基于51单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统.

大连海事大学

毕业论文

二○一四年六月

基于51单片机的室内五人制足球比赛计分

计时系统

专业班级：通信工程4班

姓名：潘树明

指导教师：刘剑桥

信息科学技术学院

摘要

本设计基于89C51单片机芯片，利用74HC595芯片及数码管，完成了室内5人制足球比赛计分计时系统。

STC89C51RC是采用8051核的可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。本设计中搭建了很多89C51单片机相关电路，包括了利用单片机复位电路，时钟电路等。74HC595芯片能将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数。利用STC89C51单片机芯片以及74HC595芯片，搭建数码管显示电路以及开关电路，利用三极管搭建了蜂鸣器驱动电路。

在测试系统的软件部分，利用了Proteus搭建了系统的仿真电路。论文分别对倒计时程序、按键检测程序、显示程序和系统初始化程序进行了讨论和设计。系统软件采用C51单片机专用语言编写，利用Keil51编译器编译，产生的目的代码的运行速度高，所需存储空间小。

利用本系统可以作为一些室内五人制足球比赛的计分计时工作，可以实现比赛时间的倒计时、双方的比分显示以及比分加减、双方犯规数的记录、犯规声音提示以及比赛结束提示等功能，在室内足球运动蓬勃发展的今天，此设计可以作用于一些简单的比赛，更重要的是提供了一个利用单片机去实现足球比赛计分计时的思路。

关键词：室内足球比赛；单片机89C51；74HC595；数码管

ABSTRACT

The design is based on 89C51 chip, use 74HC595 chip and segment displays, completed the futsul game scoring timing system.

STC89C51RC is the use of the 8051 nuclear programmable chips, its’maximum operating frequency is 80MHz clock.It can be repeated with 8K Bytes of Flash erasable read-1000 program memory and it integrates a universal eight central processor and ISP Flash memory cell. This design has a lot 89C51 microcontroller associated circuitry, including the use of single-chip reset circuit, clock circuit and so on.With 74HC595, 8 digits of the serial input can become 8-bit parallel digital https://www.360docs.net/doc/b44332859.html,ing STC89C51 microcontroller chip and chip 74HC595 builds a LED display circuit and switching circuit. Using the Transistor builds a circuit to drive the buzzer.

In the part of the system software, Using the Proteus builds the system Simulation circuit. The article discuss and design the countdown program, detection of key program, display program and initialize the system program. The design writes system software with C51 MCU specific language and uses Keil51compiler to compile. The purpose of the code is running high speed, but small storage space.

The system can be used for the futsal game.It can countdown the game time, display both sides of the score and change, display both sides of the foul and change, foul voice prompts and game end voice prompts. Now, the futsal game develops fast and become more and more important, the design can use in some simple game, but more importantly, it provides the idea that using SCM achieve the system for the futsal game.

Keywords：Futsal Game；SCM 89C51；74HC595；Segment Displays

目录

第1章绪论 (1)

1.1 基于微处理芯片的智能仪器的发展现状 (1)

1.2 室内五人制足球比赛及发展现状 (2)

1.3 室内五人制足球比赛计分计时系统概述 (2)

第2章设计原理 (3)

2.1 STC89C51单片机 (3)

2.1.1 主要功能、性能参数 (3)

2.1.2 单片机系统的相关电路 (6)

2.2 显示模块 (8)

2.2.1 四位数码管概述 (9)

2.2.2 原理图及引脚图 (9)

2.2.3 数码管的译码方式 (11)

2.2.4 数码管与单片机接口设计 (11)

2.3 74HC595 (12)

2.4 蜂鸣器原理 (13)

2.4.1 分类 (13)

2.4.2 驱动方式 (14)

2.4.3 驱动电路 (14)

第3章系统软件部分设计 (16)

3.1 Proteus 软件仿真 (16)

3.2 室内五人制足球比赛计分计时系统的主程序 (17)

3.2.1 初始化程序 (18)

3.2.2 倒计时程序 (19)

3.2.3 按键检测程序 (20)

3.2.4 显示子程序 (25)

第4章系统运行及测试结果分析 (28)

4.1 keil程序调试及Proteus仿真 (28)

4.2 实物完成及实物调试 (29)

4.2.1 电路板实物测试结果 (29)

4.2.2数码管闪烁的解决方案 (29)

4.2.2数码管不亮的解决方案 (30)

4.2.3蜂鸣器不响的解决方案 (30)

4.3 实物展示及按键测试 (31)

第5章全文总结及展望 (34)

5.1 工作总结 (34)

5.2 展望 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

基于51单片机的室内五人制足球比赛计分计时系统

第1章绪论

1.1 基于微处理芯片的智能仪器的发展现状

随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器、计数器、并行和串行接口和A/D转换器等。它是微电子技术与计算机技术的结晶，现已成为集成电路大家族中的重要成员[1]。尽管单片机是从1982年才开始在我国应用的，但它一经上市便显示出强大的生命力，以其独特的优点迅速占领市场并获得广泛应用。这种超大规模集成电路芯片称为“单片微处理器”，也叫单片机。单片机的出现，对于科学技术的各个领域都产生了巨大影响，同样引起仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以很容易地将计算机技术与测量控制技术有机的结合在一起，组成新一代的“智能仪器”[2]。

单片机最大特点是单片化[3]，体积大大减小、功耗和成本低、可靠性高、易扩展、控制功能强、易于开发。这决定了它在智能仪器的设计中很长时期还会获得形式多样、特点不同的广泛应用。它不仅用于智能仪器、电气设备、数据采集、自动控制及国防工业等技术领域，而且进入亿万家庭。各种普通家用电器中单片机的数量与日俱增。

单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS-51系列单片机[3]。发型之后在全国迅速得到广泛应用，但Intel公司已集中精力在CPU的生产上，并逐渐放弃了单片机的生产。ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。技术优势在于Flash存储器，公司将Flash与Intel公司的80C51核相结合，形成了Flash单片机AT89系列。由于其具有80C51的原有功能，内部还含有大容量的Flash存储器，又增加了新功能，因此在电子产品开发及智能化仪器仪表中有着广泛的应用，成为目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本论文所研究的系统中便使用的AT89系列的芯片[3]。

1.2 室内五人制足球比赛及发展现状

五人制足球是足球的一个变种。在五人制足球比赛中，每支球队只有5名队员上场比赛而不是11名。五人制足球比赛的方法具有很高的锻炼价值，同时其趣味性、灵活性的特点也能丰富业余文化生活、陶冶情操，五人制足球主要反映运动员所掌握，运用技术复杂，多姿多彩，战术多样，变幻莫测，攻守变换快，比赛起伏跌宕，精彩纷呈，胜负难以预料，经常出现戏剧性变化，这正是五人足球运动的魅力所在。

五人制足球与普通足球的其他不同包括五人制通常在室内比赛，比赛场地较小，使用较小的球门以及较小尺寸的足球，以及缩短了的比赛时间。总结起来，室内五人制足球比赛主要有三个不同之处：1.五人制足球比赛的时间为20分钟。2.五人制足球比赛中，足球出界需要停止时间表。3.五人制足球比赛需要累计两队各自的犯规总数，当半场满5次犯规时，有点球惩罚。

五人制足球出现在上世纪五六十年代的南美洲，自诞生之日起，五人制足球一直广受欢迎。1989年国际足联开始正式把五人制足球纳入管理范围之内，成为其主管团体。为了使五人制足球）更利于发挥运动员的能力，并且提高其比赛的观赏性，国际足联制定了一整套针对五人制足球运动的新规则。在国际足联与其成员的共同的努力下，五人制足球的相关知识和资源在越来越多的国家得到了传播。五人制足球与11人制足球一样有自己的世界杯和洲际杯，而且五人制足球将于2016年进入巴西奥运会，成为奥运会正式比赛项目。

室内五人制足球比赛的发展越来越趋于普遍化、大众化，很需要一个准确的有计分计时功能的设备，去帮助裁判更方便、更准确、更公平的判决比赛，从而有了本次的设计。

1.3 室内五人制足球比赛计分计时系统概述

基于室内五人制足球比赛的比赛规则，本设计使用了51单片机芯片STC89C51、显示数码管、74HC595芯片、蜂鸣器、开关以及若干电阻电容等完成了室内五人制足球比赛计分计时系统。

该计分计时系统有如下的功能：1.该系统有20分钟倒计时功能，随时可以暂停倒计时。2.该系统有记录双方比分以及各队总犯规次数的功能，在计数跟暂停的时候都可以记录比分跟犯规。3.该系统在倒计时结束有声音提示，可以随时发出提示声音。4.该系统有复位功能，可以循环使用。

第2章设计原理

2.1 STC89C51单片机

STC系列单片机[4]是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A\D、PWM等模块。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容。

2.1.1 主要功能、性能参数

1.内置标准51内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟；

2.工作频率范围：0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ；

3.STC89C5xRC对应Flash空间：4KB\8KB\15KB；

4.内部存储器（RAM）：512B；

5.定时器\计数器：3个16位；

6.通用异步通信口（UART）1个；

7.中断源：8个；

8.有ISP（在系统可编程）\IAP（在应用可编程），无需专用编程器\仿真器；

9.通用I\O口：32\36个；

10.工作电压：3.8~5.5V；

11.外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等

89C51单片机的引脚[5]功能说明

（1）VCC：电源电压

（2）GND：地

（3）P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，在访问期间激活内部上拉电阻。

（4）P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTE逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P 1.0/T2）和输入（P 1.1/T2EX ），参见表4-1。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表3-1 P1.0和P1.1的第二功能

（5）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

（6）P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（ILL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表4-2所示。

（7）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

表3-2 P3口的第二功能

（8）EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH ）。EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VCC 。

（9）XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

（10）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

（11）数据存储器：

89C51有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128。

字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但在物理上它们是分开的。

当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128字节。

RAM还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。

（12）中断：

89C51共有6个中断向量：两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0，1，2）和串行口中断。

（13）时钟振荡器：

89C51[6]中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-1（a）图所示。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3-1（b）图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

（a）内部振荡电路（b）外部振荡电路由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

2.1.2 单片机系统的相关电路

2.1.2.1 复位电路

单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST[7]，采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图

6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。

复位电路如图2-9所示。

图2-9 单片机复位电路

2.1.2.2 时钟发生电路

单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU 执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和2个电容即可，如图2-10所示。

图2-10 单片机时钟发生电路

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路[8]的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±10pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。

2.2 显示模块

显示模块采用了四位一体的数码管[9]、二位一体的数码管以及一位数码管，分别如图2-11、2-12以及2-13所示。

图2-11四位一体数码管显示模块

图2-12二位一体数码管显示模块

图2-13一位数码管显示模块

LED[10]是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器[13]即数码管是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。七段数码管由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。

2.2.1 四位数码管概述

四位数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。能显示4个数码管叫四位数码管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。其在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。本次所采用的的是共阳极（COM）的数码管。

2.2.2 原理图及引脚图

对于一位数码管对应的端名称及排列如下图所示

图2-14一位数码管引脚端名称

内部的工作原理即如下图所示。每个段其实就是一个发光二极管，导通即亮。下面的示例图都以共阳极数码管为例，共阴极数码管原理相同，只是二极管方向相反。

图2-15 共阳极数码管内部电路

二位数码管为两个一位的数码管段选并联而阴极（共阴数码管）或者阳极（共阳数码管），分别作为位选端。本次设计选择的二位一体共阳极数码管是