李 萌

(西安航空職業(yè)技術學院，西安 710089)

0 引言

體育比賽計時計分器系統是對體育比賽過程中所產生的時間、比分等數據信息進行快速采集記錄、加工處理、傳遞和利用的系統[1-3]。不同的運動項目，比賽規(guī)則也不同，對計時、計分系統的要求也不一樣。體育比賽的計時計分器系統包括測量類、評分類、命中類、制勝類和得分類等多種類型，籃球比賽是根據運動隊員在規(guī)定的比賽時間里得分多少來決定勝負的，因此，籃球比賽的計時計分器系統是屬于體育比賽計時計分器系統中一種得分類型的系統。在小型的賽事中，無需投入大量的人力、物力開發(fā)一款功能齊全，使用便捷的計時計分器系統，只需借助單片機的優(yōu)勢，實現一款籃球比賽計時計分器系統，憑借其獨特的高度集成優(yōu)點[4-6]，使籃球比賽計時計分器系統具備功能強大，通用性高，體積小，重量輕，能耗低，價格便宜，可靠性高，抗干擾能力強和易于使用的優(yōu)勢，適合于學校團體作為籃球比賽計時計分器工具。

目前，市場上基于單片機的籃球比賽計時計分器系統都是使用LED顯示屏作為計時計分的顯示載體，出于創(chuàng)新與便捷的設計理念，籃球比賽計時計分器系統設計過程中，使用的顯示器件為LCD1602液晶顯示屏，在控制信號輸入方面使用獨立式鍵盤作為信號的輸入[6]。相比傳統的LED顯示裝置，本文使用的LCD1602液晶顯示屏，在方便組裝的同時，也更為的堅固，不易拆散；在軟件編程方面，通過鍵盤來進行控制單片機的信號輸入，減少了相對傳統的單片機需要通過脈沖的變化實現控制的不便，同時也減少了編碼單片機程序時的復雜性，從而優(yōu)化了程序運行效率[7]。這些都是本文設計開發(fā)的籃球比賽計時計分器系統相對傳統籃球計時計分器的優(yōu)勢，同時本文系統也兼具了控制比賽時間、記錄比賽比分等傳統的籃球計時計分器系統的功能，滿足了市場應用的需求。

1 系統結構及原理

本文設計并實現的籃球比賽計時計分器系統核心器件是STC89C52單片機，實現了籃球比賽邏輯規(guī)則的控制與信號的處理[8]。根據籃球比賽的規(guī)則：當某一方進攻時間還剩下3 s時，系統開始報警；當進攻時間計時到0秒如果進攻方沒有發(fā)球，則進攻時間重新刷新時間(處于暫停狀態(tài))；當本節(jié)時間還剩下3 s時，系統開始報警。本節(jié)時間計時為00:00時，直接進入下一節(jié)計時狀態(tài)(計時處于暫停狀態(tài))；比賽分為4節(jié)，每節(jié)12 min，當到達第3節(jié)時，分數顯示會出現自動交換位置的信號；籃球比賽計時計分器系統的整體結構框圖如圖1所示。

圖1 籃球比賽計時計分器系統結構框圖

設計選用STC89C52單片機作為系統核心的控制器，是其他所有模塊的連接樞紐。STC89C52單片機內部有存儲模塊，內部的存儲模塊具有超長時間的存儲能力，單片機軟件編程通過MCS-51指令完成的，此指令標準在很多器件上都可以使用，通用性很強。STC89C52單片機能耗很小，在低功耗方面表現優(yōu)異，內核是基于51的內核，現在很多單片機都是使用此內核，此款單片機內部可完成8 K的代碼量，如果代碼量超過了8 K，還可以設計外圍代碼存儲方案，STC89C52單片機滿足本文設計的系統對單片機的各種需求。

在選取LCD1602液晶顯示屏顯示方案的過程中，靜態(tài)驅動就是單片機的每一個輸入輸出端口分別控制一個與其相對應的數碼管的段碼。相對于動態(tài)驅動，靜態(tài)驅動的好處是程序簡單，亮度比較高，不容易出錯，顯示的更清晰；壞處是每一個段碼都需要一個輸入輸出端口，一個數碼管需要八個端口，如果程序中的數碼管過多，則需要的端口則更多，不利于拓展的設計實現。數碼管顯示內容穩(wěn)定、使用簡單，最關鍵的是成本很小，在很多產品上都可以看到它的身影，主要應用于簡單字符顯示的方案中[9]。

2 系統硬件設計

單片微型計算機其具有豐富的接口資源，可以與絕大部分的外圍電路元器件進行組合開發(fā)，可以在各種實驗平臺中使用，進行各類的實驗內容設計[10]。此部分電路是系統最核心的電路，系統能否穩(wěn)定的運行全看這部分電路。這款單片機在實際運用當中非常廣泛且能夠滿足本系統的設計需要，因此設計時選用STC89C52單片機作為主控。

通過對內部結構的了解，來分析其中所存在的規(guī)律。單片機的所有程序都在燒寫的時候寫入到只讀存儲器里，單片機系統在啟動之后必須要進行程序的讀取。處理器讀取一條代碼的用時，這個時長就是處理器的一個機器周期，這個時長對于處理器就是節(jié)拍。處理器設計了晶振，這樣就產生了時鐘，整個系統都需要時鐘的存在才可以啟動運轉。因此，晶振電路是處理器運行的核心外圍電路。本設計選擇的是12兆赫茲的振源。單片機的內部帶有振源，但是由于設計需要，這里選擇了外部振源。STC89C52單片機的電路如圖2所示。

圖2 STC89C52單片機系統電路圖

STC89C52單片機設計了復位功能電路，就是在籃球比賽計時計分器系統想要重回到從新啟動的狀態(tài)之后，就可以通過此功能電路對系統進行復位。其實STC89C52單片機在開始上電運行的時候，就是一個復位的狀態(tài)，所以處理器啟動就是需要進行復位的。STC89C52單片機的重啟需要復位電路對復位接口輸入一定要的信號脈沖，要求的有效脈沖信號是5 ms時間。大部分設計的方案是選擇上電復位。但很多時候需要進行手動復位，所以設計了按鍵復位設計，這樣可以非常方便的進行系統復位操作。

LCD1602液晶顯示屏是一種“8”字形的裝置。它被封裝有多個LED顯示器。在內部結構中，引線已被連接。只有公共電極和所需的段選需要被引出。根據不同的連接方法，LED數碼管可分為兩類：一類是共用陰極，另一種是公共陽極。在編程的過程中，對LED數碼管的這些特點深刻理解將對編程起到作用。如果數碼管的類型是不同的，其硬件電路必然不同，導致編程方法也不相同；但無論什么數碼管的類型，它的發(fā)光原理是一樣的，只是極性不同而已。采用LCD1602液晶顯示屏顯示，由于采用的是二極管發(fā)光來進行顯示，因此它可以由單片機直接進行驅動發(fā)光。

由于本文設計開發(fā)的籃球比賽計時計分器系統既要求LCD1602液晶顯示屏顯示正確，同時也要保證顯示的質量，所以需要使用驅動電路來驅動每個代碼段，這樣就可以顯示所需要的數字。根據不同的功能模式，數碼管的操作方案有采用了靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動兩種方案并存的方式進行驅動，如圖3所示為LCD1602液晶顯示屏接口電路圖。

圖3 LCD1602液晶顯示屏接口顯示電路圖

經過統計發(fā)現本系統所需按鍵并不多，包括復位鍵在內一共只有7個按鍵，所以本文將按鍵與單片機的輸入接口相對應。在按鍵被按下，此時單片機的引腳上會產生低電平，STC89C52單片機系統程序運行中會對這兩個引腳上的電平進行檢測，發(fā)現這兩處的引腳電平為低，說明相應的按鍵被按下，隨之系統執(zhí)行相應的軟件功能，包括調整時間、開始、交換場地和確認鍵和一個24秒復位鍵。鍵盤對應名稱如下：ADD1，DEC1，EXCHANGE，ADD2，DEC2，SEC24，RUN/STOP，其中ADD1為甲隊比分加1鍵(比賽開始前為調整時間加1)，當甲隊得分為2或3分的時候，需要多次按下ADD1按鍵，直至調整到目標得分，DEC1為甲隊比分減1鍵(比賽開始前為調整時間減1)，EXCHANGE為換場鍵，一節(jié)比賽結束后才可換場。ADD2為乙隊比分加1鍵(比賽開始前為調整時間加1)，當乙隊得分為2或3分的時候，需要多次按下ADD1按鍵，直至調整到目標得分，DEC2為乙隊比分減1鍵(比賽開始前為調整時間減1)，SEC24為24秒復位鍵，比賽時隨時復位24秒，用于記錄同一控球隊員必須在24 s內嘗試投籃。RUN/STOP為啟動/暫停鍵，比賽開始前按下啟動計時，比賽開始，比賽開始后，按下為暫停計時，比賽暫停，用于處理籃球比賽特殊情況。具體的按鍵設計如圖4所示。

報警選用蜂鳴器進行報警提示，在具體的籃球比賽計時計分電路實現過程中，只有蜂鳴器對電路的要求頗高，要想使其能夠正常使用必須要在電路當中接入一個三極管來對電流進行控制。電路中的三極管采用三線連接的讓是接入，分別與蜂鳴器、單片機、GND相連接。在電流流經三極管的時候，三極管高低組態(tài)會對電流進行放大，使其能夠滿足蜂鳴器工作所需。只要單片機引腳處的電平發(fā)生了高或低的變化，蜂鳴器就會隨之發(fā)出警報[11]。在系統中因為選用的是PNP型8550，所以系統初始通電并不會引起蜂鳴器的報警。

系統中的蜂鳴器在接通電源之后，因其是一個電磁式裝置，內部線圈與磁條之間會對振動膜片施加力的作用，當出現干燒情況時，即PWQ輸出低電平，此時蜂鳴器以周期性的方式發(fā)出聲響。這樣的一個報警電路設計結構非常簡單而實用，如圖5為提示電路圖。

圖4 按鍵電路圖 圖5 報警電路圖

3 系統軟件設計

籃球比賽計時計分器系統的軟件設計包括以下幾部分：系統初始化、按鍵識別、顯示功能、聲音提示等。系統完成初始化設置后，進入比賽時間顯示狀態(tài)，比賽時間為12 min，初始設置的時間顯示為12:00，在比賽沒有開始之前，可以通過按鍵對比賽時間進行設置，默認是12 min。在設置比賽時間模式下，開始按鍵是時間加功能，交換場地按鍵是時間減功能，點擊確認按鍵保存比賽時間設置數據，按RUN/STOP按鍵啟動比賽，即可對比賽時間進行倒計時。需要進行場地交換時，必須在暫?；蛘邲]有開始比賽計時的情況下實現。計分按鍵可以實現對兩隊比分進行設置。比賽啟動后，液晶顯示比賽時間，時間隨著比賽的進行倒計時，并且同時進行24 s進攻時間的記錄，也是以倒計時的方式記錄，如果在24 s內完成了進攻，或者交換了球權，則24 s恢復，重新進行倒計時；如果24 s到達，沒有完成進攻，或者交換球權，則進行犯規(guī)處理，通過發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器蜂鳴進行提示。如果比賽還剩下最后的10 s，通過發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器蜂鳴進行提示隊員時間到。圖6為系統整體編程設計流程圖。

圖6 系統軟件設計流程圖

LCD1602液晶顯示屏選擇是一個4位集成數字管,它需要掃描位選擇信號,并在控制相應的位接口時得到對應的數據內容。LCD1602液晶顯示屏的掃描顯示是每個數碼管的端發(fā)光二極管,因此應考慮每個點的保留時間和間隔時間[12]。如果保持時間太短，發(fā)光就會太弱，人類的眼睛看不到;如果保持時間過長，間隔時間將過長(如果設數碼管有N位，則間隔時長=保持時間X(N-1))，讓顯示內容閃爍達到顯示效果。在設計中，我們應該適當的設置保留時間和間隔時間。周期的數量與顯示的變化速度成正比。如圖7所示是顯示流程圖。

籃球比賽計時的軟件設計應該是由STC89C52單片機的定時器進行定時設計的，按照籃球比賽的計時方式進行倒計時，一節(jié)為12 min，需要對定時器進行初始化，一節(jié)為12 min，然后實現周期為1 s的計時，觸發(fā)中斷，減去1 s，并重新設置時間，進行顯示。計時軟件的流程圖如圖8所示。

圖7 顯示流程圖 圖8 計分軟件設計流程圖

4 實驗結果與分析

本文設計開發(fā)的籃球比賽計時計分器系統中使用Keil uVision工具對STC89C52單片機軟件的編程進行調試，通過其所提供的工具來進行編碼、翻譯、編寫以及調試等。當軟件的編程調試都是正常后，然后進行將相關文件下載并復制到STC89C52單片機的系統電路中，最終完成對整個系統的調試。本文源程序代碼在調試過程中有幾處警告，經過查找原因后解決了警告信息。在進行系統調試時，借助于該工具所提供的斷點調試可以在很大程度上降低工作的難度，在源代碼中很容易就能找出存在的BUG。通過Keil編寫完代碼，編譯器編譯完成，生成可執(zhí)行文件HEX。此文件可以燒錄到單片機，但在燒錄之前，可以通過Keil對代碼進行簡單的調試，很多時候代碼編譯沒有問題，也可以生成可執(zhí)行文件HEX，但是在邏輯以及設計思路上會有錯誤，也可能是某個電路控制錯誤，都有可能，所以借助Keil還需要進行一步一步調試。

設計選用Proteus完成對籃球比賽計時計分器系統的驗證，打開軟件繪制系統電路圖，和代碼進行聯機調試。仿真包括顯示控制、按鍵輸入、聲音控制、主控制器[13-14]。

啟動仿真，數碼管顯示內容如圖9所示。1 500表示比賽總時長，000：000表示A對和B對的比分，比分的控制是通過硬件系統直接控制的。

圖9 數碼管顯示仿真

系統啟動仿真后，通過RUN/STOP按鍵啟動，比賽開始，比賽時間以秒為單位進行倒計時。仿真界面如圖10所示。

圖10 系統啟動仿真

通過分數設置按鍵，可以對A隊和B隊的比分進行設置，如圖11所示，A對比分4，B對比分3。仿真界面如圖11所示。

圖11 系統比分控制仿真

5 結束語

本文設計并開發(fā)了一款籃球比賽計時計分器系統，通過模擬仿真驗證系統的設置功能、計時功能、計分功能、顯示功能和報警功能，所使用的LCD1602液晶顯示屏相對傳統LED顯示器具有顯示清晰、多用途驅動的作用，并具備良好的實用性。當然，本系統還存在一些不足之處，設計的功能較為單一，僅僅只能滿足小型籃球比賽計時計分功能，在后續(xù)的過程需要持續(xù)完善。