基于單片機(jī)的智能籃球記分器的設(shè)計(jì)*

胡文鋒，肖 飛，廖名洋，張玉富

（海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 儋州571737）

記分器不但在體育競(jìng)賽和電視演播現(xiàn)場(chǎng)具有很大的作用，而且在現(xiàn)代制造業(yè)中也有很重要的作用。現(xiàn)代電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，各類智能化產(chǎn)品相應(yīng)而出，智能記分器也不例外。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)就以數(shù)字電路為核心，采用單片機(jī)、無線遙控收發(fā)、高亮度的發(fā)光二極管等設(shè)計(jì)新型的智能記分器，其不但符合低功耗、節(jié)約能源的綠色環(huán)保理念，而且還減輕人工記分的負(fù)擔(dān)，推進(jìn)了智能記分器的發(fā)展與研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)分析

基于應(yīng)用MCS-51系列中的STC89C52芯片，設(shè)計(jì)出籃球記時(shí)、記分、記秒，聲音提示，無線遙控系統(tǒng)，同步監(jiān)視，使其能實(shí)現(xiàn)A/B兩隊(duì)比分的加減，準(zhǔn)確記錄比賽時(shí)間，進(jìn)攻24 s，記分裁判通過無線遙控器進(jìn)行加減分的同時(shí)在主控制臺(tái)同步監(jiān)視顯示屏上顯示比分的變化。其控制系統(tǒng)的模塊包含7 bit動(dòng)態(tài)顯示數(shù)碼記分模塊、4 bit動(dòng)態(tài)顯示數(shù)碼計(jì)時(shí)模塊、A/B兩隊(duì)加減分模塊、無線遙控模塊和聲音提示模塊。在系統(tǒng)硬件各個(gè)模塊和軟件的設(shè)計(jì)過程中，還要注意如何使得系統(tǒng)的抗干擾能力提高，設(shè)計(jì)出具有低功耗、可靠、快速、安全以及低成本、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的籃球記分器。此外還要能長(zhǎng)期支持軟件升級(jí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不僅要完全滿足智能籃球記分器的設(shè)計(jì)要求，還廣泛適用于各類學(xué)校體育館大型比賽[1]。

1.2 方案設(shè)計(jì)

(1)電源供電的選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的供電方式，通過變壓器降壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后給電路進(jìn)行供電。

若采用該方案，則需要多個(gè)電源同時(shí)供電才能滿足設(shè)計(jì)要求，還需要設(shè)計(jì)集成穩(wěn)壓電源電路，這樣的電路功耗大、成本較高、電壓不穩(wěn)定、維護(hù)不方便、體積龐大、效率低下。

方案二：采用開關(guān)電源，用220 V/350 W的開關(guān)電源不僅可以提供穩(wěn)定的工作電壓，而且該模塊已經(jīng)商品化、統(tǒng)一化、體積小和便于維護(hù)。

開關(guān)電源小型化、輕便化有利于籃球記分器的安裝。另外開關(guān)電源也在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境等方面都具有重要的意義。

經(jīng)綜合對(duì)比分析，采用方案二更為合理。

(2)顯示方式的選擇

方案一：采用靜態(tài)掃描方式。采用靜態(tài)顯示方式控制點(diǎn)亮數(shù)碼管，各數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮，每位數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃數(shù)據(jù)由單片機(jī)I/O口送給鎖存芯片保持?jǐn)?shù)據(jù)。

靜態(tài)掃描顯示原理比較簡(jiǎn)單、編程容易，顯示清晰，亮度較高，但要求占用很多接口線并增用不少硬件芯片，成本較高，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，而且功耗巨大。

方案二：采用動(dòng)態(tài)掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，段、位數(shù)據(jù)從I/O口到顯示模塊以并行方式傳輸；對(duì)于每段數(shù)碼（a～f）各位的同一數(shù)碼段（比如：a段）共用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)給出數(shù)據(jù)段選通信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)也給出位選信號(hào)，這樣每時(shí)每刻就只有一個(gè)數(shù)據(jù)段信號(hào)和一個(gè)位數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)確定哪位亮并立即顯示出該數(shù)碼。每位的位、段數(shù)據(jù)保持一定時(shí)間(極為短暫約 1 ms)，然后再顯示下一個(gè)數(shù)碼位的段信息；依次掃描每一個(gè)數(shù)碼位（共10 bit），只要一個(gè)掃描周期的時(shí)間比人眼10 ms的滯留時(shí)間短，再加上LED的余輝，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍現(xiàn)象。而且只要保證電源的容量能點(diǎn)亮最大功率的LED數(shù)碼管和廣播即可，這樣就可以節(jié)約巨大的電源容量(約是靜態(tài)功率的6/7)[3，4]。

因此，選用動(dòng)態(tài)掃描方式。

(3)接發(fā)收模塊的選擇

方案一：采用紅外線傳輸方式。主控制臺(tái)將特定的信號(hào)編碼，然后透過紅外線通信技術(shù)將編碼送出，而設(shè)置在顯示屏上的紅外線接收器收到編碼之后，將其進(jìn)行譯碼而得到原來的信號(hào)。

紅外線是一種低成本、高速的無線傳輸形式，但是其缺點(diǎn)是紅外線傳輸極易受到墻壁的阻礙。如果傳輸?shù)穆吠局袥]有任何障礙物，則數(shù)據(jù)的傳輸相當(dāng)快速且高效，但紅外線不能穿透墻壁或是大型物體，所以，在數(shù)據(jù)收發(fā)的兩端必須相互對(duì)準(zhǔn)（即可以看見對(duì)方）才能進(jìn)行通信，而體育館有那么多觀賽人，非常不利，而且容易受到下雨、下雪或是霧氣的干擾。

方案二：采用無線數(shù)據(jù)傳輸。早期的發(fā)射機(jī)較多使用LC振蕩器，頻率漂移較為嚴(yán)重。聲表器件的出現(xiàn)解決了這一問題，其頻率穩(wěn)定性與晶振大體相同，而其基頻可達(dá)幾百兆甚至上千兆赫茲。無需倍頻，與晶振相比電路極其簡(jiǎn)單。由于使用了聲表器件，電路工作非常穩(wěn)定，即使手抓天線、聲表或電路其他部位，發(fā)射頻率均不會(huì)漂移。

選用PT2262/2272芯片[2]，通過編解碼芯片 PT2262、PT2272組成無線收發(fā)電路。由于該電路具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低、外部元器件少，RC振蕩電阻，工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，選用PT2262-M6非鎖存加315M無線模塊輸出。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制臺(tái)主板

如圖1所示，主控臺(tái)電路基于單片機(jī)STC80C52為控制核心，單片機(jī)P1.0～P1.3口作為籃球記分器監(jiān)視器的位控制口，將控制信號(hào)通過74LS154譯碼器連接數(shù)碼顯示管，將單片機(jī)輸出的編碼進(jìn)行4-16譯碼，從而控制數(shù)碼顯示管顯示位；P1.4～P1.7口連接至發(fā)射模塊（PT2262）芯片，將鍵盤輸入的信息通過單片機(jī)傳輸?shù)?262數(shù)據(jù)位中進(jìn)行編碼；P0口作為鍵盤端口，將鍵盤矩陣的信息輸入至單片機(jī)處理。P2.0～P2.6為段數(shù)據(jù)口；I/O連接至74LS245，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。通過74LS245用來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。

圖1 主控臺(tái)的電路框圖

2.2 顯示屏主板

顯示屏主板控制電路框圖如圖2所示，以單片機(jī)STC89C52為控制核心，P0.0～P0.3口連接至 PT2272解碼芯片的輸出口，將無線傳輸過來的信息經(jīng)過PT2272解碼后輸入至顯示屏中的控制單片機(jī)。P1.0～P1.3口作為籃球記分器位顯示控制口，將控制信號(hào)通過74LS154譯碼器譯碼選擇位選。

圖2 顯示器控制電路框圖

2.3 鍵盤模塊

鍵盤是信息的輸入窗口，基于STC80C51單片機(jī)，采用矩陣鍵盤，采用4條I/O線作為行線，3條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個(gè)數(shù)就為3×4個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率。通過軟件編程可以消除鍵抖動(dòng)，從而達(dá)到更好的信息輸入的作用。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)顯示器模塊的功率計(jì)算選擇如下(按共陰極，24 V供電)：

P=U×I；

Pmax=200個(gè)×2 V×10 mA×7段=28 W；

故Imax=1.167 A；

位：采用電壓控制的場(chǎng)效應(yīng)管IRF840做為位選主驅(qū)動(dòng)，這樣在單片機(jī)輸出2.3 V以上電壓即可滿足電流、且單片機(jī)的電流很小（nA級(jí)）、保護(hù)單片機(jī)的要求；

段：I=Imax/7=166.7 mA，所以選擇PNP型三極管8550即可完成任務(wù)。

2.5 主屏幕

以LED為基本單元，根據(jù)電源電壓和不同顏色LED的耐壓值，進(jìn)行串并聯(lián)（每串的LED數(shù)目要嚴(yán)格統(tǒng)一，不然會(huì)引起數(shù)碼條顏色不均的現(xiàn)象）。

注意：不同批次的LED燈會(huì)有不同的端電壓、電流和發(fā)光顏色，因此盡量選擇同一批次高質(zhì)量的超高亮LED做為基材，可能的話先買部分LED做實(shí)驗(yàn)，效果不錯(cuò)再批量購(gòu)買。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1.主控制臺(tái)

主控制臺(tái)提供給場(chǎng)地記分裁判使用，作為顯示屏的同步監(jiān)視器，當(dāng)接通電源，時(shí)間顯示的7位共陰極的數(shù)碼管顯示“00 00 00”時(shí)，按下 12 min一鍵置位，即可以顯示“12 00 24 00 00”表示第一節(jié) 12 min以及 24 s倒計(jì)時(shí)準(zhǔn)備開始；按計(jì)時(shí)鍵時(shí)，時(shí)間開始倒計(jì)時(shí)，比賽開始并同時(shí)響鈴。

記分顯示：要給A隊(duì)或者B隊(duì)加分，分別按下不同的記分鍵+1、-1鍵；當(dāng)比賽出現(xiàn)暫定，比賽時(shí)間與24 s倒計(jì)時(shí)同時(shí)暫停并同時(shí)響鈴提示。比賽結(jié)束時(shí)，響鈴提示。進(jìn)入第二節(jié)比賽、第三節(jié)比賽、第四節(jié)比賽與此類似。

主控制臺(tái)同時(shí)將信息通過無線傳輸?shù)斤@示屏上，顯示屏的信息與主控制臺(tái)信息保持實(shí)時(shí)同步。

3.2 顯示屏

顯示屏是提供給觀眾及球員觀看的大顯示屏幕，它與主控制臺(tái)同步播放比賽戰(zhàn)況。

當(dāng)接通電源，顯示屏顯示與主控制臺(tái)一樣。顯示屏通過接收無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，將信息通過單片機(jī)等控制同步顯示給觀眾及球員。

本次設(shè)計(jì)是基于STC80C51單片機(jī)開發(fā)的新型智能籃球記分器，采用指令冗余和按鍵延時(shí)去抖，并添加屏蔽層等抗干擾措施以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。還應(yīng)用開關(guān)電源作為電源供電，使得系統(tǒng)工作電壓更穩(wěn)定。在主控制臺(tái)使用同步監(jiān)視器，不僅提高操作效率，而且提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性。采用動(dòng)態(tài)掃描的方式相對(duì)于傳統(tǒng)的鎖存提高了速度，通過快速掃描方式對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)刷新。因而系統(tǒng)的快速性得到了明顯的提高。

基于STC80C51單片機(jī)開發(fā)出來的新型智能籃球記分器，實(shí)現(xiàn)了智能化、簡(jiǎn)單化，能夠正常完成各項(xiàng)指令操作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)軟件升級(jí)。它擁有美觀的記分顯示，人性化的設(shè)計(jì)，更增加了低功耗綠色環(huán)保理念。另一方面，如采用主控同步監(jiān)視、應(yīng)用開關(guān)電源、采用動(dòng)態(tài)掃描方式等創(chuàng)新思路，使得籃球記分器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上得到了明顯的提高。

[1]胡建明.MCS-51單片機(jī)籃球計(jì)分器的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)咨詢，2009(11)：40，44.

[2]徐瑋.51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)-無線遙控模塊的應(yīng)用[J].電子制作，2008，16(6)：29-32.

[3]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.