摘要：采用單片機AT89C51作為本設(shè)計的核心元件。利用7段共陽LED作為顯示器件。在此設(shè)計中共接入了6個7段共陽LED顯示器，和4個8段共陽LED顯示器，其中6個用于記錄AB隊的分?jǐn)?shù)，每隊3個LED顯示器顯示范圍可達到0~999分，足夠滿足賽程需要，另外4個LED顯示器則用來記錄賽程時間，其中2個用于顯示分鐘，2個用于顯示秒鐘。賽程計時采用倒計時方式。即比賽前將時間設(shè)置好，比賽開始時啟動計時，直至計時到零為止。計時范圍可達到0~99分鐘，也完全滿足實際賽程的需要。

其次，為了配合計時器和計分器校正調(diào)整時間和比分，我特定在本設(shè)計中設(shè)立了11個按鍵，其中3個用于設(shè)置，交換場地，啟動和暫停等功能，另外8個用于調(diào)整比賽的比分。采用單片機控制使這個系統(tǒng)按鍵操作使用簡潔，LED顯示，安裝方便。解決了籃球比賽計數(shù)器的安裝問題，節(jié)約了線材，適合在各種規(guī)模的體育場館使用，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用鐘表進行計時的方法，當(dāng)然稍加改動也可以用于其他球類比賽，是體育器材向智能化發(fā)展的一個實例。

關(guān)鍵詞：AT89C51 74LS164 計時計分系統(tǒng)

1 概述

1.1 課題背景

體育比賽計時計分系統(tǒng)是對體育比賽過程中所產(chǎn)生的時間,比分等數(shù)據(jù)進行快速采集記錄，加工處理，傳遞利用的信息系統(tǒng)。根據(jù)不同運動項目的不同比賽規(guī)則要求，體育比賽的計時計分系統(tǒng)包括測量類，評分類，命中類，制勝類,得分類等多種類型。

籃球比賽是根據(jù)運動隊在規(guī)定的比賽時間里得分多少來決定勝負(fù)的，因此，籃球比賽的計時計分系統(tǒng)是一種得分類型的系統(tǒng)。籃球比賽的計時計分系統(tǒng)由計時器，計分器等多種電子設(shè)備組成，同時，根據(jù)目前高水平籃球比賽要求，完善的籃球比賽計時計分系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)能夠與現(xiàn)場成績處理，現(xiàn)場大屏幕，電視轉(zhuǎn)播車等多種設(shè)備相聯(lián)，以便實現(xiàn)高比賽現(xiàn)場感，表演娛樂觀眾等功能目標(biāo)。

由于單片機的集成度高，功能強，通用性好，特別是它具有體積小，重量輕，能耗低，價格便宜，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特的優(yōu)點，使單片機迅速得到了推廣應(yīng)用，目前已經(jīng)成為測量控制應(yīng)用系統(tǒng)中的優(yōu)選機種和新電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部位。世界各大電氣廠家，測控技術(shù)企業(yè)，機電行業(yè)，競相把單片機應(yīng)用于產(chǎn)品更新，作為實現(xiàn)數(shù)字化，智能化的核心部件?；@球計時計分器就是以單片機為核心的計時計分系統(tǒng)，由計時器，計分器，綜合控制器和24秒控制器等組成。

1.2 設(shè)計內(nèi)容

本系統(tǒng)是采用單片機AT89C51作為本設(shè)計的核心元件。利用LED作為顯示器件。在此設(shè)計中共接入了10個LED顯示器，其中6個用于記錄AB隊的分?jǐn)?shù)，每隊3個LED顯示器顯示范圍可達到0~999分，足夠滿足賽程需要，另外4個LED顯示器則用來記錄賽程時間，其中2個用于顯示分鐘，2個用于顯示秒鐘。賽程計時采用倒計時方式。即比賽前將時間設(shè)置好，比賽開始時啟動計時，直至計時到零為止。計時范圍可達到0~99分鐘，也完全滿足實際賽程的需要。

其次，為了配合計時器和計分器校正調(diào)整時間和比分，我特定在本設(shè)計中設(shè)立了11個按鍵，其中8個用于設(shè)置，交換場地，啟動和暫停等功能。

1.3 設(shè)計任務(wù)和要求

任務(wù)： 設(shè)計一個用于賽場的籃球計時計分器。

要求： 1、能記錄整個賽程的比賽時間，并能修改比賽時間。

2、能隨時刷新甲、乙兩隊在整個過程中的比分。

3、中場交換比賽場地時，能交換甲、乙兩隊比分的位置。

4、比賽結(jié)束時，能發(fā)出報警聲。

5、自帶+5V、+12V直流穩(wěn)壓電源。

2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計

2.1 總體方案：

本系統(tǒng)采用單片機AT89C51作為本設(shè)計的核心元件。利用7段共陽LED作為顯示器件。在此設(shè)計中共接入了10個7段共陽LED顯示器，其中6個用于記錄AB隊的分?jǐn)?shù)，每隊3個LED顯示器顯示范圍可達到0~999分，足夠滿足賽程需要，另外4個LED顯示器則用來記錄賽程時間，其中2個用于顯示分鐘，2個用于顯示秒鐘。賽程計時采用到計時方式。即比賽前將時間設(shè)置好，比賽開始時啟動計時，直至計時到零為止。計時范圍可達到0~999分鐘，也完全滿足實際賽程的需要。

其次，為了配合計時器和計分器校正調(diào)整時間和比分，我特定在本設(shè)計中設(shè)立了11個按鍵，其中3個用于設(shè)置，交換場地，啟動和暫停等功能，另外8個用于調(diào)整比賽的比分。AT89C51單片機是智能控制器的核心，控制整個系統(tǒng)電路的工作： 74LS164將單片機輸出的串行輸入信號轉(zhuǎn)換為并行信號輸出并驅(qū)動LED；顯示器顯示比賽的時間，和兩個隊伍的分?jǐn)?shù)等信息；鍵盤用于發(fā)出控制命令；報警電路會在24秒進攻時間結(jié)束或單節(jié)比賽結(jié)束時給出聲光報警信號。

1）單片機控制電路，以AT89C51為控制核心

2）鍵盤電路，采用軟件延遲去抖動電路設(shè)計，輸入接口采用串行方式，這樣可減少占用CPU的接口，減少了硬件的成本同時也增強了系統(tǒng)的擴展性。

3）顯示電路，采用靜態(tài)顯示方式，采用串行輸入并行輸出的74LS164集成電路，該電路驅(qū)動能力較強，可直接驅(qū)動LED顯示器，減少了顯示電路與單片機之間的連接線。

4）設(shè)計了復(fù)位電路。智能控制器中設(shè)有復(fù)位電路，這是單片機開始工作都要進行的操作。

2.2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：

此籃球比賽計時計分系統(tǒng)是一個時間計算系統(tǒng)，由相應(yīng)的鍵盤控制電路、LED顯示器、聲光報警、電源等電路組成。可以通過人員的簡單調(diào)控，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，輸出比賽時間，比分并推動顯示電路顯示數(shù)值。基于單片機系統(tǒng)的籃球賽計時計分器的系統(tǒng)構(gòu)成圖如下圖所示：

3 硬件電路設(shè)計

3.1 鍵盤模塊的設(shè)計

本設(shè)計要求有調(diào)時調(diào)分等功能，因此鍵盤設(shè)計是必須的。非編碼式鍵盤中，每個按鍵的作用只是使相應(yīng)接點接通或斷開，每個按鍵的鍵碼并非由硬電路產(chǎn)生，而是由相應(yīng)掃描處理程序?qū)λ鼟呙栊纬傻摹Ｒ虼朔蔷幋a鍵盤硬件電路極為簡單，在微型計算機中得到了廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計采用獨立式非編碼鍵盤，每個按鍵都是彼此獨立的，均需占用CPU的一條I/O輸入數(shù)據(jù)線，其中控制比分調(diào)節(jié)的8個按鍵分別與P1.0～P1.7相連，控制交換場地，和開始/暫停的3個按鍵與CPU的P3.0～P3.2口相連，若沒有按鍵按下時，CPU從P1口讀得的引腳電平均為'0'（+5V）；若某一按鍵被按下，則該鍵所對應(yīng)的端口線變?yōu)榈碗娖?。單片機定時對P1口進行程序查詢，即可發(fā)現(xiàn)鍵盤上是否有鍵按下以及哪個鍵被按下。

11個控制按鍵的定義如下：

S1 RST/VPD 復(fù)位按鈕

S2 P1.0 A隊加1分

S3 P1.1 A隊加2分

S4 P1.2 A隊加3分

S5 P1.3 A隊減1分

S6 P1.4 B隊加1分

S7 P1.5 B隊加2分

S8 P1.6 B隊加3分

S9 P1.7 B隊減1分

S10 P3.0 開始/暫停按鈕

S11 P3.1 交換場地按鈕

S12 P3.2 設(shè)定時間按鈕

控制按鍵的設(shè)計如下圖所示：

3.2 LED顯示模塊的設(shè)計

3.2.1 AT89C51對LED的顯示 LED是發(fā)光二極管的簡稱，LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。在單片機顯示中通常使用的都是LED數(shù)碼管。89C51單片機對LED數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點是各LED管能穩(wěn)定地同時顯示各自字型；動態(tài)顯示是指各LED輪流地一遍一遍的顯示各自字符，人們因視覺器官惰性而看到的是各LED似乎是在同時顯示不同的字型[1]。

靜態(tài)顯示：所謂的靜態(tài)顯示，是由單片機一次輸出顯示后，就能保持，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。但是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出具有多種功能的顯示器件。例如：鎖存器，譯碼器、驅(qū)動器、顯示器四位一體的顯示器件，用起來比較方便。當(dāng)顯示位數(shù)較少時，采用這種顯示方式是合適的。這種顯示方式的每一個七段顯示器需要一個8位輸出口控制。

動態(tài)顯示：所謂的動態(tài)顯示，就是單片機定時地對顯示器件掃描。在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于認(rèn)得視覺暫留現(xiàn)象，所以仍感覺到所有的器件都在'同時'顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低；但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)通電流有關(guān)，與點亮?xí)r間和間隔的比例有關(guān)。許多單片機的開發(fā)系統(tǒng)及仿真器上的6位顯示器即采用這類顯示方法[2]。

3.2.2 74LS164芯片簡介 74LS164是8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出），它的作用是將串行信號轉(zhuǎn)換為并行信號。當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平[3]。當(dāng) A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。

表1： 164為8位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：

74LS164的引腳圖和邏輯圖如下所示：

表2： 74HC164引出端符號及功能

表3： 74LS164真值表

注：H－高電平，L－低電平，X－任意電平，↑－低到高電平跳變， QA0,QB0,QH0 －規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平，QAn, QGn －時鐘最近的↑前的電平[6]。

表4： 74HC164推薦工作條件:

3.2.4 顯示電路設(shè)計 為了保證顯示的可靠性，本單片機控制系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示。本設(shè)計采用的是通過連接74LS164移位寄存器實現(xiàn)LED的靜態(tài)顯示，這樣可以使CPU將數(shù)據(jù)送來后就由74LS164控制，減少了CPU的工作。采用的數(shù)碼顯示管是采用共陽極的接法，電源電壓為5V。AT89C51單片機串行口方式為移位寄存器方式[7]，外接10片74LS164作為LED顯示器的靜態(tài)接口，把AT89C51的P0口和P2口作為數(shù)據(jù)輸出線，P0.1和P2.4作為移位時鐘脈沖。

下圖示出了AT89C51通過74LS164對十個共陽LED的接口電路。圖中，Q0～Q7口和所有LED的a，b，c，d，e，f，g，SP引線相連，用于字型顯示，其余引腳用于接通數(shù)據(jù)和電源等。此顯示部分有兩個功能，分別是顯示時間和顯示兩隊的比分。顯示時間用四個LED，兩個為分鐘位，其余兩個為秒鐘位；采用十進制，最高顯示99.59，精確到小數(shù)點后兩位；顯示兩隊比分用六個LED，采用十進制，最高分為999分。

AT89C51是通過P0.0～P0.5和74LS164相連的，10 個74LS164移位寄存器按照比分和時間的不同用途一共分為兩組，P0.0口為比分?jǐn)?shù)據(jù)輸出口，為74LS164提供顯示數(shù)據(jù)，P0.1口為移位寄存器時鐘輸入，P0.2為比分同步清除輸入端[8]；P0.3為時間數(shù)據(jù)輸出口，為74LS164提供顯示時間數(shù)據(jù)，P0.4口也為移位寄存器時鐘輸入，P0.2為時間同步清除輸入端。

在這個靜態(tài)顯示電路中，數(shù)據(jù)的輸入和保存是通過74LS164的寄存器和鎖存器實現(xiàn)的，這樣LED就可以實現(xiàn)一遍一遍的顯示，能將新的數(shù)據(jù)顯示而替換上一級的數(shù)據(jù)。

74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號，共一個輸入信號時可并接。CLK（第8腳）為時鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個時鐘信號的上升沿加到CLK端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進制數(shù)全部移入74LS164中。CLR（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時，時鐘脈沖才起作用。QA…QH（第3-6和10-13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的hg….a各段對應(yīng)的引腳上。在給出了8個脈沖后，最先進入74LS164的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位，再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出。4片7LS164首尾相串，而時鐘端則接在一起，這樣，當(dāng)輸入8個脈沖時，從單片機P3.0端輸出的數(shù)據(jù)就進入到了第一片74LS164中了，而當(dāng)?shù)诙€8個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進入了第二片74LS164，而新的數(shù)據(jù)則進入了第一片74LS164，這樣，當(dāng)?shù)?個8個脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送到了最左面的164中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一,二,三,四片74LS164單片機中[9]。顯示電路圖如下：

3.3 聲光報警及指示電路

本系統(tǒng)設(shè)計了報警電路,設(shè)定單節(jié)比賽的時間值，系統(tǒng)計時的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)到達設(shè)定的時間，即當(dāng)整節(jié)比賽結(jié)束時，便啟動自身報警電路[10]。單片機便將P3.6管腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，如果報警開關(guān)處于閉合狀態(tài)，則三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警信號。聲光警報電路原理圖如下所示：

3.4 單片機控制設(shè)計

3.4.1 單片機系統(tǒng)I/O口分配 系統(tǒng)的I/O口分配如下:TXAL1，TXAL2 為單片機外接時鐘振蕩電路，石英晶體起振后在XTAL2上輸出一個3V左右的正弦波，以便使AT89C51片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同的頻率自激振蕩[11]。

P1.0口至P1.7口為鍵盤輸入口,這8個按鍵用來調(diào)整A，B兩隊的比分，在比賽中出現(xiàn)計分錯誤的情況時方便快速的修改比分。P3.0口至P3.2口外接了另外三個按鍵，他們的作用分別是：開始/暫停，交換場地，設(shè)定時間。

P0.0口至P0.2口連接4個LED數(shù)碼管用來顯示比賽時間，P2.0口至P2.4口連接了6個LED數(shù)碼管顯示A，B兩只隊伍的比分。

P3.6口接報警電路。

3.4.2 AT89C51單片機簡介 單片機（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機[12]，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。AT89C51是MCS51系列單片機的一個產(chǎn)品。MCS51系列單片機是Intel公司推出的通用型單片機，其結(jié)構(gòu)特點如下：

（1）8位CPU；

（2）片內(nèi)震蕩及時鐘電路；

（3）32根I/O線；

（4）外部存儲器尋址范圍ROM、RAM各64K；

（5）2個16位的定時器/計數(shù)器；

（6）5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級；

（7）全雙工串行接口。

AT89C51單片機系列指的是MCS51系列和其他公司的8051衍生產(chǎn)品。這些衍生品是在基本型基礎(chǔ)上增強了各種功能的產(chǎn)品，如高級語言型、flash 型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型等，這些產(chǎn)品給8位單片機注入了新的活力[13]，給它的開發(fā)應(yīng)用開拓了更廣泛的前景[14]。

AT89C51引腳圖：

AT89C51主要特性:

·與MCS-51 兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器

·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級程序存儲器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計數(shù)器

·5個中斷源·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路

AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器[15]（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案[16]。

管腳說明：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫'1'時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址'1'時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容[17]。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入'1'后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故. P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

管腳 備選功能

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（記時器0外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效[18]。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

3.4.3 單片機外接時鐘產(chǎn)生電路 定時控制部件起著控制器的作用，由定時控制邏輯，指令寄存器，和振蕩器OSC等電路組成。OSC是控制器的心臟，能為控制器提供時鐘脈沖，引腳ATXL1為反向放大管的輸入端，XTAL2為輸出端，在XTAL1和XTAL2上外接定時反饋回路，OSC就能自激振蕩。單片機片內(nèi)電路OSC與片外器件就構(gòu)成一個時鐘產(chǎn)生電路，CPU的所有操作均在時鐘脈沖同步下進行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2MHz～12MHz之間選取。C1、C2是反饋電容，其值在5pF～30pF之間選取，典型值為30Pf[19]。本電路選用的電容為30pF，晶振頻率為12MHz[20]。

XTAL1和XTAL2：這兩個端子是片內(nèi)振蕩電路的輸入線，用來外接石英晶體和微調(diào)電容。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下，無論是機械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時，振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩[21]。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。即用來連接AT89C51片內(nèi)OSC的定時反饋回路，如上圖所示。石英晶振起振后要能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便使MCS-51片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，OSC的輸出時鐘頻率fOSC為0.5MHz-16MHz，典型值為12MHz或者11.0592MHz。電容C1和C2可以幫助起振，典型值為30pF，調(diào)節(jié)它們可以達到微調(diào)fOSC的目的。

3.4.4 單片機外接復(fù)位電路 單片機在開機時都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機的復(fù)位后是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便可實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。MCS-51單片機的RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。例如：若MCS-51單片機時鐘頻率為12MHz，則復(fù)位脈沖寬度至少應(yīng)該為2μs[10]下圖為單片機復(fù)位電路[22]。

3.5 穩(wěn)壓電源的設(shè)計

3.5.1 穩(wěn)壓電源的組成 直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，原理框圖如圖16所示，電網(wǎng)供給的交流電壓Ui1為220V、50Hz，經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓Ui2，然后由整流電路變換方向不變，大小隨時間變化的脈動直流電壓Ui3；再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓Uo，為了能得到穩(wěn)定的輸出直流電壓，本設(shè)計還使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出電壓更加穩(wěn)定[15]。

圖10 直流穩(wěn)壓電源原理框圖

3.5.2 三端固定集成穩(wěn)壓器簡介 三端固定集成穩(wěn)壓器包含7800和7900兩大系列，7800系列是三端固定正輸出穩(wěn)壓器，7900系列是三端固定負(fù)輸出穩(wěn)壓器。它們的最大特點是穩(wěn)壓性能良好，外圍元件簡單，安裝調(diào)試方便，價格低廉，現(xiàn)已成為集成穩(wěn)壓器的主流產(chǎn)品。7800系列屬于正壓輸出，即輸出端對公共端的電壓為正。UI為輸入端，UO為輸出端，GND是公共端（地）。三者的電位分布如下：UI＞UO＞UGND(0V)。最小輸入—輸出電壓差為2V，為可靠起見，一般應(yīng)選4～6V。最高輸入電壓為35V。

7900系列屬于負(fù)電壓輸出，輸出端對公共端呈負(fù)電壓。7900與7800的外形相同，但管腳排列順序不同，2為輸出端，3位輸入端。7900的電位分布為：UGND(0V)＞-UO＞-UI。對三端固定輸出集成穩(wěn)壓器，其輸入電壓的選取原則：

UImax＞UI＞U0+( UI—U0) Imin

U0=5~18V時, UImax=35V

U0=20~24V時, UImax=40V

只要把正輸入電壓加到CW7800的輸入端,CW7800的公共端接地,其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓值U0。實際應(yīng)用電路中，芯片輸入端、輸出端除分別接大容量濾波電容外，通常在芯片引出腳跟部接小電容（0.01 u~10uF）Ci及Co到地。Ci用于抑制芯片自激振蕩。當(dāng)輸入線較長時，抵消其電感效應(yīng)以防止產(chǎn)生自激振蕩。Co用于變窄芯片的高頻寬帶，減小高頻噪聲。Ci與Co的具體取值隨芯片輸出電壓高低及應(yīng)用電路的方式不同而不同。一般來說使用集成穩(wěn)壓器都需防止芯片自激及減小高頻噪聲。圖11為CW7800的接線圖[23]。

CW7900的輸入端加上負(fù)輸入電壓Ui，芯片的公共端接地，在輸出端得到標(biāo)稱的負(fù)電壓Uo。電容Ci用來抑制輸入電壓Ui中的紋波和防止芯片自激振蕩，Co用來抑制輸出噪聲。接線圖與7800相同。CW7805、CW7809、CW7815、CW7812、CW7912、CW7915集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù):

3.5.3 電源設(shè)計 該系統(tǒng)需要+5V和+12V兩個電源，如圖1所示為輸出±5V，±12V的直流電壓，它由電源變壓器T1，橋式整流電路以及濾波電容、防止自激電容和固定三端穩(wěn)壓器(CW7805、CW7812等)等組成。220V交流電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器CW7805的IN和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過CW7812和CW7805的穩(wěn)壓和C3和C5的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的輸出直流電壓[25]。電源電路原理圖如下所示：

3.6 硬件原理圖

系統(tǒng)硬件圖如下圖所示：

4 軟件程序設(shè)計

本設(shè)計中采用的處理器是AT89C51單片機，由此可采用面MCS-51的程序設(shè)計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。匯編語言更接近機器語言，常用來編制與系統(tǒng)硬件相關(guān)的程序，如訪問I/O端口、中斷處理程序、實時控制程序、實時通信程序等；而數(shù)學(xué)運算程序則適合用C51高級語言編寫，因為用高級語言編寫運算程序可提高編程效率和應(yīng)用程序的可靠性[26]。

考慮到匯編語言的以下特點，在智能測控裝置的基本功能軟件開發(fā)中，程序主要采用ASM51匯編語言編寫：

（1）匯編語言是最基本的程序設(shè)計語言。迄今為止，匯編語言仍然是計算機系統(tǒng)底層軟件（例如匯編程序、PC機的BIOS等）設(shè)計的基本語言；

（2）能充分利用機器的硬件功能與結(jié)構(gòu)特點。匯編語言與機器語言密切相關(guān)，因此能透徹地反映計算機硬件的功能與特點。程序員可充分利用機器硬件系統(tǒng)的許多特性（如寄存器、標(biāo)志位以及一些特殊指令等）。這樣能充分發(fā)揮程序設(shè)計的技巧；

（3）用匯編語言編寫的程序比起用高級語言編寫程序具有更高的系統(tǒng)性能。匯編語言程序具有執(zhí)行速度快和節(jié)省存儲空間的特點，它可以精確地描述算法，把計算過程和控制過程刻畫得更具體；

（4）實時性能好。用匯編語言編制的程序可以對各種接口芯片及I/O端口直接進行控制，實時性能好。對于一些應(yīng)用領(lǐng)域（例如工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)等）匯編語言是不可缺少的，一般高級語言不適合這種應(yīng)用，因為一般高級語言不能充分地利用計算機硬件所提供的諸如中斷等方面的功能[22]。

4.1 主程序設(shè)計

主程序功能：完成系統(tǒng)初始化操作，判斷時間是否超限，如果超限則轉(zhuǎn)報警處理，如果未超限則讀入控制按鈕的狀態(tài)，并根據(jù)輸入狀態(tài)，散轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。

全部程序主要由主程序，時間中斷程序，鳴音子程序，時間顯示程序，比分顯示程序，調(diào)時時間顯示程序，交換場地程序組成。

4.2 主流程圖