3寸數(shù)碼管記分牌的設(shè)計(jì)

李生明,楊 紅

(清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 清遠(yuǎn) 511510)

記分牌是體育比賽中常見常用的體育用品,在比賽中,計(jì)時(shí)記分牌是必不可少的,隨著比賽規(guī)則的進(jìn)一步完善,相應(yīng)的計(jì)時(shí)記分牌也必須隨之改進(jìn)。由于紙質(zhì)記分牌顯示內(nèi)容極少,觀眾視角范圍小,故設(shè)計(jì)了一種可用12V儲(chǔ)電池和220V交流電的電子記分牌。本設(shè)計(jì)用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了最新的籃球比賽計(jì)時(shí)記分系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),不僅具有軟件設(shè)定比賽總時(shí)間并實(shí)現(xiàn)總時(shí)間的倒計(jì)時(shí)以適應(yīng)最新的比賽規(guī)則,而且實(shí)現(xiàn)了比賽雙方的記分功能。該系統(tǒng)采用按鍵操作與紅外遙控復(fù)用、3寸大數(shù)碼管顯示,分別對(duì)軟件和硬件進(jìn)行調(diào)試,最終達(dá)到了軟件和硬件的良好結(jié)合。該設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì),程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,任務(wù)明確,易于編寫、調(diào)試和修改。

1 總體方案的選擇及原理設(shè)計(jì)

選擇STC89C52單片機(jī)作為控制器;兩隊(duì)分?jǐn)?shù)顯示部分由6只3寸高亮紅色共陽數(shù)碼管組成,時(shí)間部分由4只3寸高亮紅色共陽數(shù)碼管組成,由單片機(jī)控制數(shù)碼管專用芯片M AX7219,通過MAX 7219控制74LS07的輸出電平驅(qū)動(dòng)各數(shù)碼管的位選、控制ULN2803輸出數(shù)碼管的段選信號(hào);遙控接收使用紅外接收頭1838,該接收頭是一個(gè)三端元件,只占 1根 I/O口;用單片機(jī) P0.0口輸出1kH z和 500H z的音頻信號(hào)給音頻放大芯片LM 386驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,作為時(shí)間終了時(shí)的提示音。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種電源供方式,一種是交流電由變壓器降壓,經(jīng)過整流,濾波后,再由三端穩(wěn)壓器輸出電壓給系統(tǒng);另一種是可用12V的儲(chǔ)電池供電。原理設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。[1]

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 控制器電路

圖1 原理設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。通過控制數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路在大尺寸數(shù)碼管上顯示記分、計(jì)時(shí)等信息,以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制;通過單片編程獲取紅外遙控及按鈕輸入信息,實(shí)現(xiàn)兩隊(duì)分?jǐn)?shù)加減分和倒計(jì)時(shí)等。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活、自由度大,可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制,并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。原理圖如圖2所示。

圖2 控制器電路

2.1.2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

圖3 大尺寸數(shù)碼管的字段組成

圖3是3寸共陽高亮紅色數(shù)碼管各字段的組成。A～G 7個(gè)段都是由8只發(fā)光二極管串并聯(lián)而成;DP是小數(shù)點(diǎn),由2只發(fā)光二極管串聯(lián)而成。單個(gè)發(fā)光二極管的極限和光電參數(shù)如表1所示。[2]

表1 大尺寸數(shù)碼管單個(gè)發(fā)光二極管的參數(shù)

數(shù)碼管的A～G字段的導(dǎo)通電壓為7.2～8V,如何驅(qū)動(dòng)大數(shù)碼管也成為本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路,動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)利用人眼視覺暫留的特性,分時(shí)進(jìn)行LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng),人眼感受的是有效亮度的平均值。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)芯片少,電路簡(jiǎn)單,成本低。擴(kuò)充電壓、電流的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

74LS07是6同相電平轉(zhuǎn)換電路,輸出級(jí)是集電極開路的晶體管,耐壓30 V,驅(qū)動(dòng)電流30 mA,在單片機(jī)串口電平控制下驅(qū)動(dòng)10個(gè)PNP達(dá)林頓功率管TIPl27,實(shí)現(xiàn)6只共陽數(shù)碼管的位驅(qū)動(dòng)。ULN2803是8位NPN達(dá)林頓陣列,耐壓50 V,驅(qū)動(dòng)電流500 mA,R2～R9是大尺寸數(shù)碼管A～G字段的限流電阻,電阻值和功率根據(jù)以下因素計(jì)算:[3]

◆大尺寸數(shù)碼管的供電電壓,各段的導(dǎo)通電壓;

◆TIPl27和ULN2803的導(dǎo)通壓降;

◆組成大尺寸數(shù)碼管的單個(gè)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流。

本設(shè)計(jì)中,單個(gè)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流為45 mA,供電電壓12 V,限流電阻選用30Ω,0.5W規(guī)格。

本電路占用單片機(jī)的I/O口較多,單片機(jī)要完成數(shù)碼管的譯碼、掃描等任務(wù),負(fù)擔(dān)較重,但對(duì)一些小應(yīng)用來說是不錯(cuò)的選擇,可本系統(tǒng)中要驅(qū)動(dòng)10個(gè)大數(shù)管,所以采用數(shù)碼管專用芯片MAX7219完成掃描的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng),以減輕單片機(jī)的資源占用,只占用了3個(gè)I/O口,簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì),效果很好,如圖5所示。

圖5 MAX7219控制電路

MAX 7219/MAX7221是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器,它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示,也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路,段字驅(qū)動(dòng)器,而且還有一個(gè)8×8的靜態(tài)RAM用來存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。只有一個(gè)外部寄存器用來設(shè)置各個(gè)LED的段電流。

MAX7219可通過加在V+和ISET之間的一個(gè)外部電阻來控制顯示亮度。段驅(qū)動(dòng)電流一般是流入ISET端電流的100倍。

2.1.3 兩隊(duì)分?jǐn)?shù)顯示數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

兩隊(duì)分?jǐn)?shù)顯示部分由6只3寸高亮紅色共陽數(shù)碼管(LED1～LED6)組成,由單片機(jī)控制MAX7219,通過MAX 7219控制74LS07輸出電平驅(qū)動(dòng)U 5～U10 PNP達(dá)林頓功率管TIPl27,實(shí)現(xiàn)6只共陽數(shù)碼管的位驅(qū)動(dòng),由ULN2803輸出電平控制A～G的段選。電路圖如圖6所示。

圖6 分?jǐn)?shù)顯示數(shù)碼管電路

2.1.4 時(shí)間顯示數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

時(shí)間部分由4只3寸高亮紅色共陽數(shù)碼管(LED7～LED10)組成,由單片機(jī)控制MAX7219,通過M AX7219控制74LS07輸出電平驅(qū)動(dòng)U11～U14 PNP達(dá)林頓功率管TIPl27,實(shí)現(xiàn)4只共陽數(shù)碼管的字驅(qū)動(dòng),由 ULN2803輸出電平控制A～G的段選,時(shí)鐘的分隔點(diǎn)由兩個(gè)發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖7所示。[4]

圖7 時(shí)間顯示數(shù)碼管電路

2.1.5 紅外遙控電路

遙控接收使用紅外接收模塊1838,該接收模塊是一個(gè)3端元件,具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、只占1根I/O口等特點(diǎn)。如圖8所示,1838接單片機(jī)的P3.2(外中斷0),當(dāng)1838接收到遙控信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷,處理遙控?cái)?shù)據(jù),處理完后返回。

圖8 紅外遙控電路

2.1.6 揚(yáng)聲器電路

用單片機(jī)P0.0口輸出1kHz和500Hz的音頻信號(hào)給音頻放大芯片LM 386驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,作為時(shí)間終了時(shí)的提示音。1kHz信號(hào)響100m s,500H z信號(hào)響200ms,交替進(jìn)行,在“音頻放大模塊”區(qū)域中的VOUT端口上接一個(gè)8Ω或16Ω的喇叭,電路圖如圖9所示。

圖9 揚(yáng)聲器電路

2.1.7 電源電路

本系統(tǒng)由于用到12V和5V兩種電壓,而且要考慮到本作品的實(shí)用性,所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種電源供方式,如圖10所示,由變壓器降壓,經(jīng)過整流,濾波后,由可調(diào)三端穩(wěn)壓器輸出1～20V可調(diào)電壓,調(diào)節(jié)電阻RW 1使其輸出12V電壓供給系統(tǒng)和數(shù)碼管,如圖11所示,再由系統(tǒng)穩(wěn)壓成5V供給單片機(jī)及其他芯片。本作品還設(shè)計(jì)了電池供電,在沒有交流電的球場(chǎng)上,可用12V的儲(chǔ)電池供電,插在DC電源插座上即可,開關(guān)S1為供電模式選擇開關(guān)。

圖10 電源電路a

圖11 電源電路b

2.2 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖12所示。

軟件設(shè)計(jì)主要從顯示和輸入信號(hào)采集兩大部分入手,在沒有輸入信號(hào)時(shí)顯示球場(chǎng)倒計(jì)時(shí)時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下或遙控信號(hào)時(shí),根據(jù)接收到的輸入指令確定是設(shè)置時(shí)間調(diào)整還是進(jìn)行加減分控制,分別進(jìn)行相應(yīng)的控制,當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)起動(dòng)揚(yáng)聲器,提示比賽結(jié)束。

圖12 程序流程圖

3 調(diào)試與誤差分析

3.1 數(shù)碼管顯示及亮度調(diào)試

由于本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示方式,一開始存在亮度不足和閃爍問題,通過程序調(diào)試,改變顯示延時(shí)時(shí)間,改善了數(shù)碼管閃爍問題;數(shù)碼管亮度不足通過 MAX 7219硬件調(diào)整數(shù)碼管亮度,調(diào)整MAX 7219的V+和ISET之間的一個(gè)外部電阻來控制顯示亮度,以調(diào)節(jié)到最大亮度,還有通過軟件調(diào)節(jié)MAX 7219的亮度調(diào)節(jié)寄存器的地址,改變D3～D0這半個(gè)字節(jié)的值可以調(diào)節(jié)M AX7219的段驅(qū)動(dòng)平均電流,從而改變數(shù)碼管的亮度。

3.2 時(shí)間倒計(jì)時(shí)誤差調(diào)試及分析

本設(shè)計(jì)的時(shí)間計(jì)時(shí)是利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)50m s計(jì)數(shù)20次產(chǎn)生1s的定時(shí)減1,從而實(shí)現(xiàn)了倒計(jì)時(shí),但系統(tǒng)運(yùn)行程序需要機(jī)器周期,所以產(chǎn)生的定時(shí)會(huì)存在誤差,經(jīng)過多次調(diào)試后,時(shí)間1m in存在的誤差小于0.1s。

3.3 按鈕與紅外遙控的復(fù)用調(diào)試

在調(diào)試時(shí),一開始按鈕與紅外遙控不能復(fù)用,存在沖突,但經(jīng)過多次軟件調(diào)試,將按鈕子程序與紅外遙控子程序獨(dú)立分開處理,從而達(dá)到了很好復(fù)用的效果。

3.4 結(jié)果分析

將上述調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了比較分析,可以看出,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到功能要求,設(shè)計(jì)較為理想,實(shí)驗(yàn)室制作出來的顯示樣品如圖13所示。

圖13 顯示圖樣

4 總 結(jié)

本設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)旨在針對(duì)一些球場(chǎng)不具備購置高額專用的計(jì)時(shí)記分器具而考慮,通過此計(jì)時(shí)記分系統(tǒng)的投入,一方面改善了計(jì)時(shí)記分條件,另一方面成本也不高,適用于大眾化場(chǎng)合。

[1]湯競(jìng)南,沈國琴.51單片機(jī)C語言開發(fā)與實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]劉 鯤,孫春亮.單片機(jī) C語言入門[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[3]張義和,等.例說51單片機(jī)(C語言版)[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[4]樓然苗,李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.