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1、课程设计(论文)说明书题 目：基于单片机的比赛记分牌设计院（系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 2015年 12月 18日摘 要本论文介绍了以AT89S52为核心控制部件，并制作成为最小系统，兼备输入信号的识别与处理与输出信号的控制；其主要功能为实现体育竞赛的简单记分功能；事先在单片机内部写入控制程序，通过用户按键，对单片机输入不同的控制信号，即可实现分数的加与减、权值的灵活调整、蜂鸣提醒、手动式计数复位以及具体数字显示等功能。整个设计流程分为硬件设计与软件设计两大部分，但本文仅着重叙述硬件设计部分。关键字：AT89S52；单片机
2、；记分系统Abstract In this paper introduces one kind of scores counting function that take the 51 single chip microcomputer as the primary control unit. The scores counting, weight changing, buzzing when number changes and display the number is the major function in this minimum system. The whole process
3、 can be divided into two different parts. The one is hardware design, and the other one is software. But the paper tends to introduce the part of hardware design.Key words：AT89S52；MCU；Counting System目 录1 引言11.1 单片机简介11.2 单片机的基本组成11.3 单片机的特点11.4 单片机的应用12 硬件设计22.1 硬件电路分析22.2 硬件部件选择与简介22.2.1 控制模块22.2.2
4、 显示模块32.2.3 键盘模块42.2.4 电源指示模块42.2.5 时钟模块52.2.6 复位模块52.2.7 程序录入模块62.2.8 其余电子零部件63电路设计63.1开发平台简介73.2电路原理图73.3PCB 制作简介73.4单片机成品简介83.5单片机使用简介84程序设计94.1编程平台简介104.2程序分析104.3程序流程图114.4源程序代码115 设计总结11谢辞 12参考文献 13附录 141 引言1.1 单片机简介单片机是一个单芯片形态，面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域，进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在通用计
5、算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展，并正在深深地改变着我们的社会。1.2 单片机的基本组成单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的，完整的单片微型计算机。1.3 单片机的特点单片机独特的结构决定了它具有如下特点。(1)集成度高，可靠性高单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度极高，芯片体积小。由于芯片是按工业测控环境要求所设计，因此内部布线很短，其抵抗工业噪音性能优于一般的通用CPU。单片机的程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易遭到破坏，多数信号通道均处在一个芯片内，故可靠性高。(2)控制功能多样为了满足对对象的控制要求，单片机的
6、指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，满足日常控制的同时，更能胜任特殊的控制需求。(3)能耗极低为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压为1.8V5.0V，而工作电流仅为数百微安。(4)性价比突出单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线或DSP等技术。目前单片机的寻址能力已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，由于各大公司的商业竞争，更使其价格十分低廉，极具性价比。1.4 单片机的应用由于单片机功能的飞速发展，它的应
7、用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。小到儿童玩具，信用卡，大到航天器，机器人，从实现数据采集，过程控制，模糊控制等智能系统，到人类的日常生活，到处都离不开单片机。其主要的应用领域如下：(1)在测控系统中的应用单片机可以用于构成各种工业控制系统，自适应控制系统，数据采集系统等。例如，工业上的锅炉温度控制，电机运转控制，车辆检测系统，水闸自动控制，数控机床及军事上的雷达、导弹系统等。(2)在智能化仪器、仪表中的应用单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和综合化等方向发展。单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的机械或环境误差误差得以修正，线性化的处理等难题迎刃
8、而解。(3)在机电一体化中的应用单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能化，构成新一代的机电一体化产品；这是机械工业发展的方向。2 硬件设计2.1硬件电路分析按照课题要求，单片机硬件部分需要具备主控模块、显示模块、按键模块、电源模块等四大主要模块。2.2硬件部件选择与简介2.2.1 控制模块主控模块选用AT89S52，它是是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具8K在线可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位
9、CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，WDT定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。此外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。本课程设计为了方便程序的下载与调试，采用了具备ISP
10、功能的、较C51系列CPU更为先进的S52进行开发设计。其电器原理及针脚定义如图2.1：图2.12.2.2 显示模块显示模块采用共阳极四段8位LED数码管，共12个引脚；原理及引脚定义如图2.2所示，单段显示范围为AF、09。采用动态点亮方式，可以实现程序中的“权-分数”显示，同时满足0100的记分要求。电路设计如图2.3中，P0.x作为一段8位LED数码管的电平转换接口，相应的变成低点位即可点亮对应的管脚。Kx端作为四段数码管的选通引脚，配合P0.x口，就能实现四段8位LED数码管的动态点亮。图2.2图2.32.2.3 键盘模块分值计数模块采用了4枚按键，包含一枚分数数值“+”，以及一枚分数
11、数值“-”；在此基础上，引入权计数方式，以方便如普通分值的加一，同时可轻松实现如篮球比赛中三分球的加三，而避免了频繁按键。图2.4为记分、加权按键原理图，采用了共阴极设计，当CPU的P2.x某个电位由高变低时，CPU便可识别信号的来源，并进行相应的操作。图2.42.2.4 电源指示模块电源模块中加入了一枚红色LED二极管，用以显示单片机上电情况；供电使用+5V直流电压，并使用开关控制。图2.5为LED接线原理图，图2.6为电源开关及接口原理图：图2.5图2.62.2.5 时钟模块时钟模块在设计时采用12MHz频率的晶体振荡器，但由于实际中在串行通信时无法达到标准的波特率，如9600，4800；
12、为了实现计数器的计时准确，以及方便编程，让计数器能进行整数计数，所以实际选用的是频率为11.0592MHz的石英晶体振荡器，其X1与X2端分别接入CPU引脚中的XLAT1与XLAT2，产生稳定的时钟频率。其接口原理如图2.7：图2.72.2.6 复位模块单片机在程序中已经设定开机上电时初始分数为0，为了达到设计功能，当记分结束时可通过手动方式将分数清零，即单片机的复位操作，所以引入了复位电路。当按下按键时，电路产生一个高电平，由于电容的引入，实现了将电平保持两个周期以上，并将其送入CPU中的RST引脚中，单片机检测到RST引脚输入的信号，即按照相应程序设计对软件和对应的端口进行复位。其原理如图
13、2.8：图2.82.2.7 程序录入模块本次课程设计采用了51单片机的S系列CPU，最大的特点之一是支持ISP（In System Programming）在线编程。只需在单片机上加入code写入接口，即可不用拆下CPU实现程序代码的写入。ISP接口电路原理如图2.9：图2.92.2.8 其余电子零部件如表2.1。电阻多用为限制电流强度，以保护相关电子元件。在四段8位LED数码管的电路中，每一段都引入了一枚S8550三极管以放大单片机引脚输出的弱电压，以驱动数码管发光；同理在无源蜂鸣器中也有相应的应用。序号名称类型数量19脚排阻10K12无源蜂鸣器-13电解电容10uF14瓷片电容30pF25
14、三极管S855056色环电阻15087色环电阻4.7K5表2.13 电路设计3.1 开发平台简介本课程设计采用Altium Design为平台，进行设计。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。3.2 电路原理图如图2.10所示：图2.103.3 PCB制作简介本设计中，由于
15、电路较为简单，元件数量较少，所以选择热转印法进行制作，其具体步骤及操作如下： （1）使用热转印纸将绘制好的PCB板电路原理打印出来，为了得到最优成品，所以选择打印四份，挑选其中质量最好的两份进行转印。（2）选择符合转印之中电路板大小的覆铜板，进行划线、裁剪并打磨覆铜板周围毛刺。（3）若覆铜板表面存在氧化层，即表面灰暗或有污渍，则需安排打磨步骤，以保证转印纸上的碳粉能牢固地印在覆铜板上。（4）将热转印纸与覆铜板对齐，印有电路图的部分紧贴覆铜板，使用电烫斗均匀加热转印纸表面，使之充分且均匀地受热。该步骤完成后会将黑色的碳粉转印至覆铜板上，如果转印有缺失，可使用黑色马克笔仔细补齐缺失的部分。（5）由
16、于板子走线简单，空间充足，可以将电路板腐蚀速度提高，所以使用浓盐酸、浓双氧水、清水，按照1：2：3的配比来制作腐蚀液。过程中先加入水，再加入浓盐酸、浓双氧水，防止沸腾飞溅。混合充分后放入覆铜板，使用夹具夹住覆铜板在腐蚀液中晃动，加速腐蚀速度。待没有覆盖碳粉的铜箔全部被腐蚀之后即可拿出，使用清水洗净。（6）使用手工钻的方式，依据原件管脚的位置，使用高钻速仔细钻出1.5mm的小孔。（7）打磨有铜引线一侧，去除表面碳粉和打磨小孔，再次使用清水洗净。水干后，均匀涂抹松香水使其覆盖表面走线，起到保护作用的同时，也可为后续元器件焊接起辅助作用。3.4 单片机成品简介单片机成品如图2.11所示，其中A为电源
17、及LED模块，B为ISP写入接口，C为复位按键模块，D为晶振，E为AT89S52，F为记分及权按键，G为无源蜂鸣器，H为四段8位LED数码管。图2.113.5 单片机使用简介单片机开机初始状态如图2.12所示，左上角电源开关按下，LED指示灯亮，表示单片机上电正常，四段8位LED数码管闪烁点亮（动态点亮，后文中软件设计部分有详细描述）。图2.12如图2.13所示，当前状态下，四段8位LED数码管显示的内容为“当前计数权值为3，当前分值为14”。图2.13当再次按下“分+”按钮，四段8位数码管显示会变更为“当前计数权值为3，当前分值为17”，即在当前权值下，每次按键会让分值加三。如图2.14所示
18、：图2.144 程序设计4.1 编程平台简介开发使用了单片机实验中所教授的Keil uVision2软件。它是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强， 使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。
19、C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含:编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。4.2 程序分析较于汇编语言，单片机的程序设计采用了易于编写和阅读的C语言。程序中设计定义单片机引脚P0口，用于控制四段8位LED数码管的点亮，P2口用于对每一段LED数码管的选通，无源蜂鸣器由P3.7口输出控制。程序大致执行过程为通过键盘扫描函数，对按键接口进行循环扫描，当某一位按键按下触发电平变化时，执行特定语句并进行相关操作，对某一段数码管选通并送出显示信号；若为分数变化，则送出波信号使蜂鸣器发声。 程序设
20、计时考虑到了发生电平变化开始与结束时，会产生电压抖动，对于信号的识别会产生不利影响，所以在语句中加入了按键延时程序。当按下某一按键时，程序会延时一段极小的时间，以排除抖动，使单片机获得准确的电平变化信号。其次，考虑到实现按一次按键，执行一次变化，在程序中添加了一部分空指令，使长时间按下按键不会执行多余的动作，保证了计数的准确性和易用性。由于需要使用单片机中的一个8位控制口控制四段8位LED数码管，在程序中运用了“动态点亮”的方式，依次轮流点亮每一段数码管，其点亮频率设置为1kHz，在特殊环境下肉眼能分辨出数码管闪烁与否。4.3 程序流程图4.4 源程序代码 （见附录1）5 设计总结从最初确定课
21、程题目，一直到完成，共经历了主体思路的确定，资料的查找，程序的编写，元器件的选型，电路原理图的绘制，PCB电路板的制作，零部件的组装焊接，整机的调试，多次的组内讨论等几个大阶段由于自身所学专业为机械方向，对于电子方面的学识浅薄或有所遗忘，制作起来困难重重，为此不得不翻阅大量的参考书籍，寻求电子方面资深人士的帮助；终于在不懈的努力下，共同完成了这一作品。在本次单片机课程设计过程中，我所负责的是电子元器件的选型，以及电路图的制作。由于单片机结构简单，所以没有进行精确的电路分析和计算，如电流电压等；在选型时多依靠网络和书籍的参考资料与日常经验，同时与程序设计者多次交流，最终确定了所有的元器件类型。期
22、间也参与了PCB电路板的制作，对制作流程有了大概的了解。谢 辞首先感谢微机原理及应用与单片机原理及应用教程的授课老师1老师，其独特的授课风格，使得我对汇编语言以及单片机相关内容充满了兴趣，虽然过程艰难但最终还是通过自己的不懈努力、朋友的帮助以及万能的互联网，充分学习了课程的有关内容；并以此作为完成单片机课程设计的知识基础。其次还要感谢同小组成员，通过积极的讨论与协商，组内互帮互助，相互弥补知识的缺乏，从确定题目到完成作品，这一步步扎实的走过来。最后还要感谢有关文献的作者们，是他们让我在遇到困难时，指点迷津，提供了实用的知识，和简洁明了的教程，让我顺利完成了课程设计。参考文献1 赵全利.单片机及
23、应用教程M.北京，机械工业出版社， 2007：139、111122.2 秦曾煌.电工学电工技术M.北京，高等教育出版社，2009：3664.3 周润景.Altium Designer原理图与PCB设计M.北京，电子工业出版社，2012.附 录1 程序清单及注释#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char sbit fmq=P37; /蜂鸣器控制位sbit k1=P23; /分值加按键sbit k2=P22; /分值减按键sbit k3=P21; /分权值加按键sbit k4=P20; /分权值减按键signed cha
24、r add=0; /分权值变量 signed char dat=0; /分值变量uchar code zx= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; /共阳数码管字形编码表/*延时发声程序*/void delay1ms(uint i) /1ms延时函数uchar j;while(i-)for(j=0;j125;j+) ;*源程序及原始图纸请联系QQ450036881*2 主程序流程图数码管初始状态显示00 开始扫描按键K1-K4 是否有键按下 N显示dat，add蜂鸣进行相应的计数 Y 3 “分数”加流程图按键按下 消除抖动dat加加权数dat是否大于100 dat=100 蜂鸣器发声等待按键是否释放 N显示当前dat的值 4 “分数”减流程图按键按下消除抖动dat减权数dat是否小于0 N Ydat=0蜂鸣器发声 N等待按键是否释放 Y 显示当前dat的值6 “权数”加流程图显示当前ADD的值NAdd=15Add是否大于15消除抖动Add加1按键按下Y7 “权数”减流程图显示当前ADD的值Add=0Add减1消除抖动按键按下Add是否小于019