基于智能短跑计时器的设计与实现.docx
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基于智能短跑计时器的设计与实现
毕业设计论文
基于智能短跑计时器的设计与实现
摘要:
随着人们精神生活水平的不断提高,全民健身运动的开展,在运动场上,短跑项目中传统的手工计时往往难以知足要求,裁判要求较高,人为因素大,精度低,大量数据的保留查阅方面等都有专门大的困难。
而智能短跑计时器是体育信息化的重要设备,它实现了田径短跑竞赛计时的自动化和智能化,使计时更方便、更精准、更高效。
本文要紧介绍了利用AT89S51单片机实现智能短跑计时器的硬件设计和软件设计,详细介绍了计时器系统的监测设备的硬件设计和利用中断、中断扩展和按时器等软件技术实现智能计时的功能,和智能短跑计时器的利用方式和注意事项。
关键词:
AT89S51单片机中断按时器
sprinttimerdasedonintelligentdesign
Abstract:
Inrecentyears,China'ssportstoflourish.WiththelaunchingoftheNationalFitnessCampaign,insportsthetraditionalmanualtestingtimeisoftendifficulttomeettheBirequirements,refereesarehigher,andpeopleofthegreatandinput,lowprecisionandlargeamountsofdatastoredontheaccessdifficulties.WiththeconstantdevelopmentofelectronicinformationindustryinallwalksoflifeintheSCMiswidelyused,microcontrollertechnologycontinuestomaturetechnologytoenableautomatictimeSprintapplicationinreality.UsedintheSprintwithelectronictimingmethodsimpartial,accurate,fastandefficientotherfeatures.Smartsprinttimeristhesportsinformationoftheimportantimplementsautomatictimetrackandfieldsprintraceandintelligence,trackandfieldsprintraceovertheyearstosolvethedifficultproblemofartificialtime,sotimingismoresimple,moreconvenient,moreaccurateandmoreefficient.Inthispaper,89S51microcontrollerdesignusingsmartsprinttimerhardwaredesignandsoftwaredesign,detailsofthetimersystemofmonitoringequipmenthardwaredesignanduseofinterrupts,interruptexpansionandtimerfunctionoftimersoftwaretechnology,andSmartDashtimeruseandprecautions.
keywords:
microcontrollerinterrupttimerhardwaredesign
前言
前言
在电子技术飞速进展的今天,电子产品的人性化和智能化已经超级成熟,其进展前景仍然不可估量。
现在的人们需求的是一种能给自己带来方便的电子产品,固然最好是人性化和智能化的,如何能做到智能化呢?
单片机的引入确实是一个专门好的例子。
单片机又称单片微型运算机,也称为微操纵器,是微型运算机的一个重要分支,单片机是20世纪70年代中期进展起来的一种大规模集成电路芯片,是集CPU,RAM,ROM,I/O接口和中断系统于同一硅片上的器件。
单片机的诞生标志着运算机正式形成了运算机系统和嵌入式运算机系统两个分支。
尤其是美国Intel公司的MCS-51系列单片机,由于其具有集成度高,处置功能强,靠得住性高,系统结构简单,价钱低廉,易于利用等特点,在工业操纵,智能仪器仪表,办公室自动化,家用电器等诸多领域取得普遍的应用。
美国ATMEL公司推出的AT89S5x系列活着界的8位单片机市场中占有较大的份额,是替代MCS-51系列单片机的要紧机型。
该系列中的AT89S51单片机是目前与MCS-51单片机兼容的最具典型性、代表性的机种,同时也是各类增强型、扩展型等衍生的基础。
最近几年来,随着人们生活水平的提高,社会经济的进展,人们开始考虑精神生活的享受,并开始注重躯体素养的提高。
随着全民健身运动的深切,田径运动已慢慢融入到现代人们的生活中。
目前,各类群众竞技性运动会的计时依旧停留在传统的人工秒表时期。
人工秒表由于受到计时操作人员的反映不同和实践体会等主客观因素的阻碍,测量精度和一致性都无法保证。
而随着现代电子技术的普遍应用,电子计时仪已开始应用于田径竞赛中,必然程度上提高了工作效率和计时的准确性。
但是,关于一样竞赛组织单位而言,电动计时系统价钱过于昂贵,从而严峻制约了它的推行利用。
针对以上实际情形,本人利用单片机设计了一套新型的短跑计时系统。
它不仅能精准计时,准确地分辩各跑道运动员的竞赛成绩,并能在运动员冲过终点时记录该运动员的竞赛成绩,实时性、精准性优于人工秒表。
现场监测装置由激光发射器和激光同意器组成,每一个赛道上的起点和终点均安置一现场监测装置,的现场监测装置负责监视参赛者是不是抢跑,终点线上的现场监测装置负责向操纵台发送该参赛者成绩的信号。
最后还介绍了智能短跑计时器的利用方式和注意事项。
另外,该装置还具有一致性好,利用便利,价钱低廉等优势。
第1章绪论
课题背景
单片微运算机子20世纪70年代问世以来,已对人类社会产生了庞大的阻碍。
尤其是美国Intel公司的MCS-51系列单片机,由于其具有集成度高,处置功能强,靠得住性高,系统结构简单,价钱低廉,易于利用等特点,在工业操纵,智能仪器仪表,办公室自动化,家用电器等诸多领域取得普遍的应用。
美国ATMEL公司推出的AT89S5x系列活着界的8位单片机市场中占有较大的份额,是替代MCS-51系列单片机的要紧机型。
该系列中的AT89S51单片机是目前与MCS-51单片机兼容的最具典型性、代表性的机种,同时也是各类增强型、扩展型等衍生的基础。
单片机已在广漠的运算机应用领域中表现得淋漓尽致。
从家用消费类电器到复印机、打印机、扫描仪、机等办公自动化产品;从智能仪表、工业测控装置到CT、MRI、γ刀等医疗设备;从数码相机、摄录一体机到航天技术、导航设备、现代军事装备;从形形色色的电子货币如卡、水电气卡到身份识别卡、门禁操纵卡、档案治理卡及相关读/写卡机等等都有单片机在里面扮演重要角色。
因此,单片机已成为电子类工作者必需把握的专业技术之一。
单片机的显现给电子技术智能化和微型化起到了专门大的推动作用。
本文要紧介绍了利用89S51单片机实现智能短跑计时器的硬件设计和软件设计,详细介绍了计时器系统的监测设备的硬件设计和利用中断、中断扩展和按时器等软件技术实现智能计时的功能,现场监测装置由激光发射器和激光同意器组成,每一个赛道上的起点和终点均安置一现场监测装置,起跑线上的现场监测装置负责监视参赛者是不是抢跑,终点线上的现场监测装置负责向操纵台发送该参赛者成绩的信号。
最后还介绍了智能短跑计时器的利用方式和注意事项。
设计简介
短跑规那么规定每位选手必需采纳蹲踞式起跑及利用起跑器。
在枪响之前发令员要发“预备”及“各就位”口令让参赛者完成有关预备动作。
在枪声响起前参赛者有任何起跑动作,属起跑犯规。
目前短跑采取的是“一次抢跑”起跑原那么,每次短跑比赛中只许诺发生一次抢跑事件,第一次抢跑的运动员将可不能受处惩罚,而第二次抢跑的运动员那么将被罚出场,即便第一次抢跑的不是他。
关于短跑赛道规那么要求整个进程中参赛者不得越出其指定之赛道。
依照要求,以AT89C51单片机为核心设计短跑计时器。
系统由现场监测装置,操纵信号装置,操纵台等部份组成。
现场监测装置由激光发射器和激光同意器组成,每一个赛道上的起点和终点均安置一现场监测装置,起跑线上的现场监测装置负责监视参赛者是不是抢跑,终点线上的现场监测装置负责向操纵台发送该参赛者成绩的信号。
操纵信号装置有信号灯和语音设备组成,起跑线上的每一个赛道上均设置红、绿、黄三信号灯和语音设置,以便使每位参赛者都能公平一致的取得发令信号。
显示装置负责显示竞赛已进行时刻和竞赛终止后显示每一个赛道上参赛者的成绩和抢跑的赛道。
操纵台上配有有一系列按键,由操作人员操纵。
当系统开启后系统处于就绪状态,赛道上只有红色信号灯亮,显示器状态位显示“AA”等待发令人员在操纵台按键发令。
第一轮当操作人员按“命令”按键时显示状态位器显示“BB”,起跑线上的语音设备都发出“嘀嘀嘀”三声。
假设有人抢跑那么切换到第二轮,假设无人抢跑再按“命令”按键信号灯切换成黄色信号灯亮,显示器状态位显示“CC”,语音装置发出“嘀嘀”两声。
第一轮按第二次“命令”键后,假设有人抢跑那么进入第二轮,假设无人抢跑操作人员再按“命令”按键,信号灯切换成绿色信号灯,同时语音装置发出“嘀”一声,显示器状态位显示已用的时刻,参赛者跑到终点时终点监测装置向系统发出记录成绩的信号,系统把该赛道上的参赛者成绩贮存下来。
该轮竞赛终止后操作员按“显示结果”按键,信号灯变成红色,并显示第一道状态和结果,按“UP”显示上一赛道状态和结果,假设当前是第一赛道那么显示第8赛道状态和结果,按“DOWN”时显示下一赛道状态和成绩,假设当前是第八赛道那么显示第一赛道状态和结果。
假设第一轮中有人抢跑,那么信号灯切换成红色信号灯,显示器状态位显示“AA”,操作人员再按“命令”键那么别离依次是“各就位”、“预备”“起跑”,其情景和第一次相同。
假设第二轮还有人抢跑那么起点监测装置向系统发该赛道参赛者抢跑的信号,系统记录该赛道状态位为“E”。
假设最终显示成绩时,某道的状态为“E”,那么说明该赛道参赛者抢跑,假设某道状态为“A”、时刻为0,那么表示该赛道缺跑,某道的状态为“A”时刻不为0,那么说明该赛道参赛者成绩有效。
本次设计注重对单片机工作原理和键盘操纵及显示原理的明白得,以便尔后自己在单片机领域的学习和开发打下基础,提高自己的动手能力和设计能力,培育创新能力,丰硕自己的理论知识,做到理论和实践相结合。
本次设计的重要意义还在于对单片机的内部结构和工作状态做更进一步的了解,同时还对单片机的接口技术,中断技术,按时/计数器技术,存储方式和操纵方式作更深层次的了解。
这次设计更进一步了解大体电路的设计流程,提高自己的设计理念,丰硕自己的理论知识,巩固所学知识,使自己的动手动脑能力有更进一步提高,为自己尔后的学习和工作打好基础,为自己的专业技术打好基础。
2系统设计方案
系统设计方案的提出
本设计是基于89S51单片机的的键盘操纵、显示电路、和监测装置等方面设计。
从系统的设计功能上看,系统可分为三大部份,即监测部份、键盘输入操纵部份和显示部份,其中监测部份是重点。
而且该系统对实时性和精准度要求专门高。
针对每一个部份都有不同的设计方案,起初我拟定了下面几种方案:
方案一
现场监测装置利用条形码识别技术,通过无线电技术和系统传送信息,在每一名参赛者的运动服上贴一张条形码,只需在起跑线和终点线别离放置一激光扫描枪,当扫描到条形码时,监测装置通过无线电把扫描到的信息传送给系统,系统收到后能够识别参赛者的身份信息,并能够进行一些操纵。
键盘操纵采纳矩阵扫描键盘,能够用一般按键组成4×4矩阵键盘,直接接到89S51单片机的P0口,高四位作为行,低四位作为列,通过软件完成键盘的扫描和定位。
显示部份采纳动态显示,采纳移位寄放器74LS164和译码器74LS138通过显示驱动程序驱动七段数码管显示。
此方案单片机的I/O口占用较少,能够节约单片机接口资源,理论上实现简单,能够扩展适用范围,能够应用到长跑,无人数限制,利用方便。
但实时性不行,激光枪扫到条形码后要进行处置,把信息发送给系统后系统还需处置,技术要求高,精度要求高,抗干扰能力差,靠得住性不行,在运动员穿过的刹时扫描枪可能无法扫描到运动员身上的条形码。
另外周密条形码扫描技术本钱高,难以实现。
方案二
由于激光具有相干性好、方向性强、发散角小、亮度高等特点,故每一个监测装置用一对激光发射/接收器来实现,起跑线和终点线的每一个赛道上都安装一个监测装置,当无人通过监测装置时监测装置输出高电平给系统,当运动员通过检测装置时,监测装置发送低电平给系统,监测装置与单片机相连采纳“矩阵式键盘扫描技术”能够将监测装置的输出口接成组成4×4矩阵式,直接接到89S51单片机的P0口,高四位作为行,低四位作为列,通过软件完成监测装置的扫描和定位以确信赛道。
键盘操纵采纳独立式键盘,每一个按键的"接零端"均接地,每一个按键的"测试端"各接一条输入线,通过检测输入线的电平状态就能够够很容易地判定哪个键被按下了,这种方式操作速度高而且软件结构很简单。
这种方式比较适合按键较少或操作速度较高的场合。
显示部份采纳静态显示方式,所谓静态显示,确实是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的接口用于笔画段字形代码。
如此单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路,就不用管它了,直到要显示新的数据时,再发送新的字形码。
利用这种方式能够适合每一轮参赛人数较多的场合,外界干扰对系统的阻碍小,但系统对监测装置的扫描定位阻碍系统的实时性,故该系统的精准度不高,而且占用单片机大量的I/O接口,浪费单片机接口资源。
方案三
该方案是对第二种方案的改良,现场监测装置的硬件设计采纳第二种方案的激光发射/接收器装置,起跑线和终点线的每一个赛道上仍都安装一个监测装置,但每一个监测装置的输出口加了一个非门作为输出。
与单片机相连时单片机的P0口和,、口连接到8位串行口接收端RXD后与单片机的、口相连,采纳外部中断源的扩展方式利用中断技术进行监测装置的定位,然后进行起点抢跑或终点计时处置。
键盘操纵仍采纳独立式键盘,每一个按键的“接零端”均接地,每一个按键的“测试端”各接一条输入线,通过检测输入线的电平状态就能够够很容易地判定哪个键被按下了。
显示装置采纳第一种方案中的动态显示,采纳移位寄放器4094显示驱动程序驱动七段数码管显示。
该方案设计的系统每轮最多许诺8名运动员同时跑,而且占用单片机I/O口较多,但该方案的实时性好,靠得住性好,易于实现,而且一样的田径跑道几乎最多只能同时容纳8人,该方案能知足大多数场合田径短跑竞赛计时要求。
方案的确信
好的设计方案能使事半功倍,能以最低的本钱知足系统功能和性能上的要求。
不行的设计方案可能本钱高,最致命的是功能和性能无法知足系统的要求,致使系统无法正常工作。
因此确信好的设计方案是顺利完成系统设计的前提。
本设计对系统的实时性和靠得住性要求较高,在很短的时刻内可能有多个人几乎同时抵达终点,因此系统的精准度必需很高才能测出微小的差距,若是靠得住性和实时性不够高也可能造成系统无法在很短的时刻内处置多个记录,造成部份人的成绩丢失。
因此,实时性和靠得住性的阻碍对该系统是致命的。
由于本次设计只是对所学知识的一次实践,设计要求简单,容易实现,本钱低。
比较以上三种设计方案,第一种方案理论上超级完美,占用I/O口少,节约单片机接口资源,理论上无空间限制、无人数限制,能够扩展适用范围,能够应用到长跑,利用方便等优势但凭现有水平实现起来超级困难,而且抗干扰能力差,实时性和靠得住性很难保证。
第二种方案抗干扰性,靠得住性和实时性都优于第一种方案,但各类性能还不能知足计时系统的要求。
第三种尽管功能上不如前两种方案,但能知足大多数情形下的利用要求,在性能上,实时性、靠得住性较好、精准度等很多指标都远远优于前两种方案,而且容易实现,本钱也较低。
综上,因此第三种设计方案比较适合本次设计,应选择第三种方案作为本次设计的方案。
3系统硬件设计
硬件的设计应考虑到软件的可实现性,只有软硬件达到最好的结合才能显示出系统的优越性,因此软硬件设计要想结合。
依照设计任务与要求,可初步将系统分为五大功能模块:
主电路模块、监测装置电路模块,信号电路模块、控制台电路模块和5V稳压电源模块。
进一步细说,主电路选用AT89S51作为中央处置器;监测装置电路用一对激光发射/接收器组成;操纵电路由“发令键”、“成绩查询键”UP“键”、“DOWN”键、“复位”键,5个按键组成;信号电路由蜂鸣器、信号灯、显示器组成,显示器由七个数码管和4094移位寄放器组成;音响电路用蜂鸣器;稳压电路把电源电压稳固在5V。
系统整体的模块图如图3所示。
图3系统整体模块图
主电路设计
主电路是整个系统的核心部份,以89S51单片机为中央处置器。
主电路模块包括现场监测模块、信号模块、操纵模块,复位模块和晶振电路模块等几部份组成。
现场监测模块接P0口、和。
监测装置与系统连接采纳外部中断源扩展的连接方式,每一个赛道的起点和终点都安装监测装置,同一赛道起点和终点的两个监测装置通过爱惜电阻连接到单片机P0口上的同一接口上,然后P0口通过8位串行口接收端RXD连接到外部中断接口和上。
信号模块接P1口、P2口的、、和P3口的。
P1口连接信号模块的显示器,其中、连接道号状态显示器,、连接分显示器,、连接秒显示器,、连接毫秒显示器。
P2口中,、、口连接信号模块的红色信号灯、黄色信号灯和绿色信号,其中连接红灯,连接黄灯,连接绿灯。
连接蜂鸣器。
操纵模块由、、、、和RST五个接口连接。
其中,接“发令”按键,连接“显示成绩”按键,连接”UP”按键,连接“DOWN”按键。
操纵台电路设计
操纵台由“复位”按键电路、“命令”按键电路、“查看结果”按键电路、“UP”按键电路和“DOWN”按键电路组成。
操纵模块由、、、、和RST五个接口连接。
接“发令”键,连接“显示成绩”键,连接”UP”键,连接“DOWN”键。
复位电路连接+V电源、地线,通过电容、电阻、和按键接在单片机的VCC、RST、VSS三接口上。
复位电路是连接电源和单片机的通道,负责向系统提供电源和复位。
其功能是复位到系统初始化状态,而且其功能的实现是通过硬件电路来实现的。
图3-2是操纵台电路的电路连接、信号灯电路的连接和音响设备电路的连接的原理图。
信号装置设计
信号电路由显示器,信号灯、音响设备组成。
显示装置用的设计采纳移位寄放器4094与数码杆连接的方式。
其中,道号状态显示器由两个4094移位寄放器和两位数码管组成,接在、两个接口;分显示器也由两个4094移位寄放器和两位数码管组成,接在、两个接口;秒显示器由两个4094移位寄放器和两位数码管组成,接在、两个接口上;毫秒显示器由三个4094移位寄放器和三位数码管组成,接在、两个接口。
其连接原理图见图3-3。
信号灯由红色信号灯、黄色信号灯、绿色信号灯组成。
其中接红色信号灯、接黄色信号灯、接绿色信号灯。
音响设备利用驱动电路连接蜂鸣器,用单片机的接口连接蜂鸣器的驱动设备。
信号灯和音响设备电路的连接见图3-2。
图3-2操纵台电路原理图
图3-3显示器电路原理图
监测装置设计
由于激光具有相干性好、方向性强、发散角小、亮度高等特点,故每一个监测装置用一对激光发射/接收器来实现。
激光发射器放置在赛道的一侧,激光接收器安置在赛道对应的另一侧,使激光发射器发射的激光束恰好射到激光接收装置的感应器上。
当系统启动后,无人通过监测装置时激光发射器发射的激光直接照射到激光接收器的感应器件上,现在激光接收装置输出一个高电平给系统。
当运动员通过现场监测装置时,激光发射器到激光束接收器间的激光束被运动员的躯体遮挡住,现在激光接收装置的感应器上无法接收到激光的照射,故现在激光接收装置输出低电平给系统。
监测装置激光发射器
激光发射器是现场监测装置的组成部份,负责产生激光信号并发送给激光接收装置。
图3-2-1是激光发射器装置的电路原理图。
该装置由PIC12C508A芯片、9014三极管、和激光发射管等器件连接组成,在+5V的电压下,激光发射管LD发射出激光束。
图3-4-1激光发射器电路原理图
监测装置接收转换器
激光接收器是现场监测装置的重要组成部份,负责监视激光发射器和自己之间的激光路是不是畅通,并对检测到的信息进行处置,并发送给系统。
假设有物体遮挡激光发射器和激光接收器之之间的激光路,那么输出低电平表示有人通过,假设激光路畅通那么输出高电平表示无运动员通过。
激光接收器的电路原理图如图3-4-2所示。
图中的IRM8881V可对接收到的激光信号进行放大,并具有解调功能,而锁相环那么起译码作用。
将锁相环的压控振荡频率调到由软件确信的编码频率,那么当接收器接收到激光器发射的编码调制信号并经接收器放大、解调译码后,在LM567的8端输出一个低电平信号,那么在PNP晶体管的集电极输出一个高电平,从而完成对发射信号的接收和把监测到的信号通过OUT发送给系统的任务。
与单片机连接时,只需把OUT与单片机的相关接口直接相连即可。
图3-4-2激光接收器的电路原理图
监测装置与系统的连接
设计好系统监测装置后的任务确实是把现场监测装置和单片机连接起来该系统有8个赛道,每一个赛道上的起点和终点都要安置现场监测装置,起点的装置负责监视运动员是不是抢跑,终点上的监测装置负责监测运动员是不是抵达终点。
但为了节省I/O接口,能够把同一赛道上的两个监测装置的输出端连接到单片机的同一接口,能够用软件来实现它们的功能。
8个赛道上的监测装置与单片机上对应8个接口连接后,监测装置就能够够把检测到的信息传送到单片机。
然后采纳外部中断源扩展方式把8个接口和一个8位串行口接收端RXD连接起来连接到单片机两外部中断接口上。
如此当监测器向系统发送消息后,系统就能够够分辨出是哪个接口接收到的信号,即能够分辨出是哪个赛道上的运动员。
图3-2-3是监测装置与系统连接的示用意。
如图监测装置与系统连接可采纳外部中断源扩展的连接方式,每一个赛道的起点和终点都安装监测装置,同一赛道起点和终点的两个监测装置通过爱惜电阻连接到单片机P0口上的同一接口上,然后P0口通过8位串行口接收端RXD连接到外部中断接口和上。
图3-4-3监测装置连接电路原理图
4系统软件实现
系统软件模块分为:
主程序模块,抢跑中断1处置模块,计时中断0处置模块,成绩查询模块
主程序设计
在硬件连接中,P0口和现场监测装置相连并与、相连。
连接红灯,连接黄灯,连接绿灯。
连接“发令”键,连接“显示成绩”键,,连接”UP”键,连接“DOWN”键。
、连接道号状态显示器,、连接分显示器,、连接秒显示器,、连接毫秒显示器。
连接蜂鸣器。
存储单元顶用,30H—37H单元依次寄存1—8赛道的道号和状态,38H—3FH存储1—8赛道历时的分钟数,40H—47H存储1—8赛道历时的数钟,48H—4FH存储1—8赛道历时的毫秒数。
用51H存储开跑以来时刻的分钟数,52H存储秒数,53H存储毫秒数。
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