曹 晴，王 震，吳勇強

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，河南鄭州 450002）

0 引言

為了迎接教育部倡導(dǎo)的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，培養(yǎng)大學(xué)生的實踐創(chuàng)新意識與基本能力、團隊協(xié)作的人文精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風；提高學(xué)生針對實際問題進行電子設(shè)計制作的能力。針對越野車比賽計時的問題，設(shè)計了這款基于單片機的電子計時器。全國各地舉辦的越野車比賽逐年增多.比賽大多采用人工計時方式，由于裁判的反應(yīng)時間不同，計時精度不高，往往引來爭議。針對越野車比賽計時所要求的公平性和準確性；設(shè)計制作了這款計時器，以單片機為基礎(chǔ)，安裝簡單、操作方便、計時準確、價格便宜。取代了傳統(tǒng)的人工秒表計時，被越野車賽場廣泛采用。

本計時器通過紅外遙控器啟動裝置，使出發(fā)點、終點兩端的數(shù)碼管同時進入20s倒計時，且黃燈先亮、電喇叭響一聲；倒計時到10s、5s、4s、3s、2s、1s時電喇叭各響一聲；倒計時到0s時電喇叭長響一聲、綠燈亮，開始發(fā)車；終點數(shù)碼管進入正計時。發(fā)車1分鐘后出發(fā)點的紅燈點亮，提示禁止發(fā)車。當賽車到達終點時，切斷安裝在終點的紅外對射儀所發(fā)出的紅外線，終端設(shè)備收到信號使數(shù)碼管停止計時，將比賽所用時間靜止顯示在數(shù)碼管顯示屏上。

1 硬件電路

本計時器的硬件部分由單片機、光電傳感器、紅外遙控發(fā)射器、接收模塊、數(shù)碼管等構(gòu)成，硬件構(gòu)成如圖1所示；紅、黃、綠燈；蜂鳴器和倒計時數(shù)碼管、單片機1（主控板1）安裝在發(fā)車臺；單片機2（主控板2）、單片機3（主控板3）、計時數(shù)碼管、紅外對射設(shè)在賽道1、賽道2的終點。

單片機的最小系統(tǒng)[1]就是能使單片機工作的最簡單搭配；如圖2所示，包括電源和接地端復(fù)位電路、晶振電路，其中復(fù)位電路有按鍵復(fù)位和上電自動復(fù)位兩種；復(fù)位后系統(tǒng)從新開始工作，這里的復(fù)位電路采用的是上電自動復(fù)位。晶振電路就是時鐘電路，給單片機工作提供時鐘；采用STC12C5A60S2（增強型51內(nèi)核）系列單片機，其特點是高速抗干擾、低功耗；指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，相比傳統(tǒng)的51單片機，速度快8-12倍。

圖1 硬件電路流程圖

圖2 單片機最小系統(tǒng)原理圖

該芯片的P0口和P2口用74LS573[2]鎖存器和ULN2003[3]組成數(shù)碼管顯示電路，P0口用來控制數(shù)碼管的段選端，P2口用來控制鎖存器的片選端，控制每個數(shù)碼管顯示時間。

P3.0和P3.1是單片機的串行通信口，實現(xiàn)上電復(fù)位程序下載。P3.3（外部中斷1端口）是觸發(fā)整個系統(tǒng)啟動的輸入端口；當紅外接收模塊接收到信號時，將信號輸入此端口啟動系統(tǒng)工作。P3.2（外部中斷0端口）是觸發(fā)系統(tǒng)停止計時的輸入端口，當接收到從紅外對射傳來的信號時將信號輸入該端口，觸發(fā)芯片停止計時。

紅外信號控制單片機的外部中斷[4]1（INT1），紅外對射控制單片機的外部中斷0（INT0）；紅外信號和對射信號是通過光電耦合電路來控制外部中斷信號的；其電路圖如圖3所示。

圖3 光電耦合電路

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

紅外遙控和對射分別接圖3中的2口和3口，電路中用了TLP521-2光耦[5]；巧妙的設(shè)計光電耦合電路讓單片機的外部中斷實現(xiàn)的更準確；光耦的特點就是完成電信號——光信號——電信號的轉(zhuǎn)換，這樣一來輸入和輸出沒有相互影響，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在時間顯示方面該計時器使用數(shù)碼管顯示，為了更方便控制六個數(shù)碼管，這里采用了六個74LS573鎖存器，采用的數(shù)碼管是12V數(shù)碼管；由于單片機是5V輸出，不能直接驅(qū)動數(shù)碼管；所以用ULN2003來驅(qū)動數(shù)碼管，ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列、具有電流增益高，工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，能夠驅(qū)動六位數(shù)碼管和紅綠黃燈、蜂鳴器。

單片機的電平信號和電腦的電平模式不一樣；單片機為TTL電平，電腦為RS232電平；RS232電平是邏輯1=-3V～-15V，邏輯0=+3V～+15V。TTL電平則是+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。所以單片機和電腦通信[6]，需要一個電平轉(zhuǎn)換電路；在這里采用了MAX232芯片進行轉(zhuǎn)換。MAX232通過內(nèi)部電壓倍增及電壓反向電路，把TTL電平與RS232電平互換，實現(xiàn)單片機與電腦之間的串行通信。圖中的P3.0和P3.1分別是單片機的串行接收口和串行發(fā)送口。電路圖如圖4所示。

該計時器采用的單片機需要5V電壓、而數(shù)碼管、紅綠黃燈、電喇叭、ULN2003等使用的是12V電壓，所以我們需要將12 V電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓；采用的是7805穩(wěn)壓芯片來轉(zhuǎn)換；7805穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間，該計時器用的電源是12 V的PC電源。

在終點用紅外對射光電傳感器檢測賽車是否完成比賽。紅外對射其基本的構(gòu)造包括發(fā)射端、接收端、光束強度指示燈、光學(xué)透鏡等。其偵測原理乃是利用經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體發(fā)射的脈沖紅外線，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠距離，由受光器接受。當紅外脈沖射束被遮斷時就會發(fā)出警報信號。紅外線是一種不可見光，而且會擴散，投射出去之后，在起始 路徑階段會形成圓錐體光束，隨著發(fā)射距離的增加，其理想強度與發(fā)射距離呈反平方衰減。這里用的是2光速的 ABT-150；理論寬度為100M通常實際寬度為理論的75%；在戶外約為50%；所以在戶外也就是30M左右，這對于賽車車道來說已經(jīng)足夠?qū)捔恕?/p>

2 軟件部分

該計時器用C語言編程，為了實現(xiàn)紅外控制裝置啟動系統(tǒng)，程序如下（INT1）

3 結(jié)語

這款賽道計時器采用單片機作為主控器件，充分利用了單片機的兩個外部中斷來實現(xiàn)計時開始和停止；此系統(tǒng)主要針對雙賽道。當然也可以擴展為三賽道、四賽道……等；擴展方便、計時準確、成本低廉、方便使用、輸出時間可視化、可長時間使用。滿足越野車比賽賽場的復(fù)雜環(huán)境；可廣泛用于賽車、越野車比賽等大型比賽。

[1]張俊謨.單片機中級教程——原理與應(yīng)用（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：24-39.

[2]康萬新，謝維成，楊加國.畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)及案例剖析--應(yīng)用電子技術(shù)方向[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：330-331.

[3]魏偉，胡瑋，王永清.51單片機C語言開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)案例詳解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：140-142.

[4]郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：65-78.

[5]張萌，和湘，姜斌.單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)綜合實例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：179-181.

[6]求實科技.單片機典型外圍器件及應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006：321-326.