基于51單片機乒乓球游戲設計與制作

湖南商務職業技術學院畢業設計

目錄

1產品功能分析........................................................................................................1

2設計方案遴選........................................................................................................1

3產品的硬件設計....................................................................................................2

3.1電子原理圖.......................................................................................2

3.2AT89S51單片機核心電路設計.........................................................2

3.3按鍵電路設計...................................................................................7

3.4模擬球臺電路的設計.......................................................................8

3.5聲音報警電路...................................................................................9

4產品軟件設計........................................................................................................9

4.1主程序流程圖...................................................................................9

4.2下位機程序設計.............................................................................11

4.3產品程序清單.................................................................................12

5產品使用說明......................................................................................................12

5.1產品裝配圖.....................................................................................12

5.2產品調試.........................................................................................12

5.3產品使用說明.................................................................................13

6產品設計技術標準..............................................................................................14

7參考資料..............................................................................................................14

8附錄......................................................................................................................15

8.1元器件清單.....................................................................................15

8.2電路原理圖.....................................................................................15

8.3PCB設計圖........................................................................................16

8.4產品實物圖.....................................................................................17

8.5主程序代碼.....................................................................................18

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基于51單片機乒乓球游戲設計與制作

1產品功能分析

乒乓球游戲機就像是一扇時空之門，將乒乓球的精髓與現代電子產品完美

結合。通過按鍵和發光二極管的巧妙運用，模擬出乒乓球的拍子和球，讓人們

在舒適的家中也能體驗到打乒乓球的樂趣。這一創新設計打破了空間、設施和

環境的局限，讓人們在享受運動的同時，感受到了真實的乒乓球體驗。

乒乓球游戲機更像是一位多才多藝的朋友，不僅是一種健身工具，更是一

種益智玩具。它激發了人們的反應速度和手眼協調能力，讓人們在游戲中鍛煉

了大腦。優雅而富有藝術性的設計使乒乓球游戲機成為了家居娛樂的新寵，滿

足了人們對于健康、娛樂和益智的多重需求。

總之，乒乓球游戲機的出現為人們提供了一種全新的運動方式。它將傳統

乒乓球運動與現代科技完美融合，讓人們在享受游戲樂趣的同時，實現了鍛煉

身體和智力的目標。這無疑是這個信息化社會中的一份珍貴禮物，帶給我們無

盡的歡樂與挑戰。

2設計方案

完成本產品之前選擇好物美價廉的產品部件，在優惠的價格下能夠實現產

品的功能。一個完整的乒乓球游戲機，有優惠的價格優勢下，需要對游戲模式

進行選擇，產品的基礎模式是雙人對打，表達形式為一方獲得11分后有蜂鳴器

提醒獲勝和數碼管顯示分數。是基于單片機的乒乓游戲機設計，結果用數碼管

顯示。軟件方面，使用KeiluVision4進行編程。在硬件設計方面，涵蓋了單片

機電路、LED模擬球臺電路、按鍵電路以及顯示電路等復雜電路的精心設計。

而在軟件設計領域，則包括主程序、按鍵組程序（球拍模擬和暫停/開始子程序）、

發球程序（回球程序、數碼管顯示程序）等核心程序的編寫與優化。系統框圖

設計系統的組成結構如下

圖1系統設計框架圖

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3產品的硬件設計

3.1電子原理圖

圖2電子原理圖

3.2AT89S51單片機核心電路設計

乒乓游戲機巧妙地搭載了單片機AT89S51作為其智慧核心。與其他51單

片機相比，AT89S51以其卓越的性價比和出色的性能脫穎而出，更值得一提的

是，它具備在線編程能力，使得在實現各種功能時，無需對硬件進行繁瑣的修

改。

AT89S51是一種兼具低功耗和高性能的芯片，其片上閃存允許程序存儲器

在系統或常規非易失性存儲器中重新編寫，這一特性使得該芯片具有極高的靈

活性。結合了8位處理器的系統內可編程閃存的AT89S51，為眾多嵌入式控制

應用提供了一個既高度靈活又具有成本效益的解決方案。

2

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如表1所示，AT89S51的主要功能一目了然。而圖2則展示了其DIP封裝

圖片，使得這個重要的芯片在硬件設計中發揮了更大的作用。

主要功能特性

兼容MCS-51?產品全雙工異步串行通道

?4K字節的系統內可編程（ISP）快低功耗空閑和掉電模式

閃記憶體

耐力：1000寫/擦除周期從掉電模式下的中斷恢復

4.0V至5.5V工作電壓范圍v看門狗計時器

全靜態操作：0Hz至33MHz的雙數據指針

三個級別的程序存儲器鎖定斷電標志

128×8位內部RAM快速編程

3.2.1AT89S51引腳介紹

AT89S51是一款基于CMOS技術的8位單片機，具有卓越的性能和可靠性。其

引腳設計使得它能夠靈活地擴展外部存儲器、I/O口以及其他外設，從而實現

復雜的控制和數據處理功能。

PO口是AT89S51的核心引腳之一，它是一個32位的雙向口線，位于引腳的

39-32號端子和1-8號端子。在擴展外部存儲器時，PO口作為數據總線使用，

傳輸數據和地址信息。同時，它也可以作為一般的I/0口使用，用于輸入和輸

出信號。但是需要注意的是，在作為輸入或輸出使用時，PO口內部沒有上拉

電阻，因此需要在外部連接上拉電阻以實現電平拉高或提供電流源。

P1口是另一個重要的I/0口，它是一個8位的雙向口線，位于引腳的1-8號端

子。與PO口不同，P1口專門作為I/0口使用，其內部有上拉電阻。這個引腳

可以用于簡單的輸入輸出操作，或者連接到其他外設進行控制和數據傳輸。

P2口同樣也是一個8位的雙向口線，位于引腳的21-28號端子。與P1口類似，

P2口也可以作為I/0口使用或者擴展外部存儲器時的地址總線。它具有雙重功

能：一是作為地址總線使用，在擴展外部存儲器時傳輸地址信息；二是作為一

般的I/0口使用，用于輸入和輸出信號。

P3口與PO、P1和P2口有所不同，除了作為I/0口使用外，還具有一些特殊功

能。這些特殊功能由特殊寄存器來設置和控制，可以實現諸如定時器、中斷控

制器、串行通信接口等多種功能。當作為輸入時，P3口的上拉電阻將其電位拉

高；如果輸入為低電平，則可以提供電流源。

ALE/PROG是一個復合引腳，用于地址鎖存控制和編程脈沖輸入。在系統擴展

時，ALE引腳用于控制將PO口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現

低位地址和數據的隔離。PROG引腳則是編程脈沖的輸入端，AT89S51單片機

3

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內部有一個4KB的程序存儲器（ROM），需要通過編程脈沖輸入才能寫入程序

代碼。

PSEN是一個外部程序存儲器讀選通信號引腳，低電平有效。當PSEN引腳輸

入低電平時，外部程序存儲器被選中并開始讀取操作。這個引腳在從外部ROM

中讀取程序代碼時起到選通和讀取的作用。

EA/VPP是一個訪問程序存儲器控制信號引腳。當接高電平時，CPU讀取內部

程序存儲器（ROM）中的程序代碼；當接低電平時，CPU讀取外部程序存儲器

（ROM）中的程序代碼。這個引腳用于控制程序代碼的來源和讀取方式。

RST是復位信號引腳，用于完成單片機的復位初始化操作。當輸入信號連續兩

個機器周期以上高電平時即為有效，復位操作會將單片機恢復到初始狀態，所

有的寄存器和內存都被清零，程序計數器回到初始位置。

XTAL1和XTAL2是外接晶振引腳。當使用芯片內部時鐘時，這兩個引腳用于

外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，它們用于接收外部時鐘脈沖信

號以驅動單片機的操作。

VCC是電源端接+5V電壓輸入引腳。這個引腳用于接入電源，為單片機提供工

作所需的能量。

GND是接地端引腳。它用于將單片機連接到地線，從而形成一個參考電平。所

有的信號和電壓都是相對于地線進行定義的，因此接地端對于保證單片機的穩

定性和可靠性至關重要。

圖3AT89S51DIP封裝圖

最小系統是一個精巧而高效的平臺，它集成了單片機及其關鍵的電源、時

鐘和復位組件，確保了單片機始終處于正常運行狀態。電源和時鐘等電路是單

片機正常運行所必需的核心組件，它們為單片機提供了運行的動力和時序。

4

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AT89S51單片機是一種獨特的芯片，內部集成了ROM/EPROM存儲器，

使得使用這種芯片構成的最小系統具有簡潔性和可靠性。構建基于AT89S51

的最小應用系統時，只需將單片機與時鐘電路和復位電路進行連接，如圖2-3

所示。盡管由于集成度的限制，這個最小應用系統主要適用于一些規模較小的

控制應用，但它卻能夠以其簡潔的結構和高可靠性，成為許多復雜應用系統的

堅實基礎。

圖4單片機最小系統原理框圖

(1)晶振電路

AT89C51芯片的內部搭載了一個高性能的反相放大器，其輸入端口與芯片引

腳XTAL1相連，而輸出端口則與引腳XTAL2相接。在芯片的內部，XTAL1

和XTAL2之間跨接了晶體振蕩器和微調電容，猶如一個穩定的自激振蕩器之

橋梁。

時鐘電路孕育出振蕩脈沖，這些脈沖經過觸發器的二分頻處理，最終化作單片

機的時鐘脈沖信號。為了構建單片機的電路，我們將單片機的XTAL1和XTAL2

引腳分別接入33pF的電容，兩者之間再并聯一個11.0592MHZ的晶振。

這樣的組合為單片機提供了穩定的時鐘節拍，從而為其正常運行注入生命力。

5

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圖5AT89S51內部時鐘電路

(2)復位電路

在AT89C51單片機的設計中，實現上電復位電路的方式頗具簡潔之美。只需

將一個電容與RST復位輸入引腳相連接并延伸至Vcc端，同時再連接一個電阻

到地線。對于CMOS型的單片機，外部電阻被巧妙省略，電容值縮小至僅1微

法拉。

當電源上電時，復位電路借助電容向RST端輸送一個短暫的高電平信號。隨

著電源電壓的逐步上升，這個高電平信號逐漸回落。因此，RST端的高電平持

續時間取決于電源電壓的上升過程。為確保系統能夠穩定復位，RST端的高電

平信號必須保持足夠長的時間。

電源電壓上電時的上升時間約為10毫秒，而振蕩器的啟動時間則取決于振蕩

頻率。例如，如果晶振頻率為10兆赫茲，那么啟動時間僅需1毫秒；如果晶振

頻率為1兆赫茲，那么啟動時間則為10毫秒。在圖3-2的復位電路中，當電源

電壓掉電時，RST端的電壓會迅速下降到零伏以下。然而，由于內部電路的自

我保護機制，這個負電壓不會對器件造成任何損害。

另外，值得注意的是，在復位期間，單片機所有端口引腳處于未確定狀態。

只有當復位完成后，系統才會將各端口設置為全“1”狀態。若系統在上電時未

能順利復位，程序計數器PC將無法獲得合適的初始值。由此，CPU可能會從

一處未知的位置開始執行程序。

6

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圖6AT89S51復位電路

3.3按鍵電路設計

在本設計中，我們讓按鍵連接單片機的某個端口，初始時端口是高電平，當按

鍵按下時，端口變為低電平，釋放后又變為高電平。這樣單片機只需檢測端口

的電平，就能判斷是否有按鍵動作。

我們選擇了獨立式鍵盤接法，每個按鍵只連接一個I/O端口。程序簡單且運行

穩定。

具體實現是：當按鍵按下時，端口與地短路，電平變為低；按鍵釋放后，單片

機內部的上拉電阻又把端口拉回到高電平。我們只需在程序中檢查端口的電平

狀態就能知道是否有按鍵動作。

不過，按鍵按下和釋放之間會有一個短暫的抖動時間，電平會不穩定。這種抖

動雖然對人來說很快，但對單片機來說卻是慢的。為了消除抖動的影響，我們

選擇了軟件去抖動的方法。當檢測到低電平時，程序會延時一段時間再檢測一

次。如果這次檢測還是低電平，那就說明有按鍵按下。

這樣，通過獨立式鍵盤接法和軟件去抖動的方法，我們就能準確可靠地讀

取按鍵輸入了。

7

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圖7按鍵電路

3.4模擬球臺電路的設計

本設計采用了由發光二極管組成的模擬球臺電路，LED是英文單詞的縮寫，能

夠直接將電能轉化為光能。它運用電場發光原理，具有壽命長、光效高、輻射

低、功耗低等顯著特點，被視為21世紀最具發展前景的綠色照明光源。

經過近40年的發展，我國的LED產業取得了廣泛的應用。其產品廣泛應用于

景觀照明和普通照明領域，使我國已成為世界第一大照明電器生產國和第二大

照明電器出口國。隨著半導體發光材料研究的不斷深入以及新材料的開發和應

用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發光效率提高了近1000

倍，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色。最重要的是，超高亮度白光LED

的出現，使得LED應用領域擴展至高效率照明光源市場成為可能。

本設計利用不同顏色的LED來指示不同的煙霧濃度報警。

圖8模擬球臺電路

8

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3.5聲音報警電路

在這個設計中，我們將運用一個三極管、一個蜂鳴器以及一個限流電阻來

構建一個精巧的蜂鳴器驅動電路。

三極管Q1在這個電路中起著開關的作用。當它的基極收到低電平時，三

極管會進入飽和導通狀態，從而使蜂鳴器發聲。而當基極收到高電平時，三極

管則會關閉，使得蜂鳴器停止發聲。

圖9聲音報警電路

4產品軟件設計

4.1主程序流程圖

9

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開始

初始化定時器

中斷系統

NO

開始按鍵按下

YES

開始比賽

置位變量

打開外部中段

調速按鍵按下NO

YES

速度等級加

NO

速度等級大于8

YES

回到1級

指示燈顯示等級

調用顯示函數

圖10主程序流程圖

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4.2下位機程序設計

在完成產品程序的編寫后，我們使用Keil5進行測試和編譯。程序的主要

定義函數和引腳定義如下：

主程序：初始化乒乓游戲機，設置定時器，為LED數碼管輸入數據，以及

定時掃描按鍵。

按鍵程序：在回球和發球時，通過按鍵輸入數據，單片機進行處理。這個

程序包括暫停/開始子程序，控制系統的暫停和開始。

回球程序：當球在A邊時，A可以在相應的delay_1(t)程序中感應A按鍵

組的數據并作出相應處理；當球在B邊時，處理方式類似。

顯示程序：顯示游戲比分，當A或B到達11分時進入相應子程序。

圖11下位機程序設計圖片截圖

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4.3產品程序清單

圖12產品程序清單

5產品使用說明

5.1產品裝配圖

數碼管顯

示

51單片機

蜂鳴器模塊

Led顯示模塊圖13產品裝配圖按鍵設置

5.2產品調試

在調試過程中，我們首先需要驗證硬件電路的設計原理是否正確、能否達

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到預期效果以及實現方法是否簡便等。其次，在完成線路板的焊接后，我

們需要仔細檢查電路的焊接情況。本次采用的方法是分塊調試，從簡單到復雜

的調試順序，最后再將各個模塊整合成一個整體。

在調試過程中，我們遇到了一些問題。首先，由于在焊接電路之前沒有認

真查看AT89S51的管腳，使得管腳的順序全部焊錯了，最后只好重新購買器件

并重新進行焊接。其次，在編寫解碼程序的過程中，隨著理解的深入我們也進

行了相應的修改。

5.3產品使用說明

一、產品簡介

本乒乓球比賽模擬機是一種電子游戲機，采用發光二極管模擬乒乓球運動，

可容納三人玩耍。通過調節移動速度，真實再現乒乓球比賽場景。本產品旨在

提供一種趣味性和競技性兼備的娛樂方式。

二、產品特點

8個LED燈排成一條直線，模擬乒乓球運動軌跡。LED燈以中點為界，代

表雙方參賽者的位置。當球（點亮的那只LED）移動到某一方時，參賽者需按

下位于自己一方的按鈕開關，模擬擊球動作。

電路自動響鈴3s，慶祝每局比賽的勝利。在這期間，發球無效，需等待鈴

聲停止后方能繼續比賽。

自動計分電路確保公正公平。甲乙雙方各用兩位數碼管進行計分顯示，每

記滿11分為1局。雙方各10分之后，領先2分者為勝。

發光二極管表示擁有發球權。每得2分，自動交換發球權，確保比賽的連

續性和趣味性。擁有發球權的一方發球才能有效。

三、操作說明

啟動游戲機，調整速度以適應不同水平。球移至某一方時，迅速按下己方

按鈕。擊中則球反方向移，未擊中對方得一分。每次得分，電路自動響鈴三秒。

一局滿11分。雙方各10分后，領先2分者勝。發光二極管顯示發球權，每得

2分自動交換。擁有發球權方可發球。

四、注意事項

請在成人監護下進行游戲；

請勿在濕潤環境下使用；

若發現任何異常情況，請立即停止使用并聯系售后；

保持產品清潔，避免灰塵和污垢影響游戲體驗；

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請勿將本產品用于商業用途或非法用途

6產品設計技術標準

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術軟件工程術語；

[5]GB/T8566-2007信息技術軟件生存周期過程標準；

[6]GB/T8567-2006計算機軟件文檔編制規范。

7參考資料

[1]陳權昌,李興富.單片機原理及應用[M].廣州:華南理工大學出版社,2007.8

[2]李慶亮.C語言程序設計實用教程[M].北京:機械工業出版社,2005.3

[3]楊志忠.數字電子技術[M].北京:高等教育出版社,2003.12.

[4]及力.Protel99SE原理圖與PCB設計教程[M].北京:電子工業出版社,2007.8.

[5]徐江海.單片機實用教程[M].北京:機械工業出版社,2006.12

[6]胡宴如.模擬電子技術[M].北京:高等教育出版社,2008.6

[7]劉寧.單片機多功能時鐘的設計[M].浙江:浙江海洋學院,2009.

[8]汪文，陳林.單片機原理及應用[M].湖北:華中科技大學出版社,2007.

[9]康華光.電子技術基礎數字部分[M].北京:高等教育出版社,2008.

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8附錄

8.1元器件清單圖

8.2電路原理圖

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8.3PCB設計圖

圖17PCB設計圖

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8.4產品實物圖

產品實物圖正面

產品實物圖反面

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8.5主程序代碼

#include<reg51.h>

#include<intrins.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar//宏定義

sbitstart=P3^5;//開始

//sbitL=P3^2;//左方

//sbitR=P3^3;//右方

sbitALAM=P3^7;//報警

bitL_R=0;//左、右標志位，=0左邊，=1右邊

bitrun=0;//運行、停止標志位，=0停止，=1運行

//ucharcode

LEDData[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff};

ucharcode

LEDData[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//數字0-9

的編碼

ucharcodePPQdata[]={0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,};

ucharscoreL,scoreR;//左右方得分

ucharflag_1miao;

ucharcount_1miao;

ucharflag_sudu;//速度標志位

ucharcountt0n,countt0,countt1;//T0,T1中斷計數

sbitKEY=P3^4;

ucharzongjiqiushu;

ucharjiqiu_l;

ucharjiqiu_r;

/*****延時子程序*****/

voidDelay(uintnum)

{

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while(--num);

}

/*****初始化定時器0*****/

voidInitTimer(void)

{

TMOD=0x11;

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;//50ms（晶振12M）

}

/*****顯示分數子程序*****/

voidDisp_score(void)//顯示溫度

{

P0=LEDData[scoreL/10];

P2=0x7F;

Delay(200);

P2=0xFF;

P0=LEDData[scoreL%10];

P2=0xBF;

Delay(200);

P2=0xFF;

P0=LEDData[scoreR/10];

P2=0xDF;

Delay(200);

P2=0xFF;

P0=LEDData[scoreR%10];

P2=0xEF;

Delay(200);

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P2=0xFF;

}

/*****主函數*****/

voidmain(void)

{

InitTimer();//初始化定時器

EA=1;//全局中斷開關

TR0=0;

TR1=0;

ET0=1;//開啟定時器0

ET1=1;

EX0=0;

EX1=0;

flag_1miao=1;

flag_sudu=2;

while(1)

{

if((start==0)&&(run==0)&&flag_1miao==1)//停止狀態下，

控下start鍵

{

Disp_score();//調用數碼管顯示

{

if(start==0)//開始按鍵按下

{

if(((scoreL==11)&&(scoreR<10))||((scoreR==11)&&(scoreL<10))||((scoreL>11)

&&(scoreL-scoreR==2))||((scoreR>11)&(scoreR-scoreL==2)))

{

TR1=0;

ALAM=1;

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scoreL=0;

scoreR=0;

}

run=1;//運行標志位置1

jiqiu_l=0;

jiqiu_r=7;

zongjiqiushu=0;

if((scoreL+scoreR)%4<=1)

L_R=0;

else

L_R=1;

if(L_R==0)

{

countt0=0;

P1=PPQdata[0];

EX0=1;

EX1=0;

}

else

{

countt0=7;

P1=PPQdata[7];

EX0=0;

EX1=1;

}

}

}

}

if(KEY==0&&run==0)

{

Delay(2200);

if(KEY==0)

{

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flag_sudu++;

if(flag_sudu>8)

{

flag_sudu=1;

}

while(KEY==0)

{

Disp_score();

switch(flag_sudu)

{

case1:P1=0xfe;break;

case2:P1=0xfd;break;

case3:P1=0xfb;break;

case4:P1=0xf7;break;

case5:P1=0xef;break;

case6:P1=0xdf;break;

case7:P1=0xbf;break;

case8:P1=0x7f;break;

}

}

P1=0xff;

}

}

Disp_score();

}

}

//==========定時器0中斷服務程序=========

voidtimer0(void)interrupt1//用于乒乓球的運行速度控制

{

TH0=0x3c;//T0重賦初值

TL0=0xb0;

TR0=1;//開啟計數器0

22

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countt0n++;

if(countt0n==flag_sudu)

{

countt0n=0;

if(L_R==0)

{

countt0++;//中斷計數加1

if(countt0>=4)

{

EX1=1;//開啟外部中斷1，便于選手擊

球

}

else

{

EX0=0;

EX1=0;

}

}

else