Competition scorer circuit design
Table of contents
foreword
近几年来，随着科技的飞速发展，单片机领域正在不断的走向社会各个角落，还带动传统控制检测日新月异更新。
在实时运作和自动控制的单片机应用到系统中，单片机如今是作为一个核心部件来使用，仅掌握单片机方面知识是不够的，还应根据其具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
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1. Design plan
1.1 Overall Design Block Diagram
以AT89C51单片机为核心，起着控制作用。系统包括数码管显示电路、复位电路、时钟电路、按键调整电路和蜂鸣器电路。
设计思路分为六个模块：复位电路、晶振电路模、STC89C51RC、数码管显示电路、按键调整电路和蜂鸣器电路这六个模块。
1.2 Brief description of functions
比赛计分器，主要用于比赛记录分数。采用矩阵式键盘作为输入，用户可分别对两队比分进行加2操作，并通过数码管显示其每次按下加分键所加的分值。
同时可以进行上下半场比分的交换。比分通过1个四位一体数码管显示时间精确到秒，2个2位一体数码管显示两队的分数。
每次进行按键操作时，蜂鸣器响，比赛结束时，蜂鸣器响。
1.3 Hardware simulation diagram
1.4 Main function program interrupt and timer code
void main() //定义主程序
{
EX0=1;//外部中断0的分开关打开
EX1=1;//外部中断1的分开关打开
IT0=1;//外部中断0为下降沿触发
IT1=1;//外部中断1为下降沿触发
PX1=1;//外部中断1为高优先级
PX0=0;//外部中断0为低优先级
TMOD=0x01; //初始化程序
EA=1; //开关总中断打开
ET0=1;
P3_7=0;
P0=0xff;
P2=0x00;
if(P1_0==0) //第一次按下P1_0，单片机启动，显示初始值
{
//由于调用了一次暂停功能，会显示初始值
TH0=0xb1;
TL0=0x10;
TR0=1; //启动定时器
P3=0xff;
P1=0x7f;
P3_7=0;
while(1)
{
timing(); //调时子程序
exchange(); //比分交换程序
suspend(); //暂停程序
alertor(); //报警程序
if((u_m==0)&&(u_n==1)) //判断子程序结束调用条件
{
h=1;
}
conclude(); //结束子程序
}
}
}
1.5 Program function composition
该系统由延时子函数、蜂鸣器子函数、初始化子函数、调节比赛时间数码管显示子函数、
比赛开始数码管显示子函数、甲队得分数码管显示子函数、乙队得分数码管显示子函数、按键扫描子函数、定时器0中断子函数、主函数和数据定义这几部分组成。
Second, the circuit design of the game scorer
2.1 Brief description of MCU AT89C51 chip function
单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器／计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。51系列单片机内包含以下几个部件：
一个８位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；
4KB的ROM程序存储器；
一个128B的RAM数据存储器；
寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；
32条可编程的I/O口线；
两个16位定时／计数器；
一个可编程全双工串行口；
５个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
VCC：供电电压。
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，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
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。做输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，还有重要的第二功能。
Table 2-1 Description of main functions of Group P3
| port pin | secondary function |
|---|---|
| P3.0 | RXD (serial input port) |
| P3.1 | TXD (serial output port) |
| P3.2 | INT0* (external interrupt 0) |
| P3.3 | INT1* (external interrupt 1) |
| P3.4 | T0 (timer/counter 0 external input) |
| P3.5 | T1 (timer/counter 1 external input) |
| P3.6 | WR* (External Data Memory Write Strobe) |
| P3.7 | RD* (External Data Memory Read Strobe) |
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
2.2 The minimum system circuit construction of MCU AT89C51
2.3 Interrupt System
中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并快速响应与及时处理。
当中断请求源发出中断请求时，如中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求，
处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。
中断系统有5个中断请求源（简称中断源），2个中断优先级，可实现2级中断服务程序嵌套。
每一中断源可用软件独立控制为允许中断或关闭中断状态；每一个中断源的优先级均可用软件设置。
由图2-4，中断系统共有5个中断请求源，它们是：
（1）INT0*—外部中断请求0，外部中断请求信号（低电平或负跳变有效）由INT0*引脚输入，中断请求标志为IE0。
（2）INT1*—外部中断请求1，外部中断请求信号（低电平或负跳变有效）由INT1*引脚输入，中断请求标志为IE1。
（3）定时器/计数器T0计数溢出的中断请求，标志为TF0。
（4）定时器/计数器T1计数溢出的中断请求，标志为TF1。5个中断请求源的中断请求标志分别由特殊功能寄存器TCON和SCON相应位锁存。
（5）串行口中断请求，标志为发送中断TI或接收中断RI。TF1—定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位。
（6）当启动T1计数后，T1从初值开始加1计数，当最高位产生溢出时，硬件 置TF1为“1”，向CPU申请中断，响应TF1中断时，TF1标志硬件自动清“0”，TF1也可由软件清0
（7）TF0—定时器/计数器T0溢出中断请求标志位。
（8）IE1—外部中断请求1中断请求标志位。
（9）IE0—外部中断请求0中断请求标志位，
（10）IT1—选择外中断请求1为跳沿触发还是电平触发方式。
0--电平触发方式，加到INT0*脚上的外中断请求输入信号为低电平有效，并把IE1置“1”。转向中断服务程序时，则由硬件自动把IE1清“0”。
1--跳沿触发方式，加到INT1*脚上的外中断请求输入信号从高到低的负跳变有效，并把IE1置“1”。转向中断服务程序时，则由硬件自动把IE1清“0”。
（11）当AT89C51复位后，TCON被清“0”，5个中断源的中断请求标志均为0。
SCON标志位功能：
（1）TI—串口发送中断请求标志位。CPU将1字节的数据写入串口的发送缓冲器SBUF时，就启动一帧串行数据的发送，每发送完一帧串行数据后，硬件使TI自动置“1”。CPU响应串口发送中断时，并不清除TI中断请求标志，TI标志必须在中断服务程序中用指令对其清“0”。
（2）RI—串行口接收中断请求标志位。在串口接收完一个串行数据帧，硬件自动使RI中断请求标志置“1”。CPU在响应串口接收中断时，RI标志并不清“0”，须在中断服务程序中用指令对RI清“0”。
2.4 Display system
Countdown digital tube display circuit 
digital tube countdown design example:
void timing() //定义调时程序
{
if(P1_2==0) //当按下P1_2时
{
delay(1); //延时消抖
if(P1_2==0)
{
u_n++; //秒位加1
if(u_n==60)//当秒位到60时
{
u_m++;//分位加1,秒变1
u_n=1;
}
}
}if(P1_3==0) //当按下P1_3时
{
delay(1);
if(P1_3==0)
{
u_n--;//秒位减1
if(u_n<0) //当秒位减到0时,分位减1,秒位变59
{
u_n=59;
u_m--;
}}}}
Team A digital tube score display circuit
B pair of digital tube scoring display circuit
2.5 key adjustment circuit
Start the button to adjust the circuit
Example of interruption control program for the interruption bonus button adjustment circuit :
void t0() interrupt 1 //定义中断程序，调用定时器T0
{
TH0=0xb1; //对定时器T0送入初值,TH0=0xb1
TL0=0x10; //TL0=0X10定时器定时为20ms
if(u_n<0) //每20ms调用一次
{
u_n=59;
u_m--;
}
u_i++;
if(u_i==50) //定义I为50,50*20ms=1s
{
u_n--;
u_i=0;
}
display(u_m,u_n,u_x,u_y);//调用数码管显示程序,每20ms刷新
}
void int0() interrupt 0 //外部中断0的控制程序，每次按键按下，加2操作
{
u_x+=2;if(u_x>98)u_x=98;}
void int1() interrupt 2 //外部中断1的控制程序，每次按键按下，加2操作
{
u_y+=2;if(u_y>98)u_y=98;}
Buzzer Circuit
Buzzer Design Code Example:
void alertor() //定义报警程序
{
if(((u_m==0)&&(u_n==0))|(P3_2==0)|(P3_3==0)|(P1_0==0)|(P1_1==0)|(P1_2==0)|(P1_3==0))
{
P3_7=1;
P3_6=1;//P3_7和P3_6间隔输出高低电平，使蜂鸣器响
delay(5);
P3_7=0;
P3_6=0;
delay(5);
}
}
3. Design result verification
Simulation process test
simulation final result display
Summarize
设计最大的亮点就是模块化设计，将执行功能的各个部分封装成一个个模块，即子函数。
在主函数中编写需要调用功能的子函数名即可执行相应的功能，目的是便于修改，减小了对程序大规模的修改，降低了程序编写过程中的出错率。
设计的仿真图考虑到实际应用的需求和视觉审美，尽最大程度的减少电路设计过程中线路的繁杂和无条理性，所以选择标号的方式，既能使电路处于连通的状态又能使电路整体整洁美观。
考虑到实际应用的需求，所以增加了倒计时数码管并充分利用P0组IO的功能，在添加上拉电阻的条件下，使IO充分得到利用。
因为实验是两个队进行分数计分，考虑到IO的性能和实验的最大优化，选择了2个两位一体共阳数码管，段码段公用，这样减少了IO的占用，而且充分利用了资源而且还能达到实验的效果。
Source program and simulation diagram of single-chip game scorer