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摘 要：设计了计时计分器系统，该系统实现了三个主要功能：篮球比赛计时器，比赛计分器，高精度秒表。系统包括了硬件电路部分和软件系统部分，其中硬件电路包括单片机控制系统、提示音电路、无线遥控系统电路、键盘控制电路、数码管显示驱动电路。软件系统部分采用C语言编程，移植性和可读性好，便于模块化，时间采取中断定时，计时有精度保障。数码管的制作采用高亮度LED灯带制作，尺寸大，清晰度高，成本低，降低了整个系统制造的成本。
关键词：单片机；数码管；计时计分器；系统设计
1.设计目的
体育是学校必修的课程，各类学校特别是中高等学校文体活动开展比较活跃，各级别的体育竞赛也比较多。比赛和训练需要使用方便的计时器、计分器等设备，特别是篮球比赛和训练需要应用比较复杂的计时器，需要实现暂停、比分清零、24 s 进攻时间复位、加分、减分功能。
2.计时计分器的功能及性能
2.1功能
（1）满足篮球比赛训练要求
计时计分器满足篮球运动的训练、业余比赛，比赛时，该计时计分器能够显示比赛时间，24秒倒计时，音响提示功能；利用另外一台计时计分器作为比赛的计分显示器。
（2）篮球排球等比赛计分要求
计时计分器可以作为计分器使用。 利用系统左右两边设置的“+、-”按键调整比赛分数。对于篮球赛特设“2分、3分” “+”按键，方便比赛计分。
（3）径赛比赛的高精度秒表
可以用于教职工、学生径赛项目的计时显示。如长短跑比赛和训练，选手可以直观了解自己的成绩，利于选手自我突破发挥潜能；也便于观众了解比赛成绩。
2.2性能
（1）蓄电池供电方式，自动免维护带保护充电，低压报警提示充电，连续使用时间超过10小时，不需要市电接线供电，便于室内室外使用。
（2）无线控制方式，特别是篮球训练中，便于教练员自由设定时间，进行专项训练。
（3）移动式设计，室内室外移动便利，利于教职工、学生广泛开展各项体育活动。
（4）显示方式，采用高亮度LED显示，字迹明亮、清晰，能耗低。
（5）性价比高，数码管采用低成本的灯带改造而成，成本低廉减，面板采用亚克力板，强度大，防篮球、排球击打，适合学校广泛使用。数码管6只最大计时99分钟，计分99分，满足一般业余比赛要求。
3.硬件设计
3.1电路构成
硬件电路由单片机最小系统、按键电路、显示驱动电路、数码管显示电路，蜂鸣器提示音电路、无线遥控收发系统电路、电源电路组成。
3.2 CPU核心控制电路
由于系统的控制简单，数据量不大，因此选用AT89S52单片机作为篮球计分器的控制核心。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器，接口丰富，6组中断，2个定时器。综合考虑整个电路，将P1口作为扫描式按键输入控制口，P0口和P2.0-P2.5口分别作为计时记分器数码管的段码和位选控制口，P2.6口用于高精度秒表显示与普通的计时计分器的模式选择，P2.7口用于篮球比赛中24秒倒计时结束的提示音输出，P3口的低端用于遥控编码输入端。
3.3 键盘接口电路
该系统需要的操作比较多，因此采用矩阵键盘，八个端口与单片机P1口连接，16 个键盘中利用了12个，多余的用于将来可能拓展的功能上。12个按键可以实现了比赛所需操作，包括比赛时间的设置，24秒倒计时设置，24秒复位，开始/暂停功能，篮球计分1分，2分，3分计分；其它比赛中的赛局、比分设定。
3.4数码管驱动与显示
电路采用三片ULN2803、6个PNP型三极管S8550作为数码管的驱动元件。ULN2803是专为符合标准TTL，该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。
数码管利用高亮度的灯带制作，成本低，效果好，可以做到较大尺寸。选择5630型60头红色灯带，“24秒”显示数码管每个笔段尺寸为20cm（灯带以3颗发光二极管为一个单元，笔段用表示4个单元，每个单元5cm，长度20cm），另外四只数码管每段尺寸为15cm，直接将每段灯带贴在环氧树脂板上做成数码管。数码管需要的12V驱动电压，由于单片机芯片采用的是5V电压，故需要进行电平转换，另外由于C51芯片复位时端口为高电平，所以段码外接芯片使用两块ULN2803，使芯片复位时数码管没有电流驱动，防止数码管大电流烧坏。当复位为高电平时使数码管段码为高电平，同时位选端为低电平经PNP三极管倒相高电平，数码管中没有电流通过，保护发光二极管不烧坏。
3.5遥控系统
采用超外差式遥控接收发射系统，发射器用12V电压，发射频率为315M，抗干扰能力强，采用编码器PT2262，能够编出63000种编码，防破解能力强。遥控发射用两种，一种是简易型遥控，两个按键，分别为“开始/暂停”，“24秒倒计时复位”；一种为多按键模式遥控，用于复杂的控制。配套使用的接收器采用声表面滤波器构成，接收稳定性好，接收解码芯片为PT2272，配合单片机的接口，实现遥控控制，方便操作。
4.系统软件设计
本电路的特点是一机多用，所以软件的设计分成两块，通过面板中的“模式”进行转换，当按键按下时是高精度秒表，按键未按下可以作为计时计分器使用。软件编程语言采用C语言，采用模块化设计思想，将系统的各功能编成子模块，可以加强软件的可移植性以及可读性。
4.1秒表的设计
秒表的时间需要高精度设计，故计时采用定时中断设计，定时中断是软件的核心部分，此次软件设计使用了T0定时器中断，该系统运用了定时器工作方式1。定时器的功能是由程序编写确定的，实现0.01秒计时。按照时间累加，计时1000毫秒进位1秒，当计时到60秒进位为1分钟，以此类推，实现高精度计时功能。 秒表操作比较简单，仅利用一个按键实现“开始/暂停/清零”功能，最大计时99分，精度为0.01秒 。开机显示“00 00 00”，按下第一次，计时开始，按下第二次，显示暂停，按下第三次，清零。周而复始，重复使用。按键利用篮球比赛中的开始/暂停键，配合无线遥控按钮，实现无线遥控操作。
4.2计分器软件设计
软件设计分成两部分，第一部分是利用“预置键”设置比赛时间或计分。第二部分设置完毕后启动计时。利用第一部分就是计分器的设计。利用了第一、第二部分就是篮球计时器。
当按下“预置键”第一次，5只数码管显示“00 00 ×0”（×表示数码管不亮），表明当前状态是计分器状态及计时器设置状态。再按左右加、减按键，可以使显示器的左、右数字的加与减，实现比赛的比分计数；当按下“预置键”第二次，数码管显示“×× ×× 00”按动左边的加、减按键可以实现数码管数字变化，实现比赛赛局的显示；按动预置键第三次，显示“00 00 00”回到初始状态。
4.3篮球计时器软件设计
比赛时间的设置与计分器中设置一致，先设置比赛时间，比如篮球比赛，一节时间为10分钟，进攻时间为24秒。通过与4.3.2中设置方式设定好，退至“00 00 00”状态，按“开始/暂停”第一次，比赛开始，这时比赛时间与24秒进攻时间均开始倒计时。当出现死球时，按动“开始/暂停”第二次，计时停止。重新发球，再次按动“开始/暂停”，计时开始。当出现持球权转换时，按动“24秒复位”进攻时间重置，当进攻时间归0时，提示音发出，计时停止。当最后比赛时间少于或等于24秒时，按“24秒复位”后，显示的时间为实际比赛时间。设定一个全重置键，按下后，在未断电的情况下，原来设定的时间重置。
5. 篮球计时器、计分器仿真结果
软件设计完成，通过Keil进行软件的编译，形成.HEX文件作为Protues中芯片的烧录文件。用Protues绘制C51单片机仿真电路图，在不影响仿真结果的情况下，为了简化电路图，电路中没有绘制ULN2803芯片及三极管驱动，只提供一组+5V电源电压，同时在P3口低端利用四组轻触按键模拟无线遥控控制的输入口。Keil与Protues软件联调后，将HEX文件载入带C51芯片内核中，按动相关按键，仿真软件能够正常运行篮球比赛的计时和比赛计分等情况，满足设计要求。
6.结束语
本设计以单片机AT89S52为核心的控制电路实现了计时计分、秒表的功能，设计中，特别是大尺寸数码管的制造构思巧妙和软件设计，降低了整个系统的成本，实现了多用途的目的。通过仿真和实物实验验证了该系统的正确性和实用性。系统电路制造简单，显示清晰，蓄电池供电适合在室内室外使用；一机多用，成本低廉，具有广阔的市场应用前景。
关键词：单片机；数码管；计时计分器；系统设计
1.设计目的
体育是学校必修的课程，各类学校特别是中高等学校文体活动开展比较活跃，各级别的体育竞赛也比较多。比赛和训练需要使用方便的计时器、计分器等设备，特别是篮球比赛和训练需要应用比较复杂的计时器，需要实现暂停、比分清零、24 s 进攻时间复位、加分、减分功能。
2.计时计分器的功能及性能
2.1功能
（1）满足篮球比赛训练要求
计时计分器满足篮球运动的训练、业余比赛，比赛时，该计时计分器能够显示比赛时间，24秒倒计时，音响提示功能；利用另外一台计时计分器作为比赛的计分显示器。
（2）篮球排球等比赛计分要求
计时计分器可以作为计分器使用。 利用系统左右两边设置的“+、-”按键调整比赛分数。对于篮球赛特设“2分、3分” “+”按键，方便比赛计分。
（3）径赛比赛的高精度秒表
可以用于教职工、学生径赛项目的计时显示。如长短跑比赛和训练，选手可以直观了解自己的成绩，利于选手自我突破发挥潜能；也便于观众了解比赛成绩。
2.2性能
（1）蓄电池供电方式，自动免维护带保护充电，低压报警提示充电，连续使用时间超过10小时，不需要市电接线供电，便于室内室外使用。
（2）无线控制方式，特别是篮球训练中，便于教练员自由设定时间，进行专项训练。
（3）移动式设计，室内室外移动便利，利于教职工、学生广泛开展各项体育活动。
（4）显示方式，采用高亮度LED显示，字迹明亮、清晰，能耗低。
（5）性价比高，数码管采用低成本的灯带改造而成，成本低廉减，面板采用亚克力板，强度大，防篮球、排球击打，适合学校广泛使用。数码管6只最大计时99分钟，计分99分，满足一般业余比赛要求。
3.硬件设计
3.1电路构成
硬件电路由单片机最小系统、按键电路、显示驱动电路、数码管显示电路，蜂鸣器提示音电路、无线遥控收发系统电路、电源电路组成。
3.2 CPU核心控制电路
由于系统的控制简单，数据量不大，因此选用AT89S52单片机作为篮球计分器的控制核心。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器，接口丰富，6组中断，2个定时器。综合考虑整个电路，将P1口作为扫描式按键输入控制口，P0口和P2.0-P2.5口分别作为计时记分器数码管的段码和位选控制口，P2.6口用于高精度秒表显示与普通的计时计分器的模式选择，P2.7口用于篮球比赛中24秒倒计时结束的提示音输出，P3口的低端用于遥控编码输入端。
3.3 键盘接口电路
该系统需要的操作比较多，因此采用矩阵键盘，八个端口与单片机P1口连接，16 个键盘中利用了12个，多余的用于将来可能拓展的功能上。12个按键可以实现了比赛所需操作，包括比赛时间的设置，24秒倒计时设置，24秒复位，开始/暂停功能，篮球计分1分，2分，3分计分；其它比赛中的赛局、比分设定。
3.4数码管驱动与显示
电路采用三片ULN2803、6个PNP型三极管S8550作为数码管的驱动元件。ULN2803是专为符合标准TTL，该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。
数码管利用高亮度的灯带制作，成本低，效果好，可以做到较大尺寸。选择5630型60头红色灯带，“24秒”显示数码管每个笔段尺寸为20cm（灯带以3颗发光二极管为一个单元，笔段用表示4个单元，每个单元5cm，长度20cm），另外四只数码管每段尺寸为15cm，直接将每段灯带贴在环氧树脂板上做成数码管。数码管需要的12V驱动电压，由于单片机芯片采用的是5V电压，故需要进行电平转换，另外由于C51芯片复位时端口为高电平，所以段码外接芯片使用两块ULN2803，使芯片复位时数码管没有电流驱动，防止数码管大电流烧坏。当复位为高电平时使数码管段码为高电平，同时位选端为低电平经PNP三极管倒相高电平，数码管中没有电流通过，保护发光二极管不烧坏。
3.5遥控系统
采用超外差式遥控接收发射系统，发射器用12V电压，发射频率为315M，抗干扰能力强，采用编码器PT2262，能够编出63000种编码，防破解能力强。遥控发射用两种，一种是简易型遥控，两个按键，分别为“开始/暂停”，“24秒倒计时复位”；一种为多按键模式遥控，用于复杂的控制。配套使用的接收器采用声表面滤波器构成，接收稳定性好，接收解码芯片为PT2272，配合单片机的接口，实现遥控控制，方便操作。
4.系统软件设计
本电路的特点是一机多用，所以软件的设计分成两块，通过面板中的“模式”进行转换，当按键按下时是高精度秒表，按键未按下可以作为计时计分器使用。软件编程语言采用C语言，采用模块化设计思想，将系统的各功能编成子模块，可以加强软件的可移植性以及可读性。
4.1秒表的设计
秒表的时间需要高精度设计，故计时采用定时中断设计，定时中断是软件的核心部分，此次软件设计使用了T0定时器中断，该系统运用了定时器工作方式1。定时器的功能是由程序编写确定的，实现0.01秒计时。按照时间累加，计时1000毫秒进位1秒，当计时到60秒进位为1分钟，以此类推，实现高精度计时功能。 秒表操作比较简单，仅利用一个按键实现“开始/暂停/清零”功能，最大计时99分，精度为0.01秒 。开机显示“00 00 00”，按下第一次，计时开始，按下第二次，显示暂停，按下第三次，清零。周而复始，重复使用。按键利用篮球比赛中的开始/暂停键，配合无线遥控按钮，实现无线遥控操作。
4.2计分器软件设计
软件设计分成两部分，第一部分是利用“预置键”设置比赛时间或计分。第二部分设置完毕后启动计时。利用第一部分就是计分器的设计。利用了第一、第二部分就是篮球计时器。
当按下“预置键”第一次，5只数码管显示“00 00 ×0”（×表示数码管不亮），表明当前状态是计分器状态及计时器设置状态。再按左右加、减按键，可以使显示器的左、右数字的加与减，实现比赛的比分计数；当按下“预置键”第二次，数码管显示“×× ×× 00”按动左边的加、减按键可以实现数码管数字变化，实现比赛赛局的显示；按动预置键第三次，显示“00 00 00”回到初始状态。
4.3篮球计时器软件设计
比赛时间的设置与计分器中设置一致，先设置比赛时间，比如篮球比赛，一节时间为10分钟，进攻时间为24秒。通过与4.3.2中设置方式设定好，退至“00 00 00”状态，按“开始/暂停”第一次，比赛开始，这时比赛时间与24秒进攻时间均开始倒计时。当出现死球时，按动“开始/暂停”第二次，计时停止。重新发球，再次按动“开始/暂停”，计时开始。当出现持球权转换时，按动“24秒复位”进攻时间重置，当进攻时间归0时，提示音发出，计时停止。当最后比赛时间少于或等于24秒时，按“24秒复位”后，显示的时间为实际比赛时间。设定一个全重置键，按下后，在未断电的情况下，原来设定的时间重置。
5. 篮球计时器、计分器仿真结果
软件设计完成，通过Keil进行软件的编译，形成.HEX文件作为Protues中芯片的烧录文件。用Protues绘制C51单片机仿真电路图，在不影响仿真结果的情况下，为了简化电路图，电路中没有绘制ULN2803芯片及三极管驱动，只提供一组+5V电源电压，同时在P3口低端利用四组轻触按键模拟无线遥控控制的输入口。Keil与Protues软件联调后，将HEX文件载入带C51芯片内核中，按动相关按键，仿真软件能够正常运行篮球比赛的计时和比赛计分等情况，满足设计要求。
6.结束语
本设计以单片机AT89S52为核心的控制电路实现了计时计分、秒表的功能，设计中，特别是大尺寸数码管的制造构思巧妙和软件设计，降低了整个系统的成本，实现了多用途的目的。通过仿真和实物实验验证了该系统的正确性和实用性。系统电路制造简单，显示清晰，蓄电池供电适合在室内室外使用；一机多用，成本低廉，具有广阔的市场应用前景。