李維強(qiáng)

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院 體育教研室，陜西 咸陽 712046）

基于MCS-51單片機(jī)的電子體育記分牌的設(shè)計(jì)

李維強(qiáng)

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院 體育教研室，陜西 咸陽 712046）

為了提高體育比賽記分的規(guī)范化，以及比分、記時(shí)、犯規(guī)數(shù)等的顯示效果，增加數(shù)據(jù)顯示的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。因此，文章在MCS-51單片機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合體育賽事中各種需要顯示的比賽數(shù)據(jù)信息，對相關(guān)設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)行技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上的可行性分析。并從硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行探討。最后，通過例舉某籃球場的體育記分牌設(shè)計(jì)方法，為相關(guān)行業(yè)工作人員提供參考與借鑒。

MCS-51單片機(jī)；電子體育記分牌；設(shè)計(jì)

在體育賽事中，需要通過電子體育記分牌，對各種計(jì)時(shí)、計(jì)分信息進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的顯示，以及顯示比賽雙方的賽程暫停時(shí)間倒數(shù)、成績寄存等功能。而通過MCS-51單片機(jī)，則能完美實(shí)現(xiàn)上述功能。同時(shí)，基于MCS-51單片機(jī)所設(shè)計(jì)出的電子記分牌，具有成本低、便攜性高、使用壽命長以及顯示穩(wěn)定等特點(diǎn)，在一些小型體育場地，有著廣泛的運(yùn)用[1]。文中即對此類電子體育記分牌的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析，分析如下。

1 MCS-51單片機(jī)概述

MCS-51單片機(jī)，由Intel公司在1980年推出。相比過去的MCS-48以及Z80、INTEL8085的CPU相比，這種類型的單片機(jī)，在運(yùn)行速度與指令下達(dá)等方面，具有明顯的優(yōu)勢。通過將CPU與隨機(jī)、只讀存儲(chǔ)器以及各種定時(shí)器和中斷系統(tǒng)等進(jìn)行集成，從而獲得完善的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)，由8951、8031以及8751與8051 4個(gè)機(jī)種所構(gòu)成一個(gè)系列，具有較高的應(yīng)用性。

2 體育記分牌設(shè)計(jì)中MCS-51單片機(jī)的應(yīng)用

2.1 體育記分牌的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

傳統(tǒng)的體育記分，由于依靠人工記錄，面對大規(guī)模的體育賽事，一旦疏忽則容易造成計(jì)分準(zhǔn)、計(jì)分遺漏等問題[2]。同時(shí)，人工記錄難以根據(jù)賽事變化，進(jìn)行及時(shí)記錄。對比賽情況無法做到準(zhǔn)確、及時(shí)的反應(yīng)。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于體育計(jì)分，則完全可以通過智能技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)，取代人工記錄的形式。為了彌補(bǔ)上述人工記分所容易產(chǎn)生的問題，因此，電子體育記分牌的設(shè)計(jì)，應(yīng)以記分準(zhǔn)確性、記分及時(shí)性為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 體育記分牌的硬件設(shè)計(jì)

為了確保體育記分牌能夠?qū)w育比賽的分?jǐn)?shù)變化，做到及時(shí)、準(zhǔn)確的反應(yīng)。并且保證分值的顯示效果，因此，因從硬件與軟件兩方面入手，進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先應(yīng)對硬件系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。

體育記分牌，首先應(yīng)具有分?jǐn)?shù)顯示的功能，因此應(yīng)包含數(shù)碼管顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。同時(shí)，為了達(dá)到智能記分的目的，還需要包含紅外線輸入系統(tǒng)。最后則通過MCS-51單片機(jī)對整體系統(tǒng)中各個(gè)部分進(jìn)行控制，在設(shè)計(jì)中應(yīng)以體育記分牌的有效應(yīng)用，作為設(shè)計(jì)目標(biāo)與最終標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

為了確保電子體育記分牌的硬件系統(tǒng)，能夠良好構(gòu)建。所以對設(shè)計(jì)方法與思路，做出示意如圖1所示。硬件系統(tǒng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要對其中所涉及到的相關(guān)設(shè)備的型號(hào)，進(jìn)行確定。而后在按照設(shè)計(jì)圖示的連接方法，對各個(gè)物理設(shè)備，進(jìn)行連接調(diào)試。

圖1 電子體育記分牌硬件設(shè)計(jì)示意

根據(jù)圖1所示設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)控制部分由單片機(jī)負(fù)責(zé)，通過數(shù)碼管，進(jìn)行顯像。通過指示系統(tǒng)，對場上比賽情況進(jìn)行分析與追蹤記錄。通過紅外線將顯示信息輸入。系統(tǒng)連接電源，并通過遙控器，對記分牌的數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)行控制。

將比賽比分最大值，設(shè)置為199分。如果存在最大值比分的情況下，則顯示系統(tǒng)，需要設(shè)置數(shù)碼管數(shù)量為6。對于雙方各自比分，因?yàn)樽罡咧禐?9分，所以數(shù)碼管數(shù)量應(yīng)為4個(gè)。此外，體育賽事中，還存在犯規(guī)情況的顯示，而犯規(guī)次數(shù)通常不會(huì)超過各位數(shù)，因此犯規(guī)的最大值，設(shè)置為9，則需要數(shù)碼管2個(gè)。

圖1所示設(shè)計(jì)中，數(shù)碼管均選擇4寸，以8 V作為工作電流。而8 V的工作電流，導(dǎo)致數(shù)碼管無法直接受到MCS-51單片機(jī)的控制，因此，需要加設(shè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行指令中轉(zhuǎn)。寄存器，選擇TPIC2B567，這種寄存器適用于電流量中等，而電壓較高的情況下，能夠最大吸收電流為170 MA，對記分牌的設(shè)計(jì)，具有極高的適用性。

球類運(yùn)動(dòng)，需要記分牌對球權(quán)進(jìn)行提示。為此，通過二極管的發(fā)光，形成針對比賽雙方的箭頭指向標(biāo)志，從而通過控制二極管的發(fā)光與否，向觀眾解釋當(dāng)前球權(quán)的歸屬。球權(quán)顯示系統(tǒng)中，以ULN2013芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

體育記分牌的懸掛位置較高，人工調(diào)整并不現(xiàn)實(shí)[5]。而通過接線進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)較為麻煩。因此對計(jì)分?jǐn)?shù)據(jù)，采用紅外線輸入，遙控控制的方式，進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。采用HS0035接收器，對紅外線信號(hào)進(jìn)行接收。這種設(shè)計(jì)方式，與MCS-51單片機(jī)之間，可通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行連通，增加控制效率。同時(shí)，該接收器的紅外線接受與分析能力較強(qiáng)，對各種類型的遙控設(shè)備，都具有一定的適用性。

最后，體育記分牌的懸掛位置，通常無法架設(shè)交流電線。并且記分牌中的相關(guān)設(shè)備，耗電量不大，采用電池供電則足以滿足一場甚至多長比賽的比分顯示[6-7]。而將電動(dòng)車電源，作為低于記分牌的電源，則能最大程度保障記分牌在單次充電后的持續(xù)工作時(shí)間。電源具有40 V的輸出電壓，為了能將電能作用在記分牌系統(tǒng)中，因此需要安裝電壓轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為10 V，為數(shù)碼管進(jìn)行供電[8]。另外，還需要安裝穩(wěn)壓器，將轉(zhuǎn)換后的10 V電壓，轉(zhuǎn)換到5 V，以確保記分牌系統(tǒng)中的其他元件，例如紅外線接受、單片機(jī)處理芯片等，能夠正常工作。供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見圖2。

圖2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

2.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了確保電子體育記分牌，具有良好、穩(wěn)定的工作狀態(tài)，同時(shí)降低編程思路的復(fù)雜程度，因此記分牌的軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)采用模塊化思路進(jìn)行。此外，軟件系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合圖1所示的各種物理設(shè)備的功用與性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9-11]。

系統(tǒng)所顯示的分?jǐn)?shù)，是通過智能檢測以及遙控輸入所獲得。因此，需要對紅外檢測功能，進(jìn)行模板構(gòu)建，并與后續(xù)各項(xiàng)設(shè)計(jì)做好聯(lián)系[12-14]。其次，對系統(tǒng)中，檢測模塊的其他功能進(jìn)行分析，并根據(jù)這些功能，對比分模塊進(jìn)行調(diào)整，和對總局?jǐn)?shù)與換場數(shù)進(jìn)行調(diào)整。此外，還需要對犯規(guī)數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)示意

軟件抗干擾設(shè)計(jì)：單片機(jī)系統(tǒng)的操作中，計(jì)數(shù)器是通過PC實(shí)現(xiàn)控制的，所以如果PC程序出現(xiàn)錯(cuò)誤，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)紊亂。為保證程序正常、穩(wěn)定，設(shè)計(jì)操作程序時(shí)采用單字節(jié)指令，保證能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。如果程序PC收到來自外界的干擾，將可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)紊亂，所以采用監(jiān)控技術(shù)，幫助軟件程序脫離死循環(huán)。如果發(fā)現(xiàn)超過正常循環(huán)時(shí)間的程序，則強(qiáng)制改程序返回入口，從新開始運(yùn)行。

3 基于MCS-51單片機(jī)的記分牌應(yīng)用實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)要求概述

某籃球場地，為規(guī)范化比賽流程，對籃球場的計(jì)分方式進(jìn)行改進(jìn)。由原來的人工記分法，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮芋w育牌顯示。要求能夠在電子顯示器中，顯示隊(duì)伍名字。并顯示每組比分，與每場倒計(jì)時(shí)24秒數(shù)。同時(shí)，需要做到比賽暫停計(jì)時(shí)，并對雙方犯規(guī)次數(shù)進(jìn)行顯示與調(diào)整。

3.2 設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方法

首先，考慮場地大小和與觀眾席之間的距離，設(shè)計(jì)記分牌顯示屏的位置和大小。以固定的LED進(jìn)行顯示，而對犯規(guī)次數(shù)以及比分與時(shí)間倒數(shù)等數(shù)字，則采用二極管發(fā)光顯示。

籃球比賽比分，數(shù)目為3位數(shù)。犯規(guī)次數(shù)為個(gè)位數(shù)。每場次小結(jié)數(shù)為1位數(shù)。對時(shí)間的計(jì)數(shù)，分鐘數(shù)與秒數(shù)共4位，暫停倒計(jì)時(shí)，秒數(shù)應(yīng)為2位。結(jié)合具體的顯示要求，設(shè)置總數(shù)為15位。計(jì)分過程中，計(jì)分員遙控大記分牌具有一定的困難。為了方便計(jì)分操作，因此按照大記分牌的形式，設(shè)置小記分牌并置于控制臺(tái)上。選擇大功率的無線遙控器。將MCS-51的控制引腳，與遙控按鈕輸出端進(jìn)行匹配。并將遙控按鈕與小型顯示屏聯(lián)合，使記分員在小顯示屏上，通過操作相關(guān)按鈕，調(diào)整大顯示屏上的比分?jǐn)?shù)目顯示[15]。

4 結(jié)束語

電子體育記分牌，能有效改進(jìn)傳統(tǒng)人工計(jì)分的各種弊端與漏洞，增加計(jì)分顯示的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。而MCS-51單片機(jī)技術(shù)，能通過集成電路，實(shí)現(xiàn)集比分顯示、犯規(guī)顯示、賽程時(shí)間倒數(shù)等相關(guān)功能。隨著技術(shù)的不斷更新，未來記分牌的設(shè)計(jì)將會(huì)更趨簡單化，顯示質(zhì)量也會(huì)隨之提高。

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圖2 一階系統(tǒng)開環(huán)振動(dòng)情況

圖3 一階系統(tǒng)閉環(huán)振動(dòng)情況

4結(jié) 論

文中介紹了懸臂梁振動(dòng)的基本情況，建立了懸臂梁的狀態(tài)空間方程，設(shè)計(jì)了基于最優(yōu)模糊控制的懸臂梁振動(dòng)控制系統(tǒng)，通過理論分析和Matlab仿真所得到的圖2和圖3中可以看出懸臂梁在一階開環(huán)振動(dòng)時(shí)，其懸臂梁的振動(dòng)衰減速度較慢，通過施加對懸臂梁的控制信號(hào)之后，其振動(dòng)衰減幅度加快，仿真結(jié)果表明，使用最優(yōu)模糊控制系統(tǒng)對懸臂梁的振動(dòng)起到了良好的抑制作用。

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Design of electronic sports scoreboard based on the MCS-51 single chip

LI Wei-qiang
（Sports Teaching and Research Section，Shaanxi Institute of International Trade，Xianyang 712046，China）

In order to improve the standardization of the sports scores，as well as the score，time and the number of fouls display effect，increase the timeliness and accuracy of the data showed.Therefore，this paper based on MCS-51 single chip microcomputer technology，combined with sporting events need to display the data information，the related design intent，technical and economic feasibility analysis.And from the two aspects of hardware design and software design，discusses the design process.Finally，an example of a basketball court sports scoreboard design method，and offer reference for related industry workers.

MCS-51 single chip microcomputer；electronic sports scoreboard；design

TN99

A

1674－6236（2016）18-0106-03

2015-11-17 稿件編號(hào)：201511163

李維強(qiáng)（1982—），男，陜西咸陽人，講師。研究方向：體育教育。