)用電路的方式不同而不同。一般來(lái)說(shuō)使用集成穩(wěn)壓器都需防止芯片自激及減小高頻噪聲。圖11為CW7800的接線圖[23]。

CW7900的輸入端加上負(fù)輸入電壓Ui，芯片的公共端接地，在輸出端得到標(biāo)稱的負(fù)電壓Uo。電容Ci用來(lái)抑制輸入電壓Ui中的紋波和防止芯片自激振蕩，Co用來(lái)抑制輸出噪聲。接線圖與7800相同。CW7805、CW7809、CW7815、CW7812、CW7912、CW7915集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù):

3.5.3 電源設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)需要+5V和+12V兩個(gè)電源，如圖1所示為輸出±5V，±12V的直流電壓，它由電源變壓器T1，橋式整流電路以及濾波電容、防止自激電容和固定三端穩(wěn)壓器(CW7805、CW7812等)等組成。220V交流電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器CW7805的IN和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過(guò)CW7812和CW7805的穩(wěn)壓和C3和C5的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的輸出直流電壓[25]。電源電路原理圖如下所示：

3.6 硬件原理圖

系統(tǒng)硬件圖如下圖所示：

4 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的處理器是AT89C51單片機(jī)，由此可采用面MCS-51的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，包括ASM51匯編語(yǔ)言和C51高級(jí)語(yǔ)言，這兩種語(yǔ)言各有特點(diǎn)。匯編語(yǔ)言更接近機(jī)器語(yǔ)言，常用來(lái)編制與系統(tǒng)硬件相關(guān)的程序，如訪問(wèn)I/O端口、中斷處理程序、實(shí)時(shí)控制程序、實(shí)時(shí)通信程序等；而數(shù)學(xué)運(yùn)算程序則適合用C51高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，因?yàn)橛酶呒?jí)語(yǔ)言編寫(xiě)運(yùn)算程序可提高編程效率和應(yīng)用程序的可靠性[26]。

考慮到匯編語(yǔ)言的以下特點(diǎn)，在智能測(cè)控裝置的基本功能軟件開(kāi)發(fā)中，程序主要采用ASM51匯編語(yǔ)言編寫(xiě)：

（1）匯編語(yǔ)言是最基本的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。迄今為止，匯編語(yǔ)言仍然是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層軟件（例如匯編程序、PC機(jī)的BIOS等）設(shè)計(jì)的基本語(yǔ)言；

（2）能充分利用機(jī)器的硬件功能與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。匯編語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言密切相關(guān)，因此能透徹地反映計(jì)算機(jī)硬件的功能與特點(diǎn)。程序員可充分利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性（如寄存器、標(biāo)志位以及一些特殊指令等）。這樣能充分發(fā)揮程序設(shè)計(jì)的技巧；

（3）用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序比起用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序具有更高的系統(tǒng)性能。匯編語(yǔ)言程序具有執(zhí)行速度快和節(jié)省存儲(chǔ)空間的特點(diǎn)，它可以精確地描述算法，把計(jì)算過(guò)程和控制過(guò)程刻畫(huà)得更具體；

（4）實(shí)時(shí)性能好。用匯編語(yǔ)言編制的程序可以對(duì)各種接口芯片及I/O端口直接進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)性能好。對(duì)于一些應(yīng)用領(lǐng)域（例如工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)等）匯編語(yǔ)言是不可缺少的，一般高級(jí)語(yǔ)言不適合這種應(yīng)用，因?yàn)橐话愀呒?jí)語(yǔ)言不能充分地利用計(jì)算機(jī)硬件所提供的諸如中斷等方面的功能[22]。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序功能：完成系統(tǒng)初始化操作，判斷時(shí)間是否超限，如果超限則轉(zhuǎn)報(bào)警處理，如果未超限則讀入控制按鈕的狀態(tài)，并根據(jù)輸入狀態(tài)，散轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。

全部程序主要由主程序，時(shí)間中斷程序，鳴音子程序，時(shí)間顯示程序，比分顯示程序，調(diào)時(shí)時(shí)間顯示程序，交換場(chǎng)地程序組成。

4.2 主流程圖