倪欽如，蔡武德

（云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南昆明，650500）

0 引言

計(jì)時(shí)和計(jì)分對(duì)一場(chǎng)運(yùn)動(dòng)比賽中兩隊(duì)的勝負(fù)十分重要，因此設(shè)計(jì)一款由單片機(jī)控制的便攜式計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)比賽中裁判員的計(jì)時(shí)和計(jì)分有很大的幫助。由于單片機(jī)芯片上集成了大規(guī)模特定功能的器件，因此可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同電路的設(shè)計(jì)[1]。本文采用AT89C51單片機(jī)作為計(jì)時(shí)和計(jì)分電路的主要控制器件，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和計(jì)分電路的各個(gè)操作功能和顯示功能。在運(yùn)動(dòng)比賽過(guò)程中，傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)大部分采用電子手表，計(jì)分大部分是用翻牌計(jì)分，有時(shí)也會(huì)采用在地上寫(xiě)“正”字來(lái)計(jì)分，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)時(shí)和計(jì)分電路可以簡(jiǎn)化、方便比賽過(guò)程中的計(jì)時(shí)和計(jì)分。

1 設(shè)計(jì)要求

在接通電源后，通過(guò)相應(yīng)按鍵設(shè)定一節(jié)比賽所需的時(shí)間，最高可以設(shè)定的一節(jié)比賽時(shí)長(zhǎng)為99分鐘。設(shè)定好比賽時(shí)長(zhǎng)后，按下特定按鍵，比賽剩余時(shí)間就以1s的頻率減少。在比賽過(guò)程中，甲乙兩隊(duì)任意一隊(duì)得分，可以通過(guò)對(duì)應(yīng)按鍵進(jìn)行加分，最高可以加到999分。當(dāng)一節(jié)比賽所規(guī)定的時(shí)間結(jié)束，蜂鳴器就會(huì)自動(dòng)發(fā)聲，提示比賽結(jié)束。一節(jié)比賽結(jié)束，兩隊(duì)交換場(chǎng)地，可以通過(guò)對(duì)應(yīng)按鍵實(shí)現(xiàn)交換兩隊(duì)比分的顯示位置的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

圖1為系統(tǒng)框圖，包含51單片機(jī)最小系統(tǒng)，輸入和輸出三大部分。其中51芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和5V電源共同組成51最小系統(tǒng)[2]。輸入電路有比賽時(shí)間的設(shè)定、比賽時(shí)間的啟動(dòng)/暫停和甲乙兩隊(duì)比分的加/減，輸出電路有比賽剩余時(shí)間的顯示、甲乙兩隊(duì)比賽得分的顯示和比賽結(jié)束的聲音提示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 電路原理圖

系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。圖中左邊是三個(gè)四位一體的數(shù)碼管，其中數(shù)碼管A用于顯示比賽剩余時(shí)間，數(shù)碼管B和C用于顯示甲隊(duì)和乙隊(duì)比賽得分情況。U1為51芯片、C3和R1為復(fù)位電路，C1與C2和X1與U1的XTAL1和XTAL2構(gòu)成時(shí)鐘電路。在比賽開(kāi)始之前，按鍵ADD1、ADC1、ADD2、ADC2可以實(shí)現(xiàn)比賽時(shí)間的設(shè)定。按鍵ADD1、ADC1、ADD2、ADC2，在比賽開(kāi)始前用于比賽時(shí)長(zhǎng)的設(shè)定，在比賽開(kāi)始后用于兩隊(duì)比分加減的操作。若比賽暫停或重新開(kāi)始，可按下RUN/STOP。若一節(jié)比賽結(jié)束，兩隊(duì)交換比賽場(chǎng)地，按下EXCHANGE，可以互換兩隊(duì)比分顯示位置。U2為74HC245，用來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管A、B和C。LS1為比賽結(jié)束發(fā)發(fā)聲器。

圖2 電路原理圖

2.3 比賽時(shí)間預(yù)值設(shè)定與比賽剩余時(shí)間的顯示

圖2 中，數(shù)碼管A，左起第一二位數(shù)碼管用來(lái)顯示比剩余時(shí)間的分鐘數(shù)，第三四位數(shù)碼管是用來(lái)顯示比剩余時(shí)間的秒數(shù)。比賽分鐘數(shù)和秒數(shù)的設(shè)定相互獨(dú)立。在比賽開(kāi)始之前，通過(guò)按鍵ADD1和ADC1可以完成一節(jié)比賽時(shí)長(zhǎng)分鐘數(shù)的設(shè)定，通過(guò)按鍵ADD2和ADC2可以完成一節(jié)比賽時(shí)長(zhǎng)秒數(shù)的設(shè)定。其中，按一下ADD1按鍵可以增加一分鐘的比賽時(shí)長(zhǎng)，按一下ADC1按鍵可以減少一分鐘的比賽時(shí)長(zhǎng)，分鐘數(shù)最多可以加到99，最低可以減到00。通過(guò)按一下ADD2按鍵增加一秒的比賽時(shí)長(zhǎng)，按一下ADC2按鍵減少一秒的比賽時(shí)長(zhǎng)，秒數(shù)最多可以加到59，最低可以減小到00。

裁判員吹響比賽開(kāi)始的哨聲后，立即按下圖2中的RUN/STOP按鍵，比賽剩余時(shí)間就一秒一秒地減少，直至比賽結(jié)束計(jì)時(shí)顯示器上顯示00.00。

比賽過(guò)程中若有突發(fā)情況，如有隊(duì)員受傷、換人等，需暫停比賽。按RUN/STOP鍵，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)時(shí)暫停。

2.4 比賽得分加減的實(shí)現(xiàn)

圖2中，數(shù)碼管B和C分別顯示甲隊(duì)和乙隊(duì)的比賽得分情況。正常工作狀態(tài)下，只有右邊三位數(shù)碼管接通電源。比賽得分加一，計(jì)分顯示器上就顯示001，最大值可以達(dá)到999，最小可以減小到為000。比賽進(jìn)行中，按ADD1、ADC1、ADD2、ADC2按鍵可以完成比分加減。按ADD1按鍵甲隊(duì)得分加1；按ADC1按鍵甲隊(duì)得分減1；按ADD2按鍵乙隊(duì)得分加1；按ADC2按鍵乙隊(duì)得分減1。還沒(méi)開(kāi)始比賽和比賽結(jié)束后都無(wú)法對(duì)甲乙兩隊(duì)的比賽得分進(jìn)行加減。

一節(jié)比賽結(jié)束，甲乙兩隊(duì)要交換場(chǎng)地，甲乙兩隊(duì)的比分顯示位置也要相應(yīng)地交換。上半場(chǎng)比賽中，計(jì)時(shí)器顯示屏上顯示00.00時(shí)，按下圖2中的EXCHANGE按鍵，比賽時(shí)間重置為12.00，甲乙兩隊(duì)的分?jǐn)?shù)顯示位置也就自動(dòng)地交換。上半場(chǎng)的賽程剩余時(shí)間顯示不是00.00，按下交換甲乙兩隊(duì)顯示比分位置的按鍵，甲乙兩隊(duì)的得分顯示位置不會(huì)發(fā)生變化。

2.5 比賽結(jié)束報(bào)警

一節(jié)比賽剩余時(shí)間顯示為00.00時(shí)，圖2中的U1的P1.7口會(huì)輸出一個(gè)低電平，LS1就會(huì)發(fā)出報(bào)警提示音，表示這節(jié)比賽結(jié)束。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主函數(shù)設(shè)計(jì)

在Keil uVision5軟件中新建工程，在新建的工程下創(chuàng)建各個(gè)模塊所需的（＊.hex）文件。本設(shè)計(jì)的主函數(shù)如下文所示。

void main(void)

{

TMOD=0x11; //定時(shí)器0和1的工作方式均為1

TL0=0xb0;

TH0=0x3c; //定時(shí)器0初值50ms

TL1=0xb0;

TH1=0x3c; //定時(shí)器1初值50ms

minit=12; //分鐘初始值12

second=0; //秒鐘初始值0

EA=1; //打開(kāi)中斷系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)

ET0=1; //打開(kāi)定時(shí)器T0中斷允許

ET1=1; //打開(kāi)定時(shí)器T1中斷允許

TR0=0; //關(guān)閉定時(shí)器T0中斷開(kāi)關(guān)

TR1=0; //關(guān)閉定時(shí)器T1中斷開(kāi)關(guān)

P1=0xFF; //所有I/O口默認(rèn)高電平

P3=0xFF;

while(1) //進(jìn)入while循環(huán)

{

keyscan(); //掃描按鍵函數(shù)

display(); //掃描顯示函數(shù)

} }

3.2 計(jì)時(shí)顯示模塊

計(jì)時(shí)顯示模塊流程圖如圖3所示。在比賽開(kāi)始之前，通過(guò)按鍵來(lái)控制比賽時(shí)間的設(shè)定。設(shè)定好一節(jié)比賽的時(shí)長(zhǎng)，按下對(duì)應(yīng)按鍵，比賽開(kāi)始，賽程時(shí)間開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。若一節(jié)比賽時(shí)間到了，蜂鳴器就報(bào)警提示比賽結(jié)束，若比賽時(shí)間未結(jié)束，繼續(xù)顯示比賽時(shí)間。

圖3 計(jì)時(shí)顯示模塊流程圖

3.3 計(jì)分顯示模塊

計(jì)分顯示模塊流程圖如圖4所示。在比賽過(guò)程中，對(duì)應(yīng)按鍵可以操控甲乙兩隊(duì)比賽得分的加/減。比賽開(kāi)始后，若甲、乙兩隊(duì)任意一隊(duì)得分，即可按下加分按鍵進(jìn)行加分，隨后甲乙兩隊(duì)的得分顯示屏上就相應(yīng)地顯示甲隊(duì)和乙隊(duì)的比賽得分情況。

圖4 計(jì)分顯示模塊流程圖

4 系統(tǒng)仿真與電路制作

4.1 系統(tǒng)仿真

首先，用Proteus仿真軟件畫(huà)出計(jì)時(shí)計(jì)分器的電路原理圖；第二，將生成的“＊.hex”文件載入到51芯片中；第三，運(yùn)行仿真操作，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真圖

4.2 系統(tǒng)實(shí)物圖

當(dāng)仿真調(diào)試結(jié)束，可進(jìn)行電路制作。制作完成的實(shí)際電路如圖6～9所示。圖6為一節(jié)比賽的時(shí)長(zhǎng)是12分鐘，計(jì)時(shí)計(jì)分器上顯示1200。圖7為比賽時(shí)間剩余是9分鐘50秒時(shí)，甲隊(duì)得分5分，乙隊(duì)得分3分。圖8為一節(jié)比賽結(jié)束，蜂鳴器自動(dòng)發(fā)聲，甲隊(duì)得分12分，乙隊(duì)得分8分。若繼續(xù)下一節(jié)比賽，要交換甲乙兩隊(duì)比賽得分的顯示位置，按下EXCHANGE按鍵，甲隊(duì)的得分12就交換到右邊的計(jì)分顯示器上，乙隊(duì)的得分8就交換在左邊的計(jì)分顯示器上，且比賽時(shí)間重置為12.00，如圖9所示。

圖6 比賽時(shí)間預(yù)設(shè)12分鐘

圖7 甲隊(duì)5分，乙隊(duì)3分

圖8 甲隊(duì)12分，乙隊(duì)8分

圖9 交換比分

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)試，本設(shè)計(jì)的仿真與電路制作已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。它能模擬比賽過(guò)程中的計(jì)時(shí)和計(jì)分，符合各類運(yùn)動(dòng)比賽計(jì)時(shí)和計(jì)分的規(guī)則。因數(shù)碼管尺寸較小，可見(jiàn)范圍有限，無(wú)法直接在比賽中使用。但只要將數(shù)碼管的尺寸加大，即可滿足實(shí)際比賽計(jì)時(shí)和計(jì)分的需要。