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1、第一章 设计方案比较1 设计方案的选择和论证本次篮球比赛计时/计分和实时时钟系统设计功能较多，用单片机的最小系统就难以实现。而单片机的最小系统设计中实际上最重要的就是对键盘/显示器接口电路的设计，由于系统功能不同所以要求就不同，接口设计也就不同。对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。下面是本人在设计前对各种设计方案的考虑：1.1利用硬件电路实现采用芯片74LS192（十进制同步加/减计数器）、NE555（秒脉冲发生器）以及辅助电路等组成。设计中秒脉冲发生器是采用555集成电路组成的多谐振荡器构成，通过计算来产生比较准确的1秒脉冲。译码显示电路用CD4511和共阴极七
2、段LED数码管组成，报警电路在实验中用发光二极管代替。该方案能较准确的显示比赛时间和比分，但是有众多的不足。例如：电路中用到的芯片较多，无法简化设计方案。1.2利用单片机系统实现单片机系统核心部件采用MCS51系列单片机。同时利用外围模块化电路来实现。由单片机来进行计时/记分，由外围电路如DS1302实现实时时钟系统的控制。利用单片机系统的优点是可以准确的显示比赛时间和比分，同时利用软件执行相关功能的执行速度上远优于硬件电路，而且准确度高。在电路方面相对简单。缺点是对内部的软件要求较高，不适合大范围推广。本次设计利用的单片机是AT89S52。计时/计分显示采用动态显示方式，或静态显示方式即采用
3、74LS164、74LS259或专用显示处理芯片AMT9094静态锁存显示数据，经功率放大，驱动数码管显示计时/计分数据。实时时钟芯片采用DS1302，为系统提供时间信息；年、月、日、时、分、秒和星期等信息。操作键盘按控制要求设计成专用键盘，采用有线控制方式。显示电路采用0.8in (1in=2.54cm)数码管，操作按键为微动开关直接控制单片机作为输入信号。实际系统采用20in数码管显示计时/计分数据。 硬件系统框图和硬件系统原理图见图1。图1-1硬件系统设计第二章 篮球比赛计时/计分和实时时钟系统工作原理篮球比赛计时/计分和实时时钟系统设计的运行主要是利用单片机定时/计数器的工作和中断服务
4、的作用完成计时功能的。首先时钟电路产生单片机工作时所需要的时钟脉冲信号，这是单片机能够正常工作的前提，而单片机有无定时的基础以及定多长的时间，这些还需要我们人为去确定。电子钟的时钟要运行，首先要有“秒”的计时，因为单片机内部是没有规定的“秒”的概念。同时它工作在不同的工作方式时，它的计数初值也是不同的。这就要我们人为首先计算出计数的初值了，这就可以实现所谓的定时了。如果单片机的定时时间到了的话，那么单片机会自动地产生中断使程序转向中断服务程序执行，中断服务程序执行完了就会返回主程序，等待下一次定时时间的到来再产生中断。在此基础上，单片机就会按照人为设定的程序执行下去，从而使单片机能计算其他的时
5、间量。当然，本次设计单片机要执行多种不同的计时功能，还需要选择多种不同的工作方式，这样才不会使单片机产生混乱。因为本次设计需要单片机完成的任务较多，而单片机的定时/计数器有限。为节省宝贵的单片机资源，我们选用DS1302时钟芯片完成实时时钟系统。 DS1302时钟芯片包括：实时时钟/日历，31字节的静态RAM和慢速充电控制。它经过一个简单的串行接口与单片机通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、星期、月和年等信息，每月天数以及闰月能自动调整，时钟可以采用24h或AM/PM的12h格式；31字节的静态RAM用于存放数据；带慢速充电控制备份电源的充电特性。该芯片使用同步串行通信。 在本次设计中首次
6、采用了看门狗(WATCHDOG)电路。看门狗(WATCHDOG)电路是自行监测系统运行的重要保证硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂。第三章 总体电路的设计 篮球计时/计分器和实时时钟系统主体电路主要由电源电路、复位电路、时钟电路、键盘电路、驱动电路、显示电路这六部分组成。3.1电源电路常用小功率直流稳压电源电路由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等四部分组成，如图3-1所示。 图3-1 直流稳压电源基本电路框图(1)电源变压器电源变压器作用是将电网220V的变流电压V1变换
7、成整流滤波电路所需的变流电压V2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=，式中为变压器的效率。(2) 整流滤波电路整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。常用的整流电路有全波整流电路、单相半流整流电路、桥式整流电路、及倍压整流电路。小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减小了。但是为了获得平滑的直流电压，常在整流电路的后面加接滤波电路
8、，以滤去交流成分。滤波电路常见的有电容滤波电路（主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联）、电感滤波电路及型滤波电路。本设计采用电容滤波电路。（3）稳压电路稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。常用的是三端式稳压器。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。三端式稳压器均采用串联型稳压电路。三端固定输出集成稳压器常见的产品有CW78系列和CW79系列。CW78系列：正压系列。该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防过载而损坏。一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元
9、件。CW79系列：负压系列。与CW78系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。在实际设计中要根据稳压电源的技术指标进行设计和选择。（1）稳压电源的技术指标分为两种一是特性指标：包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整流器率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。（2）参数的计算及选择根据上述的性能指标，选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容就可以进行电源的设计了。因此这里介绍的是输出为+5V的电源的设计（其他的计算原理与之相同）根据要求V0=+5V，稳压
10、系数在0.2%，故可先用集成稳压（W7805）。W7805的稳压差为U1U22V，所以根据公式U1=（23）+U2，现在为了留有余量，取3V，其输入电压为U1=5+3=8V。稳压器的输入电流即为整流滤波电路的负载电流，故I1=I0（max）+ID=300+8=308mA。由变压器副边电压： 令取U2=7V整流二极管和滤波电参数确定：正向平均电流： 最大反向电压： URMUR(max)=2U2=10V所以整流二极管选用其耐压值为50V，最大整电流为1A的整流器流管IN4004。滤波电容的参数计算： 因此，取C=2200F电容的耐压：取UCM25V，故滤波电容参数为C：2200F/25V副边电流有
11、效值：IZ=（1.52） IL=(1.52)308=462616mA取IZ为500 mA电源变压器容量：副边容量：P2=U2I2=70.5=3.5VA原边的容量： 取T=0.6 故平均容量为: 因此取P=10VA（3）设计电源使用的器件的介绍电源变压器：使220V的交流电压变换成桥式整流电路所需要的交流电压U1=10V。整流滤波电路：使交流电压U1转换成波动直流电压。再经过滤波电容滤除纹波，输出直流电流。二极管：保护稳压器。图3-2 直流电源原理图器。型号中最后两位数表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、12V、18V、和24V。在此次设计中，我们就做了一个5V的稳压直流电源，用于给单片机
12、的正常工作提供电压。电源电路的总设计图如图3-2所示：3.2 时钟电路 时钟信号通常由两种方式产生：一是内部振荡方式，二是外部时钟方式。时钟电路原理图如图3-3所示，在单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。并在单片机内部产生时钟脉冲信号。电容C1和C2一般取30pF左右，作用是稳定频率和快速起振,而晶体的振荡频率范围通常是1.2MHz-12MHz,晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行的速度也就快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，
13、对印刷电路板的工艺要求也高。 外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns，且为频率低于12MHz的方波。 图3-3 时钟信号电路3.3 看门狗电路看门狗(Watchdog)电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一。本文用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路，具有体积小、占用I/O口线少和编程方便的特点，可广泛应用于仪器仪表和各种工控系统中。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，
14、可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。X25045硬件连接图如图2所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C
15、2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表2所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。 图3-4 X25045看门狗电路硬件连接图 3.4 显示接口电路显示接口电路设计的原理图如下图3-5所示: 图图3-5 显示接口电路单片机应用系统最常用的显示器是LED（发光二极管显示器）、LCD（液晶图3-6 七段LED显示器原理图显示器）。这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态。它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此，得到了广泛应用。本次设计只要显示6位数字，不需显示图形或字符,因而采用七段数码管做显示器。LED显示器有共阴极与共阳极两种结构，如图3-6所示。共阴极LED显示块的发光二极管阴极并接，如图中(a)所示，当某个发光二极管的阳极为
