信息工程学院
课程设计报告书
题 专
目: 带有LCD显示的音乐倒数计时器 业： 计算机科学与技术
日
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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C52，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 C52
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目 录
摘 要 ..................................................................................................................................... I 1前 言 ................................................................................................................................. 1 1.1 课题开发背景 .............................................................................................................. 1 1.2 课题研究的目的和意义 .............................................................................................. 1 1.3 课题的主要研究工作 .................................................................................................. 1 2 系统硬件设计及说明 ........................................................................................................ 3 2.1系统组成及总体框图 ................................................................................................... 3 2.2部分硬件方案论述 ....................................................................................................... 3 2.3硬件电路图 ................................................................................................................... 4 2.4元件清单 ....................................................................................................................... 4 2.4.1 ATC52 ................................................................................................................. 4 2.4.2 LCD1602 ................................................................................................................ 5 2.4.3按键控制单元 ............................................................................................................................ 6 2.4.4 SPEAKER .................................................................................................................................... 7 3系统软件设计 ..................................................................................................................... 8 3.1 系统总体功能流程图 .................................................................................................. 8 3.2 使用单片机实现音乐节拍 ........................................................................................ 10 3.3使用单片机产生音频脉冲 ......................................................................................... 11 3.4使用定时器实现定时功能 ......................................................................................... 12 3.5程序描述............................................................................................................................................ 12 4总结与展望 ....................................................................................................................... 15 参考文献 .............................................................................................................................. 16
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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ATC52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。
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[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”。
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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。
C52芯片 LCD显示电路 振荡电路 复位电路 音频输出电路 键盘或开关控制电路
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。 2.22 LCD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
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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。 2.4.1 ATC52
ATC52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，ATC52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）Flash ROM · 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
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图2-2 系统硬件连接图
2.4.2 LCD1602
图2-3 16×2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2-1 1602液晶模块控制指令
序号 指令 1 清显示 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 0 5
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2 光标返回 3 置输入模式 4 显示开/关控制 5 光标或字符移位 6 置功能 7 置字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 11 从CGRAM或DDRAM读数 2.4.3按键控制单元
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 D F 1 C * * B * * 1 I/D S 1 S/C R/L * 1 DL N 字符发生存贮器地址 显示数据存贮器地址 计数器地址 要写的数据内容 读出的数据内容 1 BF 10 写数到CGRAM或DDRAM） 1 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
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2.4.4 SPEAKER
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
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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
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开始初始化相关变量及LCD显示工作指示灯LED闪动K1~K4设置计时初值NK5否按下Y（开始倒计时）LCD倒计时显示K1是否按下YNNK2~K3是否按下Y（设置完成）YN倒计数时间加减操作N倒计数为零YK4是否按下输出音乐结束
3.1.2 模块（5）的流程图：
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LCD倒计时显示K1是否按下Y关定时器K2是否按下YK3是否按下Y增加倒计数时1分钟NN减少倒计数时1分钟K4是否按下Y开定时器
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 调4/4 调3/4 125ms 187ms 曲调值 调4/4 调3/4 DELAY 62ms 94ms 10
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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 B 5 B4 B3 B2 B 1 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） 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。
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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
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M0、M1为工作方式选择位
M1M0=00方式0 M1M0=10方式2 M1M0=01方式1 M1M0=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=0XB7 TH0=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→K1 P2.1→K2 P2.2→K3 P2.3→K4 P2.4→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 void ChangeTime() {
unsigned char b,a=0xFE, b=a|P2;
if(b==0xFE) //K1按下
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{
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： void INT_T0() interrupt 1 {
TH0=0x3C; TL0=0xB7; count++;
if(count==10) //定时到1秒 {
sec--; //倒计时秒减1
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count=0;
if(sec==-1) {
min--; sec==59; } } }
（3）主函数
void main() /*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*/ …………………………….
}
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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。
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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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