流水灯显示课程设计.docx
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流水灯显示课程设计
流水灯显示
第1章前言
随着科学技术特别是微型计算机技术的高速发展，单片机作为计算机的一个分支，从20世纪70年代初诞生以来，广泛地应用于工业控制、智能仪表、家用电器等各个领域，它正为我国经济的快速发展发挥着举足轻重的作用。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能相对家用电脑弱很多，但因价钱低廉，被应用于各个领域。
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
作为电子科学与技术专业的一名工科生掌握好这项技术，也是非常重要。
单片机课程设计是我们提高单片机应用能力的好机会，也是我们学好这一课程的必经环节。
通过课程设计可以进一步巩固我们前面所学理论知识，使我们对单片机理论知识有一个深刻的认识和全面的掌握。
另外通过这一真正意义上的实践活动，我们可以从中发现自己不足之处并能够在自己的深思下和老师同学的帮助下得到及时的解决，使我们的应用能力和科技创新能力得到较大的提高。
基于单片机的音乐播放器可应用于mp3、mp4，扩音器等很多方面，并可作为很多系统的辅助功能，作为单片机的重要硬件资源之一，利用定时器可以产生各种固定频率的方波信号，也可以产生包括"Do"、"Re"、"Me"等音阶在内的各种频率声音。
将各个音阶连接在一起，便可组成一支曲子或是演奏一段旋律。
基于这个思想，我设计了一个电子生日贺卡，本电子生日贺卡可实现文字显示、音乐播放、花样彩灯等功能。
由于时间及条件限制，本课程设计了一种简单的电子贺卡，其核心器件采用AT89C51单片机，本播放器具有电路简单，功能强大，易于拓展等特点。
通过音乐发声器的设计方案，掌握汇编语言的编程方法，并熟练的运用89C51单片机定时器产生固定频率的方波信号，推动喇叭发出旋律，最重要的是自己还可以通过程序设计输入自己喜欢的歌曲来演奏。
第2章方案设计
2.1基本原理
本次课程设计用AT89C51作为主控器制作一个电子生日贺卡。
此电子贺卡分为三个部分，分别是文字显示、音乐播放、花样彩灯。
2.1.1文字显示原理
采用单片机的LCD图形显示接口技术，利用LCD12864液晶显示模块，屏幕显示内容与12864内部存储器单元建立一一对应关系，模块内部自带扫描与驱动，将显示的内容输入12864对应的存储器中，就能实现内容的显示。
利用取码软件，按从左到右、从上到下的原则取码，可以得到“生日快乐”的16X16点阵码。
每一个字都有32字节与之对应。
编程时，也要按从左到右、从上到下的原则取数据送到相应的存储器中。
该类液晶显示模块的指令系统，总共只有七种。
其指令表如表2.1所示：
表2.1指令表
指令名称
控制信号
控制代码
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示开关
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1/0
显示起始行设置
0
0
1
1
X
X
X
X
X
X
页设置
0
0
1
0
1
1
1
X
X
X
列地址设置
0
0
0
1
X
X
X
X
X
X
读状态
1
0
BUSY
0
ON/OFF
RST
0
0
0
0
写数据
0
1
写数据
读数据
1
1
读数据
2.1.2音乐播放原理
乐曲中不同的音符，实质就是不同频率的声音。
通过单片机产生不同的频率的脉冲信号，经过放大电路，由蜂鸣器放出，就产生了美妙和谐的乐曲，其工作原理如下：
（1）要产生音频脉冲，只要算出某一音频的脉冲即1/频率，然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期的时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期的时间再对I/O反相，就可以在I/O脚上得到此频率的脉冲。
（2）利用8051的内部定时器使其工作在计数器模式TMOD1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法如下：
例如，频率为523Hz，其周期天/523S=1912uS，因此只要令计数器计时956uS/1us=956，在每计数956次时就将I/O反接，就可得到中音DO。
计数脉冲值与频率的关系公式如下：
N=Fi/2/Fr（2.1）
（N：
计数值；Fi：
内部计时一次为1uS；故其频率为1MHz；Fr：
要产生的频率）
（3）其计数值的求法如下：
T=65536-N=65536-Fi/2/Fr（2.2）
设K=65536，F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。
T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-500000/Fr（2.3）
（4）C调个音符频率与计数值T的对照表如下表所示：
表2.2C调各音符频率与计数值T的对照表
音符
频率/HZ
简谱码T
音符
频率/HZ
简谱码T
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
64934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3M
330
64021
#6
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
988
65030
#4FA#
370
64185
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6
466
64463
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA
1480
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64684
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64732
高6LA
1760
65252
中3M
659
64777
#6
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
（5）每个音符使用1个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，下表为节拍码的对照。
但如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。
假设1/4节拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。
所以只要求得1/4拍的DELAY时间，其余的节拍就是它的倍数，如下表为1/4和1/8节拍的时间设定。
表2.3节拍码对照表
节拍码
节拍数
节拍码
节拍数
1
1/4拍
1
1/8拍
2
2/4拍
2
1/4拍
3
3/4拍
3
3/8拍
4
1拍
4
1/2拍
5
1又1/4拍
5
5/8拍
6
1又1/2
6
3/4拍
8
2
8
1拍
A
2又1/2拍
A
1又1/4拍
C
3
C
1又1/2拍
F
3又3/4拍
表2.4各调节拍的时间设定表
1/4节拍
1/8节拍
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调4/4
125毫秒
调4/4
62毫秒
调3/4
187毫秒
调3/4
94毫秒
调2/4
250毫秒
调2/4
125毫秒
表2.5简谱对应的简谱码、T值、节拍码
简谱
发音
简谱码
T值
节拍
节拍数
5
低音SO
1
64260
1
1/4拍
6
低音LA
2
64400
2
2/4拍
7
低音TI
3
64524
3
3/4拍
1
中音DO
4
64580
4
1拍
2
中音RE
5
64684
5
1又1/4拍
3
中音MI
6
64777
6
11/2拍
4
中音FA
7
64820
8
2拍
5
中音SO
8
64898
A
2又1/2拍
6
中音LA
9
64968
C
3拍
7
中音TI
A
65030
F
3又3/4拍
1
高音DO
B
65058
2
高音RE
C
65110
3
高音MI
D
65157
4
高音FA
E
65178
5
高音SO
F
65217
不发音
0
（6）一般的歌曲，有3/8、2/4、3/4、4/4等节拍类型，但不管有几拍，基本上是在C调下演奏的。
如果是C调，则音名C唱Do，音名D唱Re，音名E唱Mi，音名E唱Mi，音名F唱Fa，音名G唱So，音名A唱La，音名B唱Ti等。
但是，并不是所有的歌曲都是在C调下演奏的，还有D调、E调、F调、G调等。
D调是将C调各音符上升一个频率实现的，即C调下的音名D在D调下唱Do，C调下的音名E在D调下唱Re，C大调的音名F在D调下上升高半音符F#唱Mi，C调下的音名G在D调下唱Fa，C调下的音名C在D调下上升高伴音C#符唱Ti。
此唱法称为移调。
表2.6C调在各调中的音名
音名调
Do
Re
Mi
Fa
So
La
Ti
C调
C
D
E
F
G
A
B
D调
D
E
F#
G
A
B
C
E调
E
F#
G#
A
B
C
D
F调
F
G
A
B
C
D
E
G调
G
A
B
C
D
E
F#
A调
A
B
C#
D
E
F#
G#
B调
B
C
D
E
F
G
A
（7）音乐代码库的建立方法，先找出乐曲的最低音和最高音范围，然后确定音符表T的顺序，把T值表建立在TABLE1。
构成发音符的计数值放在“TABLE”，简谱码（音符）为高位，节拍为（节拍数）为低4位，音符节拍码放在程序的“TABLE”处。
2.1.3花样灯原理
LED显示电路是由8个LED发光二极管组成，连接方式为共阳极，LED接到单片机的P1口，若为低电平，可使LED亮起。
发光二极管的亮、灭由内部程序控制，8个LED发光二极管由两个按键控制，显示两种不同的花样。
2.2设计思路
为了确定其设计方案，首先必须构思好初步的设计思路。
根据设计要求和实验仿真条件，初步的设计思路可以总结如下：
（1）单片机的时钟引脚外接晶振频率为12MHZ的晶振信号电路。
（2）利用LCD12864液晶显示模块实现文字显示。
（3）当前花样灯用8只LED发光二极管组成。
（4）键盘采用独立式键盘，需要2个键。
（5）采样时间用定时/计数器1来实现音乐播放。
（6）采用外部中断1实现花样灯的切换。
2.3设计方案
根据设计要求和设计思路，可以确定该系统的设计方案，硬件主要由五部分组成，即LCD12864、单片机、键盘、LED显示器、扬声器。
单片机采用AT89C51。
在单片机中，定时功能既可以由硬件（定时/记数器）实现，也可通过软件定时实现。
硬件定时是利用单片机内定时器定时，启动以后定时器可与CPU并行工作，不占用CPU时间，CPU有较高的工作效率。
定时器的TMOD用于设置定时器/计数器的工作方式0～3，并确定用于定时还是用于计数。
TCON主要功能是为定时器在溢出时设定标志位，并控制定时器的运行或停止等。
硬件电路设计如图2.3所示：
时钟电路
按键电路
AT89C51
LED显示电路
音乐播放
文字显示电路
图2.3硬件电路设计图
第3章硬件电路设计
3.1按键设计电路图
对于按键电路的设计可以有2种方式：
一种方式是直接按键设计，也称独立按键，这种设计电路适用于按键较少的控制，具有按键电路简单，编程方便等优点；另一种方式是矩阵式键盘的设计，它适用于对控制按键较多的电路控制，占用较少的I/O接口，但是按键电路复杂，编程比较复杂。
本课题总共只需要2个按键，所以采用独立按键设计。
由上到下的按键分别是花样灯1，花样灯2，如图3.1所示：
图3.1按键电路图
3.2显示汉字电路设计图
本课题所采用得是由LCD12864作为显示电路，用以显示贺卡所要表达的文字即生日快乐。
硬件电路连接是单片机P0.0~P0.7接12864的DB0~DB78个各管脚，P2.0~P2.4接12864的控制端E、RW、RS、CS2、CS1。
连接图如图3.2所示：
图3.2显示汉字电路图
3.3花样灯电路设计图
LED显示电路是由8个LED发光二极管组成，连接方式为共阳极，LED接到单片机的P1口。
连接图如图3.3所示：
图3.3花样灯电路图
第4章软件设计
4.1主程序流程图及程序
初始化
左右屏控制
起始页设置
起始列设置
显示汉字设定
调用写汉字子程序
起始页设置
起始列设置
显示汉字设定
调用写汉字子程序
起始页设置
起始列设置
显示汉字设定
调用写汉字子程序
起始页设置
起始列设置
显示汉字设定
调用写汉字子程序
起始页设置
起始列设置
显示汉字设定
调用写汉字子程序
起始页设置
起始列设置
显示汉字设定
调用写汉字子程序
结束
开始
调用音乐播放子程序
图4.1主程序流程图
写入起始页地址
写入起始列地址
R0=0
调入写入数据子程序
R0=R0+1
R0=16？
？
起始页地址加1
重新设置起始列地址
调用写入数据子程序
R0=32？
R0=R0+1
计算汉字代码初始地址
RET
N
Y
N
Y
图4.2主程序的子程序流程图
4.2音乐播放子程序及流程图
4.2.1音乐播放子程序代码
MUISC：
MOVTMOD,#01H
MOVIE,#82H
START0：
MOV30H,#00H;取简谱码指针，初次30H=00
NEXT：
MOVA,30H
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR;查表，首址（第0位）是52H
MOVR2,A；R2暂存简谱码，R2=52H
JZEND0；取到结束码（00H），跳至END0
ANLA,#0FH；取低4位（节拍码），A=02H
MOVR5,A；节拍码存于R5
MOVA,R2
SWAPA;交换高低4位，A=25H
ANLA,#0FH；取低4位（音符码），A=05H
JNZSING；取到的音符码为0吗？
不是跳至SING
CLRTR0；是，则不发音
JMPD1
SING：
DECA；取到的音符码，减1，A=4
MOV22H,A
RLA;乘2，A=8
MOVDPTR,#TABLE1；到表TABLE1取T值，首址64260
MOVCA,@A+DPTR
MOVTH0,A
MOV21H,A
MOVA,22H
RLA
INCA
MOVCA,@A+DPTR
MOVTL0,A
MOV20H,A
SETBTR0；启动定时器
D1：
CALLDELAY；基本延时单位187毫秒
INC30H
JMPNEXT；取下一个简谱码
END0：
CLRTR0；停止定时器0计时
JMPSTART1；重复循环
TIM0：
PUSHACC；定时器0中断子程序，重复加载
PUSHPSW
MOVTH0,21H
MOVTL0,20H
CPLP3.7；P3.7输出
POPPSW
POPACC
RETI
DELAY：
MOVR7,#02
D2：
MOVR4,#187
D3：
MOVR3,#248
DJNZR3,$
DJNZR4,D3
DJNZR7,D2
DJNZR5,DELAY；节拍的长短，即每个音符的发音时间的长短
RET
TABLE1：
DW64260,64400,64524,64580
DW64684,64777,64820,64898
DW64968,65030,65058,65110
DW65157,65178,65217
TABLE：
DB82H,01H,81H,94H,84H
DB0B4H,0A4H,04H
DB82H,01H,81H,94H,84H
DB0C4H,0B4H,04H
DB82H,01H,81H,0F4H,0D4H
DB0B4H,0A4H,94H
DB0E2H,01H,0E1H,0D4H,0B4H
DB0C4H,0B4H,04H
DB82H,01H,81H,94H,84H
DB0B4H,0A4H,04H
DB82H,01H,81H,94H,84H
DB0C4H,0B4H,04H
DB82H,01H,81H,0F4H,0D4H
DB0B4H,0A4H,94H
DB0E2H,01H,0E1H,0D4H,0B4H
DB0C4H,0B4H,04H
DB00H；简谱码表，高四位为音符，低四位为节拍数
END
给30H赋初值
A=30H
查表
简码表存于R2
给DPTR赋初值
建立简谱码
建立初值
系统初始化
取A的低四位存于R5
R2=00H？
？
取Ａ的高四位存于Ａ
TR0
调用延时
A=00H？
30H加1
TR0=0
给DPTR赋初值
建立TABLE1
查表
TH0=A,21H=A
查找下一个T值
TL0=A，20H=A
，20H=a
启动定时器
跳至花样灯
开始
4.2.2音乐子程序流程图
Y
N
N
Y
图4.3音乐子程序流程图
4.3花样灯程序及流程图
4.3.1花样灯程序代码
START1：
SETBIT0；系统初始化
SETBEX0
SETBIT1
SETBEX1
SETBEA
MOVA,#0FEH
LOOP:
MOVP1,A；依次点亮，循环点灯
LCALLDELAY
RLA
LJMPLOOP
INTER0:
JNBP2.5,S1；若P2.5=0，切换到花样灯1
JNBP2.7,S3；若P2.7=0，切换到花样灯2
SJMPEXIT
S1:
MOVR2,#10；八只彩灯“亮—灭—亮”闪烁10次
S2:
MOVP1,#00
LCALLDELAY1
MOVP1,#0FFH
LCALLDELAY1
DJNZR2,S2
SJMPS1
RETI
S3:
MOVR3,#10；八只彩灯从0、2、3、6到1、3、5、7交替闪烁10次
S4:
MOVP1,#0AAH
LCALLDELAY1
MOVP1,#55H
LCALLDELAY1
DJNZR3,S4
SJMPS3
EXIT:
RETI
DELAY:
MOVR0,#0FFH
D1:
MOVR1,#0FFH
D2:
NOP
NOP
DJNZR1,D2
DJNZR0,D1
RET
END
4.3.2花样灯流程图
开始
图4.4花样灯流程图
P2.5=0？
P2.7=0？
R2=10
P1=00H
延时
P1=0FFH
延时
R2-1=0
R3=10
P1=AAH
延时
P1=55H
延时
R3-1=0
中断返回
开始
Y
Y
N
NN
YY
图4.5花样灯中断服务流程图
第5章系统调试及软件仿真
在Proteus仿真软件中实现LCD12864液晶模块显示“生日快乐”的同时，蜂鸣器播放生日歌。
当生日歌播放完之后，八只彩灯被依次点亮并循环，如若要切换彩灯花样，可以按键实现。
在本次仿真过程中遇到的最大问题就是，出现“SimulationisnotrunninginrealtimeduetoexcessiveCPUload”的提示信息。
软件仿真时，音乐播放速度特别慢，感觉像卡带了一样，我以为是电路出了问题。
上网查询了解到，CPU过载，导致仿真速度不能实时运行，可能与电脑的配置过低，Proteus仿真软件的版本低以及电路太复杂有关，并不一定就是电路图出问题。
这个问题的出现，让我了解到，Proteus仿真软件要达到实时运行的效果还是有差距的。
在Proteus仿真软件的帮助教程中已经提到这方面问题的解决方案，我试着根据上面的方案进行操作。
分别点击电阻和发光二极管的属性，选“使用文本方式编辑所有属性（Editallpropertiesastext）”，将PRIMTIVE属性中的ANALOG改为DIGITAL。
按此操作，将所有的电阻和发光二极管的属性改变。
这次仿真时，音乐播放的速度基本正常，CPU占用不总是100%。
另外，我还发现改变属性的发光二极管比原先亮很多。
仿真时，文字显示效果图，如图5.1：
图5.1文字显示仿真结果
当按键花样灯1按下时，八只彩灯“亮—灭—亮”闪烁5次，如图5.2：
图5.2花样灯1仿真结果
当按键花样灯2按下时，八只彩灯从0、2、4、6到1、3、5、7交替闪烁，如图5.3和图5.4：
图5.3花样灯2仿真结果
图5.4花样灯2仿真结果
图形说明：
图5.1，刚开始仿真时，显示“生日快乐”，并伴随响亮的生日快乐歌曲。
图5.2，刚开始仿真时，按花样灯一时，显示“生日快乐”，伴随响亮的生日快乐歌曲，并且亮灯，八个彩灯按“亮灭亮”交替闪烁五次。
图5.3和图5.4，刚开始仿真时，按花样灯二时，显示“生日快乐”，伴随响亮的生日快乐歌曲，并且亮灯，先是0、2、4、6开始亮，熄灭后1、3、5、7接着亮，连着就是交替闪烁。
总结
通过短暂的两周时间的课程设计，使我对单片机的基本原理以及单片机的汇编语言编程有了一
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