单片机LCD显示的音乐倒数计时器.docx
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单片机LCD显示的音乐倒数计时器
信息工程学院
课程设计报告书
题目:
带有LCD显示的音乐倒数计时器
专业：
日
摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制系统日新月益更新。
单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。
本次课程设计的项目是带有LED显示的音乐倒数计时器。
主体使用89C52，通过几个开关进行控制，其中开关K1用于切换时间设置状态和时钟运行状态；开关K2用于切换修改时间数值；开关K3用于使相应数值加1调节；开关K4用于减1调节；开关K5用于设定倒计时时间，并且设定好后到时间通过实验箱音频放出一段乐曲作为闹铃。
选做增加项目：
还可增加秒表功能（精确到0.01s）或年月日设定功能
关键词：
单片机课程项目计时器89C52
1前言
1.1课题开发背景
随着单片机技术的成熟，单片机已经渗透到我们的学习、生活、生产和工作各个领域中,凡是有自动控制要求的地方一般都会有单片机的身影出现：
从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。
单片机的应用有利于铲平的小型化、多功能化和智能化。
有利于提高生产、生活效率，保证安全。
本系统的开发也是旨在给人们的生活带来方便。
单片机技术使我们可以利用软硬件实现倒计数计时器的功能，从而为生活带来方便，例如工作生活中小睡片刻或者做食物等，可以做一小段时间计时，并且可以进行一定的功能扩展。
鉴于传统计时器只是能够纯粹的实现计时功能，而该设计不但可以实现对基本计时功能，同时当倒数计时为0时，还会发出一段音乐，起到一定的提醒功能，而且还可以添加时钟、闹钟、秒表功能和万历年显示功能。
使该设计功能更加完善。
1.2课题研究的目的和意义
利用AT89C52单片机自带资源，设计一款带有LCD显示的音乐倒数计时器。
1.3课题的主要研究工作
本课题设计的主要工作要求有以下几个方面：
（1）字符型LCD（16×2）显示器，显示格式为“TIME分分：
秒秒”。
（2）用4个按键操作来设置当前想要倒计数的时间。
（3）一旦按下键K5则开始倒计数，当计数为0时，发出一阵音乐声。
（4）程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，按下操作键K1~K4动作如下：
·K1---可调整倒计数的时间1~60分钟。
·K2---设置倒计数的时间为5分钟，显示“0500”。
·K3---设置倒计数的时间为10分钟，显示“1000”。
·K4---设置倒计数的时间为20分钟，显示“2000”。
（5）复位后LCD的画面应能显示倒计时的分钟和秒数，此时按K1键，则在LCD上显示出设置画面。
此时，若：
·按K2键---增加倒计数的时间1分钟。
·按K3键---减少倒计数的时间1分钟。
·按K4键---设置完成。
[扩充功能]：
（1）增加时钟及闹钟功能。
（2）增加秒表计数功能。
（3）增加万年历显示“年月日”。
2系统硬件设计及说明
2.1系统组成及总体框图
硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。
该设计要实现一种由单片机控制的带LCD显示的倒数计时器，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号。
该设计具有5个功能按键，用户可以通过这些按键设置定时时间和选择控制定时，倒计数为零时，可通过扬声器将音乐播放出来。
系统结构图如图2-1所示。
图2-1系统结构图
2.2系统硬件方案论述
2.21系统方案概述
利用单片机、LCD显示器和压电喇叭实现音乐倒数计时器。
单片机具有高性能、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。
它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功能消耗及可靠性等方面均有独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。
而LCD显示器具有以及小、重量轻、工作电压低、功耗极低、显示内容丰富、稳定可靠、成本低控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑等特点。
2.22LCD显示方式的方案比较。
方案一：
采用花样显示，花样显示是指lcd显示某一屏字符时，采取从左到右或者是从右到左的整屏移动的显示方式。
在这种显示方式下，给人的感觉就是程序是在执行的，同时如果控制好了移动一屏的时间间隔的话，在整体视觉上可以达到很好的效果。
方案二：
采用静态显示，静态显示是指lcd显示某一屏字符时，时钟保持当前字符的显示，不使用移屏显示。
便于控制，同时能够满足正常的显示效果。
由于在显示中存在播放时间的动态变化，这样的话，即使是不产生整屏移动，也能给人动态感，也易于控制。
基于以上各种特点，设计时该系统选择了方案二。
2.3硬件电路图
系统硬件电路图如图2-2所示。
2.4元件清单
因为小组是分工协作的，我主要的工作是设计模块（5），后面将会具体介绍。
2.4.1AT89C52
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
主要特性：
·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断·可编程UART串行通道
·2个外部中断源·共8个中断源
·2个读写中断口线·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式
·软件设置睡眠和唤醒功能
图2-2系统硬件连接图
2.4.2LCD1602
图2-316×2的液晶显示屏LM016L
1602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-1所示.
表2-11602液晶模块控制指令
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
2.4.3按键控制单元
采用5个button，分别用来设置定时时间或控制定时功能，对应P2.0~P2.4端口。
其硬件连接如图2-4所示。
图2-4按键连接图
2.4.4SPEAKER
当倒计数为0时，系统需放出一段音乐，其音频输出是通过SPEAKER实现。
音频电路输出如下：
图2-5音频输出连接图
3系统软件设计
本软件设计关键是要实现一种由单片机控制的带有LCD显示的音乐倒数计时器。
通过K1~K5开关进行控制时间设置来完成其基本功能，当倒计时为零时，通过通过扬声器放出一段乐曲作为闹铃。
3.1系统总体功能流程图
3.1.1系统基本流程图
3.1.2模块（5）的流程图：
3.2使用单片机实现音乐节拍
除了音符以外，节拍也是音乐的关键组成部分。
节拍实际上就是音持续时间的长短，在单片机系统中可以用延时来实现，如果1/4拍的延时是0.4秒，则1拍的延时是1.6秒，只要知道1/4拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的陪数。
如果单片机要自己播放音乐，那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置，由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。
对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。
音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）具体如表3-1所示。
表3-1音乐节拍表
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调4/4
125ms
调4/4
62ms
调3/4
187ms
调3/4
94ms
调2/4
250ms
调2/4
125ms
3.3使用单片机产生音频脉冲
了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐，对于单片机而言，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它的定时/计数器来产生这样的方波频率信号，因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。
在本实验中，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，C调的各音符频率与计数值T的对照如表3-2所示。
T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：
TH0=T/256，TL0=T%256
3.4使用定时器实现定时功能
3.41定时器的工作方式和方式设定
MCS-51单片机有两路独立的定时器，每路定时器有4种工作方式（0～3），方式0是13位计数结构，计数器由TH全部8位与TL的低5位构成；方式1是16位计数结构，计数器由TH与TL全部8位共16位组成；方式2是8位计数结构方式，计数器由TL8位组成，与其他方式不同的是,当定时溢出时，硬件自动将TH的值装入TL中，有自动加载功能。
前三种工作方式，两路定时器的设置与使用完全相同，但在工作方式3下，两路定时器有很大差别，只有0路定时器可以工作在方式3下，1路定时器只能工作在方式0～2下，在工作方式3下，0路定时器被拆分成两个独立的8位计数器TL0与TH1，其中0路定时器的各控制位和引脚信号全归TL0使用，因此TH0只能做简单的定时器使用，其控制位占用了1路定时器的控制位，如果0路定时器工作在方式3下，1路定时器由于让出了所属控制位，通常作为串行口波特率发生器[3]。
定时器的工作方式选择主要依靠设置TMOD寄存器的值，其各位定义如下：
位序
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
位符号
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
其中，B0～B3用来控制0路定时器，B4～B7用来控制1路定时器。
GATE位为门控位，主要确定定时器启动的方式，如果GATE=0，则用TR0（TR1）位启动/关闭定时器，如果GATE=1，则以外中断请求信号（INT0或INT1）启动定时
器。
C/T位为定时与计数选择位，C/T=0为定时方式，C/T=1为计数方式。
M0、M1为工作方式选择位
M1M0=00方式0M1M0=10方式2M1M0=01方式1M1M0=11方式3
选择定时器工作方式，应根据上述规定向寄存器TMOD中写入相应数
设计本系统时选择的是T0定时器，工作在方式1下。
3.42定时器计数初值设置
定时器工作方式选定后，定时溢出时间唯一取决于计数器的初值，如何根据应用需要确定计数器初值，也是定时器应用的一个重要问题。
假定单片机机器周期为K0，所选定的定时方式计数器为n位，所实现的定时时间长度为T，则有：
（2n－x）K0=T
其中x为计数器的初值，根据上式可以求出初值x为：
x=2n－（T/K0）
单片机机器周期k0由单片机时钟频率f确定即：
k0=12/f
在实际应用中，本系统单片机时钟频率f为6mHz所以单片机机器周期k0=2μs，然后根据选定的工作方式确定计数器位数n，将所得k0与n代入式2，求出计数初值x,并根据所选择的计数方式将x的值分入TH0与TL0。
经计算得，该定时器定时100ms时的计数初值为TL0=0XB7TH0=0X3C
3.5程序描述
3.51程序功能描述
我主要的工作是设计模块（5），其具体实现功能如下：
复位后LCD的画面应能显示倒计时的分钟和秒数，此时按K1键，则在LCD上显示出设置画面。
此时，若：
·按K2键---增加倒计数的时间1分钟。
·按K3键---减少倒计数的时间1分钟。
·按K4键---设置完成。
其电路连接：
P2.0→K1P2.1→K2P2.2→K3P2.3→K4P2.4→K5
按键按下，则相应端口输出为0（低电平）
3.52程序代码
（1）按键控制和更改时间函数
voidChangeTime（）
{
unsignedcharb,a=0xFE,
b=a|P2;
if（b==0xFE）//K1按下
{
TR0=1;//关定时器T0，计时暂停
a=0xFD;
b=a|P2;
if（b=0xFD）//K2按下
{
min++;//增加1分钟定时时间
a=0xF7;
b=a|P2;
if（b=0xF7）//K4按下
{
TR0=0;//开定时器T0，计时重新开始
}
}
a=0xFB;
b=a|P2;
if（b=0xFB）//K3按下
{
min--;//减少1分钟定时时间
a=0xF7;
b=a|P2;
if（b=0xF7）//K4按下
{
TR0=0;//开定时器T0
}
}
}
（2）定时（定时器T0）功能函数：
voidINT_T0（）interrupt1
{
TH0=0x3C;
TL0=0xB7;
count++;
if（count==10）//定时到1秒
{
sec--;//倒计时秒减1
count=0;
if（sec==-1）
{
min--;
sec==59;
}
}
}
（3）主函数
voidmain（）/*主程序*/
{
TMOD=0x01;/*设置T0的工作模式为方式1*/
TL0=0XB7;/*设置定时计数初值*/
TH0=0X3C;
EA=1;/*允许CPU中断*/
ET0=1;/*允许T0中断*/
…………………………….
}
4总结与展望
此次课程设计，系统部分功能已实现。
可以播放存储演奏一首喜欢的曲子，基本达到预定的效果。
在设计的过程中，小组各成员各负其责，设计不同模块。
不仅提高了设计的效率，而且体现了实践动手及团队合作的精神。
经过一周的课程设计，真的感觉收获还是不少。
刚开始是画元件电路图，很大一部分时间用来画键盘电路模块了，由于上课的时候只是一些理论知识，实际要画出电路，感觉有些吃力，但反复看几遍书上的讲解，以及在老师的指导讲解下，最后能很好的掌握理解键盘扫描的的原理并画出连接电路。
虽然，后来发现这次设计的项目中并不需要用到键盘扫描，但学到了就算是有收获，而且可以考虑键盘扫描作为这个项目的扩展方向。
再就是，之前一直都只是知道，只要给一段音乐，通过音频元件输出就可以，并不知道其最根本的原理方法，通过老师细心的讲解，让我了解到，音乐其实从根本上，是通过控制高低电平延续时间长短来实现的，这让我感到很好奇，也觉得挺有趣。
通过这次课程设计，能将学过的知识系统的组织到一起，通过解决实际遇到的问题，能进一步增强了对知识点的理解，也可以找出自己掌握得不好的地方，得以进一步学习。
参考文献
[1]李朝青，单片机原理及接口技术（第3版）[M].北京：
北京航天航空大学出版色，2001.
[2]康华光，陈大钦.电子技术基础—模拟部分（第五版）［M].北京：
高等教育出版社，2005
[3]赵鑫，蒋亮,齐兆群等.数字电路设计[M].北京机械工业出版社,2005
[4]苏家健、曹柏荣、汪志锋，单片机原理及应用技术[M].高等教育出版社
[5]于海生，微型计算机控制技术选编[M].清华大学出版社，1999.
[6]胡汉才，单片机原理及其接口技术[M].北京：
清华大学出版社，2004.
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