基于單片機的智能籃球記分器的設計*

胡文鋒，肖 飛，廖名洋，張玉富

（海南大學 機電工程學院，海南 儋州571737）

記分器不但在體育競賽和電視演播現場具有很大的作用，而且在現代制造業中也有很重要的作用。現代電子技術的飛躍發展，各類智能化產品相應而出，智能記分器也不例外。本項目設計就以數字電路為核心，采用單片機、無線遙控收發、高亮度的發光二極管等設計新型的智能記分器，其不但符合低功耗、節約能源的綠色環保理念，而且還減輕人工記分的負擔，推進了智能記分器的發展與研究。

1 系統設計

1.1 系統分析

基于應用MCS-51系列中的STC89C52芯片，設計出籃球記時、記分、記秒，聲音提示，無線遙控系統，同步監視，使其能實現A/B兩隊比分的加減，準確記錄比賽時間，進攻24 s，記分裁判通過無線遙控器進行加減分的同時在主控制臺同步監視顯示屏上顯示比分的變化。其控制系統的模塊包含7 bit動態顯示數碼記分模塊、4 bit動態顯示數碼計時模塊、A/B兩隊加減分模塊、無線遙控模塊和聲音提示模塊。在系統硬件各個模塊和軟件的設計過程中，還要注意如何使得系統的抗干擾能力提高，設計出具有低功耗、可靠、快速、安全以及低成本、操作簡單等特點的籃球記分器。此外還要能長期支持軟件升級。系統設計方案不僅要完全滿足智能籃球記分器的設計要求，還廣泛適用于各類學校體育館大型比賽[1]。

1.2 方案設計

(1)電源供電的選擇

方案一：采用傳統的供電方式，通過變壓器降壓，再經過穩壓電路穩壓后給電路進行供電。

若采用該方案，則需要多個電源同時供電才能滿足設計要求，還需要設計集成穩壓電源電路，這樣的電路功耗大、成本較高、電壓不穩定、維護不方便、體積龐大、效率低下。

方案二：采用開關電源，用220 V/350 W的開關電源不僅可以提供穩定的工作電壓，而且該模塊已經商品化、統一化、體積小和便于維護。

開關電源小型化、輕便化有利于籃球記分器的安裝。另外開關電源也在節約能源、節約資源及保護環境等方面都具有重要的意義。

經綜合對比分析，采用方案二更為合理。

(2)顯示方式的選擇

方案一：采用靜態掃描方式。采用靜態顯示方式控制點亮數碼管，各數碼管同時點亮，每位數碼管應顯示數碼的筆劃數據由單片機I/O口送給鎖存芯片保持數據。

靜態掃描顯示原理比較簡單、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，驅動電路復雜，而且功耗巨大。

方案二：采用動態掃描方式進行顯示時，段、位數據從I/O口到顯示模塊以并行方式傳輸；對于每段數碼（a～f）各位的同一數碼段（比如：a段）共用同一個驅動，由單片機給出數據段選通信號，同時單片機也給出位選信號，這樣每時每刻就只有一個數據段信號和一個位數據信號同時確定哪位亮并立即顯示出該數碼。每位的位、段數據保持一定時間(極為短暫約 1 ms)，然后再顯示下一個數碼位的段信息；依次掃描每一個數碼位（共10 bit），只要一個掃描周期的時間比人眼10 ms的滯留時間短，再加上LED的余輝，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍現象。而且只要保證電源的容量能點亮最大功率的LED數碼管和廣播即可，這樣就可以節約巨大的電源容量(約是靜態功率的6/7)[3，4]。

因此，選用動態掃描方式。

(3)接發收模塊的選擇

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

紅外線是一種低成本、高速的無線傳輸形式，但是其缺點是紅外線傳輸極易受到墻壁的阻礙。如果傳輸的路途中沒有任何障礙物，則數據的傳輸相當快速且高效，但紅外線不能穿透墻壁或是大型物體，所以，在數據收發的兩端必須相互對準（即可以看見對方）才能進行通信，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：采用無線數據傳輸。早期的發射機較多使用LC振蕩器，頻率漂移較為嚴重。聲表器件的出現解決了這一問題，其頻率穩定性與晶振大體相同，而其基頻可達幾百兆甚至上千兆赫茲。無需倍頻，與晶振相比電路極其簡單。由于使用了聲表器件，電路工作非常穩定，即使手抓天線、聲表或電路其他部位，發射頻率均不會漂移。

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

2 硬件設計

2.1 主控制臺主板

如圖1所示，主控臺電路基于單片機STC80C52為控制核心，單片機P1.0～P1.3口作為籃球記分器監視器的位控制口，將控制信號通過74LS154譯碼器連接數碼顯示管，將單片機輸出的編碼進行4-16譯碼，從而控制數碼顯示管顯示位；P1.4～P1.7口連接至發射模塊（PT2262）芯片，將鍵盤輸入的信息通過單片機傳輸到2262數據位中進行編碼；P0口作為鍵盤端口，將鍵盤矩陣的信息輸入至單片機處理。P2.0～P2.6為段數據口；I/O連接至74LS245，它是8路同相三態雙向總線收發器，可雙向傳輸數據。通過74LS245用來驅動數碼管。

圖1 主控臺的電路框圖

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過PT2272解碼后輸入至顯示屏中的控制單片機。P1.0～P1.3口作為籃球記分器位顯示控制口，將控制信號通過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，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交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數就為3×4個。這種行列式鍵盤結構能有效地提高單片機系統中I/O口的利用率。通過軟件編程可以消除鍵抖動，從而達到更好的信息輸入的作用。

2.4 驅動模塊

驅動顯示器模塊的功率計算選擇如下(按共陰極，24 V供電)：

P=U×I；

Pmax=200個×2 V×10 mA×7段=28 W；

故Imax=1.167 A；

位：采用電壓控制的場效應管IRF840做為位選主驅動，這樣在單片機輸出2.3 V以上電壓即可滿足電流、且單片機的電流很小（nA級）、保護單片機的要求；

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

2.5 主屏幕

以LED為基本單元，根據電源電壓和不同顏色LED的耐壓值，進行串并聯（每串的LED數目要嚴格統一，不然會引起數碼條顏色不均的現象）。

注意：不同批次的LED燈會有不同的端電壓、電流和發光顏色，因此盡量選擇同一批次高質量的超高亮LED做為基材，可能的話先買部分LED做實驗，效果不錯再批量購買。

3 軟件設計

3.1.主控制臺

主控制臺提供給場地記分裁判使用，作為顯示屏的同步監視器，當接通電源，時間顯示的7位共陰極的數碼管顯示“00 00 00”時，按下 12 min一鍵置位，即可以顯示“12 00 24 00 00”表示第一節 12 min以及 24 s倒計時準備開始；按計時鍵時，時間開始倒計時，比賽開始并同時響鈴。

記分顯示：要給A隊或者B隊加分，分別按下不同的記分鍵+1、-1鍵；當比賽出現暫定，比賽時間與24 s倒計時同時暫停并同時響鈴提示。比賽結束時，響鈴提示。進入第二節比賽、第三節比賽、第四節比賽與此類似。

主控制臺同時將信息通過無線傳輸到顯示屏上，顯示屏的信息與主控制臺信息保持實時同步。

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，它與主控制臺同步播放比賽戰況。

當接通電源，顯示屏顯示與主控制臺一樣。顯示屏通過接收無線傳輸的數據信息，將信息通過單片機等控制同步顯示給觀眾及球員。

本次設計是基于STC80C51單片機開發的新型智能籃球記分器，采用指令冗余和按鍵延時去抖，并添加屏蔽層等抗干擾措施以提高系統穩定性。還應用開關電源作為電源供電，使得系統工作電壓更穩定。在主控制臺使用同步監視器，不僅提高操作效率，而且提高系統準確性。采用動態掃描的方式相對于傳統的鎖存提高了速度，通過快速掃描方式對數據及時刷新。因而系統的快速性得到了明顯的提高。

基于STC80C51單片機開發出來的新型智能籃球記分器，實現了智能化、簡單化，能夠正常完成各項指令操作，并且能夠實現軟件升級。它擁有美觀的記分顯示，人性化的設計，更增加了低功耗綠色環保理念。另一方面，如采用主控同步監視、應用開關電源、采用動態掃描方式等創新思路，使得籃球記分器的穩定性、準確性、快速性在傳統的基礎上得到了明顯的提高。

[1]胡建明.MCS-51單片機籃球計分器的設計[J].科學咨詢，2009(11)：40，44.

[2]徐瑋.51單片機綜合學習系統-無線遙控模塊的應用[J].電子制作，2008，16(6)：29-32.

[3]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京：清華大學出版社，2008.

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