《單片機應用技術》課件第2章

項目2可調(diào)式電子鬧鐘系統(tǒng)設計2.1項目要求

2.2理論知識

2.3項目分析及實施

2.4項目拓展

2.5項目總結習題

2.1項目要求

本項目要求設計一個可調(diào)式電子鐘，此電子鐘具有隨意設置起始時間和鬧鈴時間的功能，系統(tǒng)開始時通過按下“啟動/停止”鍵啟動時鐘運行，默認起始時間為0時0分0秒，可以通過按下“時”、“分”、“秒”鍵分別設置時鐘起始時間，當按下“鬧鈴”鍵時，可以設置鬧鈴時間，鬧鈴時間到時，蜂鳴器響起，進行鬧鈴提醒。每次修改時間之后，按“確認”鍵完成修改。

項目重難點：

(1)51單片機定時/計數(shù)器工作原理及控制方式；

(2)51單片機的中斷系統(tǒng)；

(3)51單片機與LED數(shù)碼管的接口原理；

(4)數(shù)碼管動態(tài)顯示原理及程序控制；

(5)51單片機與鍵盤的接口原理；

(6)按鍵的識別方法。

技能培養(yǎng)：

(1)掌握51單片機定時/計數(shù)器工作原理及編程控制方法；

(2)掌握編寫中斷服務程序的方法；

(3)掌握51單片機與LED數(shù)碼管接口電路的設計方法，并能熟練編寫顯示程序；

(4)掌握鍵盤與單片機的接口電路設計方法；

(5)能夠熟練編寫矩陣鍵盤掃描程序。 2.2理論知識

2.2.1

51單片機的中斷系統(tǒng)

1.中斷的概念

CPU在處理某一事件A時，發(fā)生了另一事件B請求CPU迅速去處理(中斷發(fā)生)；CPU暫停當前的工作，轉(zhuǎn)去處理事件B(中斷響應和中斷服務)；待CPU將事件B處理完畢后，再回到原來事件A被中斷的地方繼續(xù)處理事件A(中斷返回)，這一過程稱為中斷。

CPU處理中斷事件的過程如圖2-1所示。圖2-1

CPU處理中斷事件過程

2.中斷源

引起CPU中斷的根源稱為中斷源。51單片機中每個中斷源對應一個中斷標志位，當某個中斷源有申請時，相應的中斷標志位置1。

MCS-51有3類中斷：外部中斷、定時中斷、串行中斷。

由外部信號引起的中斷稱為外部中斷。51單片機有兩個外部中斷，分別從P3.2引腳和P3.3引腳引入，稱為外部中斷0(INT0)和外部中斷1(INT1)。

外部信號向CPU請求中斷的方式有兩種：電平方式、脈沖方式。

電平方式：低電平有效。單片機硬件電路在P3.2或P3.3引腳采樣到有效的低電平時，即為有效中斷請求。脈沖方式：下降沿觸發(fā)有效。硬件電路在相鄰的兩個機器周期對P3.2和P3.3采樣，如前一次為高電平，后一次為低電平，即為有效中斷請求。

除了外部中斷之外，51單片機還有兩類內(nèi)部中斷(定時中斷、串行中斷)。51單片機內(nèi)部有兩個定時/計數(shù)器(T0、T1)，當定時時間到或計數(shù)值滿時，就以計數(shù)溢出信號作為中斷請求，去置位溢出標志位，向CPU請求中斷，即為定時中斷。當單片機與其他外設進行串行通信時，每當串行接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生一個中斷請求，即為串行中斷。

3.51單片機中斷系統(tǒng)結構

51單片機中，中斷源有6個，分別為INT0、INT1、T0、T1、RX、TX。每個中斷源都有一個唯一的入口地址，相應的中斷服務程序從中斷入口地址開始存放。其中，RX、TX屬于串行口中斷，它們共用一個入口地址，所以入口地址為5個，51單片機的入口地址如表2-1所示。圖2-2所示為51單片機中斷系統(tǒng)結構，主要通過TCON、SCON、IE、IP寄存器實現(xiàn)對中斷的控制。表2-1各中斷源入口地址及中斷號圖2-2

51單片機中斷系統(tǒng)結構

4.中斷控制

TCON寄存器和SCON寄存器主要是對中斷系統(tǒng)中中斷源的控制。TCON寄存器為定時/計數(shù)器控制寄存器，字節(jié)地址為88H，可以進行位尋址。每一位的定義如表2-2所示。表2-2

TCON寄存器各位定義并不是只要中斷源向CPU請求中斷，CPU都會響應該中斷，而是通過中斷允許寄存器來決定CPU是否會響應該中斷請求。51單片機中的中斷允許寄存器(IE)的字節(jié)地址為A8H，可進行位尋址，每一位的定義如表2-3所示。表2-3

IE寄存器各位定義

IE寄存器中，每一個中斷允許控制位都可由軟件編程控制。比如，若需要CPU響應來自定時器T0的中斷請求，則需要打開T0中斷允許以及總中斷允許，方法是在程序中添加指令：EA=1；ET0=1?？梢姰斠驝PU響應某個請求時，不但要打開分中斷允許，還要打開總中斷允許。當總中斷允許關閉時，不管分中斷允許狀態(tài)如何，CPU都不響應中斷請求。

當幾個中斷源同時向CPU請求中斷時，就存在CPU優(yōu)先響應哪一個中斷源請求的問題(優(yōu)先級問題)，一般根據(jù)中斷源的輕重緩急排隊，優(yōu)先處理最緊急事件的中斷請求。于是便規(guī)定每一個中斷源都有一個中斷優(yōu)先級別，并且CPU總是響應級別最高的中斷請求。但是當CPU正在處理一個中斷源請求的時候，另一個中斷源又提出了新中斷請求，CPU是否響應新的中斷請求，在于新中斷請求的優(yōu)先級是否高于目前正在處理的中斷請求。如果新中斷請求的優(yōu)先級高于正在處理的中斷請求，則CPU暫時中止對目前中斷處理程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理新中斷請求，待處理完以后，再繼續(xù)執(zhí)行原來的低級中斷處理程序，這樣的過程稱為中斷嵌套，中斷嵌套示意圖如圖2-3所示。如果新中斷請求的優(yōu)先級低于正在處理的中斷請求，則CPU將繼續(xù)執(zhí)行正在處理的中斷程序。圖2-3中斷嵌套示意圖

51系列單片機具有兩個中斷優(yōu)先級。對于所有的中斷源，均可由軟件設置為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷，并可實現(xiàn)兩級中斷嵌套。一個正在執(zhí)行的低優(yōu)先級中斷服務程序，能被高優(yōu)先級中斷源所中斷。同級或低優(yōu)先級中斷源不能中斷正在執(zhí)行的中斷服務程序。

所以CPU對中斷的處理遵循以下三條原則：

(1)同時收到幾個中斷源的請求時，響應優(yōu)先級別最高的；

(2)中斷服務過程不能被同級、低優(yōu)先級的中斷源所中斷；

(3)低優(yōu)先級的中斷服務，能被高優(yōu)先級的中斷源所中斷。每個中斷源的中斷優(yōu)先級都可以由軟件指令來設定，對中斷優(yōu)先級的控制通過優(yōu)先級寄存器(IP)來實現(xiàn)。IP寄存器的字節(jié)地址為B8H，可進行位尋址，每一位的定義如表2-4所示。表2-4

IP寄存器各位定義

5.中斷處理過程

中斷的處理過程主要有四步：

(1)中斷請求，當中斷源需要中斷服務時，置位自己的中斷請求標志位。

(2)中斷響應，CPU在每個機器周期的最后一個狀態(tài)(S6狀態(tài))按優(yōu)先級或硬件查詢次序查詢各中斷請求標志位，當查詢到有效的中斷請求時，若總中斷允許打開(EA=1)，對應中斷源的中斷允許打開，CPU就會響應這個中斷請求。在進行中斷服務之前，CPU要先執(zhí)行完正在執(zhí)行的那條指令，并將這條指令的地址保存到程序計數(shù)器(PC)中。

(3)中斷服務，CPU響應中斷后，去完成中斷源請求的事情，即轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序。

(4)中斷返回，在執(zhí)行完中斷服務程序之后，CPU返回到剛才被中斷的位置(程序計數(shù)器中保存的位置)繼續(xù)執(zhí)行程序。

6.中斷標志的清除

單片機系統(tǒng)中的中斷源只有外部中斷、定時/計數(shù)器中斷、串行口中斷，當CPU響應中斷之后，要及時清除中斷標志，否則CPU會不斷的響應中斷。

中斷標志的清除有四種情況：

(1)INT0、INT1中斷標志(IE0、IE1)。外中斷標志的清除不僅與中斷標志位有關還與中斷請求信號有關。中斷標志位在中斷響應后自動清零。對于脈沖方式的中斷請求，由于脈沖信號過后就自動消失，也就是說中斷請求信號也自動消失。對于電平方式的中斷請求，若中斷請求的低電平信號保持時間過長，又會重新置位IE0或IE1，導致CPU重復響應中斷，所以在硬件電路設計上需考慮這個低電平的持續(xù)時間，確保CPU響應中斷后，清除低電平。

(2)定時/計數(shù)器中斷標志(TF0、TF1)。CPU響應中斷后，硬件自動清除了相應的中斷請求標志TF0、TF1。

(3)串行口中斷標志(TI、RI)。CPU響應中斷后，必須在中斷服務程序中，通過軟件指令清除。2.2.2

51單片機的定時/計數(shù)器

1.定時/計數(shù)器的結構和工作原理

51單片機的兩個定時/計時器都是16位的，由高8位和低8位兩個寄存器組成，而且都為加1計數(shù)器，其內(nèi)部結構如圖2-4所示。從圖2-4中可以看出定時/計數(shù)器主要由TCON、TMOD、TH0、TL0、TH1、TL1寄存器組成。TMOD寄存器主要決定定時/計數(shù)器的功能和工作模式。TCON寄存中的TR0、TR1控制定時/計數(shù)器的啟動和停止。TH0、TL0、TH1、TL1分別存放T1和T0的計數(shù)初始值。圖2-4定時/計數(shù)器結構

2.定時/計數(shù)器的控制

51單片機中定時/計數(shù)器的工作主要由TCON和TMOD寄存器控制。TCON寄存器已經(jīng)在表2-2中介紹。TMOD寄存器用于設定定時/計數(shù)器的工作方式，其字節(jié)地址為89H，不能進行位尋址，高四位用于T1，低四位用于T0，每一位的定義如表2-5所示。表2-5

TMOD寄存器各位定義

GATE——門控位。GATE＝0時，只要用軟件使TCON中的TR0或TR1為1，就可以啟動定時/計數(shù)器工作；GATA＝1時，不僅要用軟件使TR0或TR1為1，同時還要使外部中斷引腳(INT0或INT1)也為高電平時，才能啟動定時/計數(shù)器工作。即此時定時器的啟動條件，加上了引腳為高電平這一條件。

C/T——定時/計數(shù)模式選擇位。C/T＝0為定時模式，C/T=1為計數(shù)模式。

M1M0——工作方式設置位。定時/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設置，如表2-6所示。表2-6定時/計數(shù)器工作方式設置

3.定時/計數(shù)器工作方式

定時/計數(shù)器的四種工作方式由TMOD寄存器中的M1M0設定，下面以T0為例，具體介紹每種工作方式。

1)工作方式0、1

工作方式0為13位定時/計數(shù)器，由TL0的低5位(高3位未用)和TH0的8位組成。TL0的低5位溢出時向TH0進位，TH0溢出時，置位TCON中的溢出標志位TF0，向CPU發(fā)出中斷請求。此方式最大記錄脈沖個數(shù)為213(8192)，工作方式0的邏輯圖如圖2-5所示。圖2-5工作方式0邏輯圖

2)工作方式2

工作方式2為8位自動重裝定時/計數(shù)器。當M1M0=10時,定時/計數(shù)器工作在此方式，此時低8位TL0計數(shù)，高8位TH0存放計數(shù)初始值，當TL0溢出時，不僅由硬件電路置位TF0,向CPU申請中斷，同時硬件電路會自動將存放在TH0中的計數(shù)初值置入TL0中，TL0從此初值開始重新計數(shù)，此方式最大記錄脈沖個數(shù)為28(256)，其邏輯圖如圖2-6所示。圖2-6工作方式2邏輯圖

3)工作方式3

只有T0有工作方式3，此時T0分成兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0，T1無此工作方式。工作方式3邏輯圖如圖2-7所示。TL0使用T0原來的控制位，既可以用作定時器也可以用作計數(shù)器，TL0的工作方式與工作方式0、1相似，但是最大計數(shù)脈沖為256個。TH0占用T1的啟動控制位(TR1)和溢出標志位(TF1)，只能用作簡單的定時器。若將T1設置為工作方式3，則T1不工作。當T0工作在工作方式3時，T1可以工作在工作方式0、1、2，作為串行口的波特率發(fā)生器。圖2-7工作方式3邏輯圖 2.3項目分析及實施

2.3.1任務1——設計周期為2s的方波信號發(fā)生器

1.任務要求和分析

1)任務要求

利用單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器產(chǎn)生周期為2s的方波信號定時信號。并將這個信號從某個I/O引腳輸出。

2)任務分析

當定時器1s時間到時，讓I/O引腳交替輸出高低電平，這相當于一個周期為2s的方波信號。

在硬件設計方面，完成本任務不需要太多外圍器件，只需要直接在方波信號的輸出引腳測試高、低電平的持續(xù)時間就可以了。在軟件程序方面，需要通過對TMOD寄存器的設置，選擇好利用哪個定時/計數(shù)器及其工作方式，并對定時計數(shù)器初始化。

2.器件及設備選擇

對于方波信號而言，關鍵的問題是定時，這里直接使用單片機內(nèi)部的定時器即可，只需要讓定時器工作在某種方式下，當1s時間到時，從某個I/O引腳交替輸出高低電平。但是如何準確判斷定時是否達到1s呢？在目前掌握的知識基礎上，最簡單的方法就是在I/O引腳接示波器去觀察，本任務中選用P2.0口進行觀察。

3.任務實施

1)周期為2s的方波信號發(fā)生器硬件原理圖設計

系統(tǒng)的硬件原理圖就是在單片機最小系統(tǒng)的基礎上加觀察設備(示波器)，如圖2-8所示。在Proteus軟件中，為了方便用戶調(diào)試，已經(jīng)開發(fā)了一些虛擬儀器，如圖2-9所示，點擊

圖標，會看到有示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等虛擬儀器。選中示波器之后，選擇一個通道跟P2.0口相接，如圖2-8中所示。當程序運行起來之后，會自動彈出示波器窗口，如圖2-10所示。圖2-8方波信號發(fā)生器硬件原理圖圖2-9

Proteus中的虛擬儀器圖2-10周期為2s的方波信號

2)周期為2s的方波信號發(fā)生器軟件程序設計

軟件程序的編寫主要是對定時器的控制。

寫單片機定時器程序時，首先需要對定時器初始化，需要包含以下幾項：

(1)設置TMOD寄存器，確定使用哪個定時器及其工作模式；

(2)設置TH0、TL0或TH1、TL1，確定定時器的初始值；

(3)使TR0=1或TR1=1，啟動定時器，開始計時。

當定時/計數(shù)器工作在定時模式時，通過對內(nèi)部機器周期的計數(shù)達到定時的效果，所以定時器計數(shù)初始值和機器周期決定了定時器每記滿一次產(chǎn)生的定時時間。當定時器計數(shù)滿之后，會置位溢出標志位TF0(TF1)，在定時器中斷打開的情況下，CPU查詢到TF0(TF1)=1時，自動轉(zhuǎn)入相應中斷服務程序。若未打開定時器中斷，可以通過軟件程序不斷查詢溢出標志位TF0(TF1)的方法，處理計數(shù)滿之后的情況。

如果使用中斷方式，還需要對IE寄存器進行設置，打開定時器中斷和系統(tǒng)總中斷。本任務中只使用了一個定時器中斷，故無需設置中斷優(yōu)先級。

使用中斷方式的定時器程序如下：程序分析：

(1)程序通過TMOD=0x01設定讓T0工作在工作方式1。主函數(shù)中有“TH0=(65536－50000)/256；TL0=(65536－50000)%256；”這兩條語句為計數(shù)初始值的設定，計數(shù)器如果不設定初始值，則將從0開始計數(shù)到最大值溢出，再開始下一個循環(huán)。本任務中要實現(xiàn)1s定時，如果從0開始計數(shù)，在系統(tǒng)晶振頻率為12MHz時，機器周期為1μs,計數(shù)器在工作方式1時，最大計數(shù)值為65536，也就是說從0到65536的最長定時時間為65536μs。此時可以考慮讓計數(shù)器多中斷幾次，達到1s的時間，可是1s不是65536μs的整數(shù)倍(65536×15.2≈1s)，如果讓定時器從0到65536計數(shù)中斷15次，則定時時間約為983ms，在第16次從0計數(shù)到17000時，1s時間到產(chǎn)生中斷，但是定時器只有在計數(shù)滿時才會由硬件產(chǎn)生中斷，這樣考慮顯然很復雜。如果讓定時器從某個確定的值開始計數(shù)，當計數(shù)到最大時，記錄脈沖的個數(shù)N可以整除1s，這樣就簡單的多了。本程序正是這樣考慮的。讓定時器從15536開始計數(shù)，當計到65536時，計數(shù)脈沖個數(shù)N=50000，則定時器產(chǎn)生一次中斷的時間為50ms，這樣只要定時器每次從15536計數(shù)到65536，中斷20次，就完成了1s的定時。本程序中采用了取商和取余的方法，直接給TH0和TL0裝入初始值，不需程序員自己計算。由于工作方式1時，定時器每計滿256個脈沖，低8位就會向高8位進1，則計數(shù)初始值Nstart除以256得到的商即是TH0的初值，余數(shù)則是TL0的初值，但是這種方法會降低程序的運行速度。定時器工作在工作方式0時，則TH0=Nstart/32；TL0=Nstart%32；因為工作方式0是低5位和高8位計數(shù)，當?shù)?位計滿時就會向高8位進位。

定時器工作在工作方式2、3時，只要直接將計數(shù)初始值Nstart裝入TH0和TL0就可以了。因為工作方式2為8位定時/計數(shù)器，Nstart不可超過256。

(2)在中斷服務程序中，再次出現(xiàn)“TH0=(65536－50000)/256；TL0=(65536－50000)%256”；語句，其功能是再次裝入初始值。

(3)程序中定義的變量“num”是用來記錄進入中斷的次數(shù)，定時器每50ms進入一次中斷服務程序，num就加1，在中斷服務程序中判斷“num==20”，實質(zhì)是判斷時間是否到了1s。若時間到則給P2.0口取反，同時“num”歸零，開始下一個1s的定時。

采用查詢方式的1s定時程序如下：程序分析：

(1)本程序通過不斷查詢TF0狀態(tài)的方法實現(xiàn)定時，這種方式下，需要關閉定時器中斷。語句“while(!TF0)；”就是不斷查詢TF0位的狀態(tài)。當定時器未溢出時，TF0=0，那么(！TF)=1，“while(！TF0)”相當于“while(1)”，程序就會不斷的執(zhí)行“while(！TF0)”語句，當記數(shù)滿之后，硬件置位TF0=1，則(！TF)=0，此時“while(！TF0)”語句的條件為假，退出循環(huán)。這就是采用查詢方式對定時器的控制。注意：此時TF0需軟件清零。

(2)不論是中斷方式還是查詢方式，當定時器溢出之后(方式2除外)，都必須重新裝入初始值。

3)軟硬件聯(lián)合調(diào)試

程序編譯通過之后，生成hex文件，加入到圖2-9所示的Proteus文件中，仿真運行效果如圖2-10所示。若觀察到方波信號周期不是兩秒，則重點檢查定時器初始值是否設置正確。注意機器周期與定時器初始值之間的關系。2.3.2任務2——設計帶時間顯示的電子秒表

1.任務要求和分析

1)任務要求

利用單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器產(chǎn)生1s定時信號，并通過顯示器件顯示計時時間，當計時到59s時，從0開始重新計時。

2)任務分析

在硬件電路設計方面主要是如何將計時時間顯示出來。在軟件程序設計方面主要是如何將計時結果送到顯示器件上顯示？

2.器件及設備選擇

目前單片機系統(tǒng)中使用的主要顯示器件有LED數(shù)碼管、LCD液晶顯示屏和LED顯示屏。

(1)LED數(shù)碼管適合顯示數(shù)字信息，不能顯示較復雜的字符，而且需要顯示的數(shù)字較多時，需要采用動態(tài)掃描，分時輪流顯示。

(2)LCD液晶屏，顯示字符的種類較多，并且根據(jù)控制器的不同，有些液晶屏可以直接顯示漢字，而且其與單片機的接口電路簡單。

(3)LED顯示屏具有亮度高、故障低、能耗少、使用壽命長、顯示內(nèi)容多樣、顯示方式豐富等優(yōu)點。本任務選用共陽極數(shù)碼管作為顯示器件。為了防止流過數(shù)碼管的電路過大，燒毀數(shù)碼管，還需要采用電阻進行限流。

常用的LED數(shù)碼管有七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管。其中八段數(shù)碼管的結構如圖2-11所示。圖2-11(a)為數(shù)碼管的封裝，圖2-11(b)為內(nèi)部結構圖。圖2-11八段LED數(shù)碼管表2-7數(shù)碼管的字形碼表單片機對于LED數(shù)碼管的控制主要有兩種方式：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。

靜態(tài)顯示時各LED數(shù)碼管的共陰或共陽極連接在一起接地或接+5V，每位的段選線(a～dp)分別與一個8位并行I/O口相連。靜態(tài)顯示的特點是各LED數(shù)碼管能穩(wěn)定地同時顯示各自字形。靜態(tài)顯示典型連接電路如圖2-12所示。缺點是使用元器件較多，接線復雜，而且當數(shù)碼管較多時，占用I/O口較多。圖2-12靜態(tài)顯示典型連接電路圖動態(tài)顯示是各LED數(shù)碼管的段選線(a～dp)連接在一起,由一個8位I/O口控制，公共端(稱為位選線)分別用一根I/O線單獨控制。動態(tài)顯示時，段選線上送來的字形碼由位選線控制是哪一位數(shù)碼管顯示，各LED輪流地一遍一遍顯示各自字符，因為數(shù)碼管有余輝時間，加上人眼的視覺暫留時間，所以人看到的似乎是所有LED在同時顯示不同字符。為穩(wěn)定地顯示，每位LED顯示的時間為1～5ms。8位LED動態(tài)顯示電路如圖2-13所示。圖2-13

8位LED動態(tài)顯示電路圖

3.任務實施

1)帶時間顯示的電子秒表硬件原理圖設計

采用共陽極數(shù)碼管，靜態(tài)顯示接口方式的秒表硬件原理圖如圖2-14所示。

數(shù)碼管和發(fā)光二極管一樣，如果陽極接+5V電源，電流是流入單片機引腳內(nèi)部的，沒有限流電阻的話，電流過大容易燒壞數(shù)碼管和單片機I/O口。限流電阻大小的選擇和發(fā)光二極管限流電阻選擇是同樣的原理。如果采用共陰極的數(shù)碼管，則數(shù)碼管公共端接地，單片機I/O口需要高電平才能點亮數(shù)碼管，但是由于單片機I/O口的拉電流非常小，所以要加上拉電阻，提供大的輸出電流。圖2-14數(shù)碼管靜態(tài)顯示的秒表硬件原理圖采用共陽級數(shù)碼管，動態(tài)顯示接口方式的秒表硬件原理圖如圖2-15所示。由于51單片機I/O口的拉電流非常小，不能直接驅(qū)動數(shù)碼管，所以這里使用三極管Q1和Q2為數(shù)碼管提供大的驅(qū)動電流，Q1和Q2工作在開關管狀態(tài)，當給P2.0引腳低電平時，三極管Q1導通，數(shù)碼管1的公共端變?yōu)楦唠娖?，選通數(shù)碼管1。只要交替地使P2.0和P2.1引腳為低電平，就可以交替選通兩個數(shù)碼管。圖2-15數(shù)碼管動態(tài)顯示的秒表硬件原理圖

2)帶時間顯示的電子秒表軟件程序設計

在這個任務的程序設計上，與任務1的區(qū)別就是多了顯示部分的程序，程序如下：

靜態(tài)顯示方式時，秒表的程序如下：程序分析：

(1)程序中定義的數(shù)組table［］用來存放數(shù)碼管顯示0～9數(shù)字對應的字形碼。

(2)本程序中使用定時器1的工作方式2來完成定時。由于工作方式2是8位自動重裝的工作方式，最大計數(shù)值只有256，所以設計數(shù)初始值為56，也就是定時器每中斷一次的時間為200μs(晶振12MHz)，那么中斷5000次就可以達到

1s。注意定時器工作方式2的特點——自動重裝初始值，所以在中斷服務程序中，不需要像任務1中一樣再裝一次初始值。這里在中斷服務程序中用“num++”，來記錄進入中斷服務程序的次數(shù)。

(3)主函數(shù)中在while循環(huán)里不斷的判斷num是否等于5000，若num==5000，則對num清零，同時記錄秒時間的變量second加1，當second等于59時，對second清零，重新記錄下一個一分鐘。

(4)P0=table［second/10］；P2=table［second%10］；”這兩句指令是將秒十位和秒個位送到數(shù)碼管上顯示，在數(shù)碼管靜態(tài)顯示中，只需要向與數(shù)碼管連接的I/O口送需要顯示的字形碼，數(shù)碼管就可以顯示相應數(shù)字了。

當采用動態(tài)顯示方式時，秒表的程序如下：程序分析：

(1)在數(shù)碼管的動態(tài)顯示程序中，關鍵是要不斷給數(shù)碼管送字形碼和位碼，所以顯示部分的程序放在while(1)循環(huán)中。

(2)“delayms(5)；”延時是為了讓數(shù)碼管穩(wěn)定顯示，如果沒有延時，由于動態(tài)顯示的特點(分時輪流顯示)，快速改變段選端和位選端的數(shù)據(jù)，會使得數(shù)碼管顯示亮度不夠甚至出現(xiàn)亂碼。但是延時時間不可過長，否則會出現(xiàn)閃爍。所以動態(tài)顯示的延時很重要，延時太短，數(shù)碼管點亮時間過短，亮度不夠；延時太長，回掃間隔過大(超過11ms)，肉眼就會感覺到閃爍。這個可以根據(jù)數(shù)碼管的多少及硬件電路自行調(diào)整。

(3)“P0=0xff；”在這里的作用為“消影”，如果去掉這一句，當延時時間到時，P2口送出秒“個”位的位碼，那么秒“十”位的字形碼就會顯示到“個”位數(shù)碼上，雖然緊接著送出了“個”位字形碼，但這有可能引起數(shù)碼管顯示亂碼。加上“P0=0xff；”后，在送位碼之前，P0口段碼端的數(shù)據(jù)全是高電平，哪個數(shù)碼管都不會亮，接著送秒“個”位的位碼和字形碼，這樣可以避免亂碼的現(xiàn)象。

3)軟硬件聯(lián)合調(diào)試

在調(diào)試中，若發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示亂碼的現(xiàn)象，如果采用靜態(tài)顯示接口電路，則需在硬件上檢查數(shù)碼管是否是共陽級的，并保證接口正確，在軟件上需檢查字形碼是否正確。如果采用動態(tài)顯示接口電路，則需注意延時時間和消影。

2.3.3任務3——可調(diào)式電子鬧鐘的系統(tǒng)設計

1.任務要求和分析

1)任務要求

在任務2中，實現(xiàn)了“秒”的計時和顯示，但是沒有“分”和“時”的顯示，同時任務2中的系統(tǒng)不能實現(xiàn)停止/啟動等功能。在這個任務中，要求可以顯示“分”和“時”，以“**—**—**”的方式顯示，并且使電子鐘具備能夠隨意設置起始時間、停止計時、定時鬧鈴提醒的功能。

2)任務分析

電子鐘需要顯示的內(nèi)容增多了，那么顯示器件也要改變，根據(jù)顯示要求需要八只數(shù)碼管。如此多的數(shù)碼管如果使用靜態(tài)顯示接口電路，顯然I/O接口不夠用，所以采用動態(tài)顯示的方式，八只數(shù)碼管只需要兩個I/O口就夠了。

要實現(xiàn)電子鐘的時間設置、鬧鈴設置等功能，就需要人機接口器件，通過這個器件，用戶可以控制電子鐘的運行。

2.器件及設備選擇

關于電子鐘時間的顯示采用8位一體共陽級數(shù)碼管，對電子鐘的控制則通過按鍵來完成。

在單片機系統(tǒng)中，鍵盤是十分重要的人機對話的組成部分，是人向機器發(fā)出指令、輸入信息的必需設備。一個按鍵實際上就是一個開關元件，如圖2-16所示為單片機系統(tǒng)中常用的按鍵。根據(jù)單片機與按鍵的接口方式，鍵盤可以分為獨立式鍵盤、矩陣式鍵盤、編碼式鍵盤等。圖2-16開關式按鍵所謂獨立式鍵盤，就是每一個按鍵的電路是獨立的，占用一條數(shù)據(jù)線，一個鍵是否按下不會影響其他按鍵的狀態(tài)。這種鍵盤占用硬件資源多，適合少量按鍵的情況。如圖2-17所示，圖中S1～S4是四個獨立的按鍵，系統(tǒng)工作時，通過檢測與按鍵相接的I/O口的電平狀態(tài)判斷是否有鍵按下。對于圖2-17，當無鍵按下時，P1.0～P1.3引腳由于上拉電阻的作用，處于高電平，如果有鍵按下，I/O口的電平就會被拉向低電平。圖2-17獨立按鍵接口原理圖當系統(tǒng)中按鍵較多時，采用獨立式鍵盤顯然不可取，因為占用太多的I/O口，這時可將鍵盤排成行列式，如圖2-18所示，鍵盤的行線一端經(jīng)電阻接＋5V電源，另一端接單片機的輸入口。各列線的一端接單片機的輸出口，另一端懸空。行線與列線在交叉處不相通，而是通過一個按鍵來連通。這種結構如果有m條行線，n條列線，則可以構成具有m×n個按鍵的鍵盤。可見當需要的按鍵較多時,采用矩陣式鍵盤可以大大地節(jié)省I/O口。圖2-18矩陣鍵盤結構在矩陣鍵盤中最關鍵的是如何知道是哪個鍵被按下，也就是按鍵的識別問題。在矩陣鍵盤中，對按鍵的識別主要有兩種方法：行掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。

線翻轉(zhuǎn)法掃描的原理是：

(1)將所有行線置為低電平，列線置為高電平，讀取列線狀態(tài)，并記錄下來(若有鍵按下，則有一根列線為低電平)；

(2)將所有行線置為高電平，列線置為低電平，讀取行線狀態(tài)，并記錄(若有鍵按下，則有一根行線為低電平)；行和列都為低電平的那個交叉點上的鍵就是閉合的鍵。將兩次記錄結果按位“或”運算，就是該鍵的鍵碼。比如圖2-18中，假設鍵盤與P1口相接，首先往P1口送0x0f(行低列高)，再去讀取P1口電平，若讀回的值為0x0d，說明第二列有鍵按下，但是不能確定是在哪一行；接著往P1口送0xf0(行高列低)，再去讀取P1口電平，若讀回的值為0x70，說明是第四行有鍵按下，兩次讀回的值相“或”，其值為0x7d，此時可以確定剛剛被按下的鍵是“S14”鍵，也就是說“S14”鍵的鍵碼(鍵值)是0x7d。由此可以確定圖2-18中每個鍵的鍵碼如表2-8所示。表2-8矩陣鍵盤的鍵碼行掃描法的原理是：

(1)先判斷鍵盤中有無鍵按下。將全部行線置成低電平，列線置高電平，然后檢測列線，只要有一條列線為低電平，則表示有鍵按下，而且閉合的鍵位于低電平列線與行線的交叉處。

(2)判斷閉合鍵所在的位置。在確認有鍵按下后，依次將行線置為低電平，即只有一根行線為低電平，其余為高電平。再確定某根行線為低電平后，依次檢測各列線的電平狀態(tài)，當檢測到某根列線也為低電平后，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。除了矩陣鍵盤，還可以使用編碼式鍵盤解決按鍵較多的問題。編碼式鍵盤是利用編碼器將按鍵進行二進制編碼之后，送入I/O口，利用74LS148編碼器，將8個按鍵進行編碼，如圖2-19所示。比如，當單片機P2.2～P2.0引腳讀到011時，就可以確定是第三個鍵按下。圖2-19編碼式鍵盤結構由于鍵盤是由操作人員去控制的，很難預測什么時候會有按鍵，所以如何及時準確地獲取按鍵信息極為重要。因為按鍵有隨機性，所以在程序控制上就要不斷讀取跟鍵盤相接的I/O口狀態(tài)，可是這樣做就會占用CPU大量的時間，使得CPU無暇做其他的事情?；谝陨显颍瑔纹瑱C對鍵盤的控制方式主要有定時掃描和中斷掃描。

定時掃描就是每隔一段時間讀取一次與鍵盤相接的單片機I/O口狀態(tài)，可以利用單片機內(nèi)部的定時器來控制鍵掃描的間隔，當定時時間到時，在中斷服務程序中進行掃描，若有鍵按下，進行鍵識別之后，再對按鍵進行處理。定時掃描鍵盤不管是否有鍵按下，只要時間到就會去掃描鍵盤，很多時候沒有按鍵，那就是空掃，為了提高CPU的效率，可以利用中斷方式掃描鍵盤。在這種方式下，鍵盤的接口電路也會有所改變，如圖2-20所示。鍵盤的四條行線經(jīng)過與門連接到外中斷上，系統(tǒng)工作時，讓所有的列線都處于低電平，行線處于高電平，當有鍵按下時，就會有一根行線被拉為低電平，經(jīng)過與門之后就會觸發(fā)一次外中斷，在中斷服務程序中再進行鍵識別，判斷具體是哪個按鍵。這種方式避免了對鍵盤的空掃描，提高了CPU的效率。圖2-20中斷掃描鍵盤方式接口電路根據(jù)任務要求，設計的電子鐘可以進行鬧鈴提醒，那么當鬧鈴時間到時，如何提醒用戶呢？單片機系統(tǒng)中，大部分都是使用蜂鳴器來做提示或報警。蜂鳴器種類很多，一般按結構性能分為電磁式蜂鳴器和電子式蜂鳴器兩大類。按是否自帶震蕩源分為有源式蜂鳴器和無源式蜂鳴器，這里的“源”不是指電源，而是指震蕩源。也就是說，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫。無源式蜂鳴器內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫，必須用2KHz

～5KHz的方波去驅(qū)動它，圖2-21是有源蜂鳴器的形狀。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。蜂鳴器的驅(qū)動電路如圖2-22所示。圖2-21有源蜂鳴器形狀圖2-22蜂鳴器驅(qū)動電路

3.任務實施

1)可調(diào)式電子鬧鐘硬件原理圖設計

在這個任務中，鍵盤的功能主要是設置鬧鐘的啟動、停止、起始時間、鬧鈴設置等，需要的按鍵較多，所以采用了矩陣鍵盤。而且鬧鐘顯示的時間信息有“時”、“分”、“秒”，所需數(shù)碼管較多，故顯示部分采用數(shù)碼管動態(tài)顯示。本書所用實驗板上數(shù)碼管及鍵盤部分的接口原理圖如圖2-23所示。圖2-23鍵盤、數(shù)碼管與單片機連接圖

2)可調(diào)式電子鬧鐘軟件程序設計

在進行程序設計之前，首先要明確對時鐘的操作步驟，然后進行程序編寫。這個任務中，對時鐘的操作步驟為：開機默認顯示“00-00-00”，當按下“S15”鍵后時鐘開始工作，默認鬧鈴時間為“06-00-00”，若需要修改當前時間，需按下相應的“時”、“分”、“秒”按鍵，然后按數(shù)字鍵修改，修改的時間會在數(shù)碼管上顯示，修改完成后需要按“確認”鍵以保存修改數(shù)據(jù)。當需要修改鬧鈴時間時，先按下“鬧鈴”鍵，再分別按“時”、“分”鍵修改鬧鈴時間，修改后的鬧鈴時間也會在當前數(shù)碼管上顯示，但是當按下“確認”鍵之后，數(shù)碼管上的鬧鈴時間會消失并顯示當前時間，當鬧鈴時間到時，連接在P2.4引腳上的蜂鳴器會響起，進行提醒一分鐘。這個任務的程序設計中，主要有三大部分：

(1)計時部分程序；

(2)數(shù)碼管的動態(tài)顯示程序；

(3)鍵盤掃描及鍵處理程序。

計時部分，依然采用內(nèi)部定時器完成計時功能。其流程圖如圖2-24所示。圖2-24計時程序流程圖鍵掃描部分的流程圖如圖2-25所示，可以看到通過鍵掃描來判斷是否有鍵按下，鍵掃描的實質(zhì)就是讀取跟鍵盤相接的I/O口的電平狀態(tài)，如果讀到低電平，就說明有鍵按下。鍵盤其實就是機械彈性開關，平時是和觸點斷開的，只有當按下時才和觸點閉合。由于觸點的彈性作用，一次按鍵從開始到穩(wěn)定閉合要經(jīng)過多次彈跳，會連續(xù)產(chǎn)生多個脈沖，按鍵斷開時，也有同樣的問題，這種現(xiàn)象稱為鍵盤抖動，抖動波形如圖2-26所示。圖2-25鍵掃描流程圖圖2-26鍵盤抖動波形圖鍵盤抖動時間的長短跟鍵盤的機械特性有關，一般為5ms～10ms，按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短由操作人員決定。由于鍵盤有抖動特性，會出現(xiàn)一次按鍵被CPU讀取多次的現(xiàn)象，因此為了確保一次按鍵只被CPU讀取一次，必須消除鍵盤抖動的影響。

鍵盤消抖動通常有硬件消抖動和軟件消抖動兩種方法。

常用的硬件消抖動的電路如圖2-27所示。圖2-27(a)利用RS鎖存器消抖，這種電路只適用于單刀雙擲開關；圖2-27(b)利用電容消抖動，適合輕觸式按鍵。圖2-27鍵盤消抖動硬件電路

軟件消抖動具體程序如下：程序分析：

(1)在主程序中，“TMOD=0x12；”是設置T1工作在方式1，T0工作在方式2，接下來對T1和T0設置初始值，T1每50ms中斷一次，T0每250μs中斷一次。在這個程序中，T1是來完成時鐘計時的，在T1中斷服務程序中判斷進入中斷的次數(shù)是否達到20次，若是，則說明1s時間到，調(diào)用time()函數(shù)。T0定時器是用來完成定時鍵掃描的，每5ms調(diào)用一次鍵掃描。定義的全局數(shù)組dis_buf［］將要顯示的字形碼放在一個表格中，然后每次從這個表格里面取數(shù)，送到P0口即可。語句“dis_buf［0］=dis_table［hour/10］；”是對顯示緩沖區(qū)的初始化，比如起始時間是0時0分0秒，那么將“0”對應的字形碼從dis_table［］數(shù)組中取出，放入dis_buf［］數(shù)組中相應的位置?！皃os_scan”用于數(shù)碼管的位選擇，初始值為0xfe，即首先選擇左邊第一個數(shù)碼管。變量“dsy_num”是顯示緩沖區(qū)數(shù)組dis_buf［］的索引號。在while(1)大循環(huán)中，不斷調(diào)用顯示函數(shù)和鬧鈴函數(shù)。

(2)在顯示函數(shù)display()中，主要是輪流地從P0口送出位碼和字形碼，程序中：

wei_LE=1；

P0=pos_scan；//鎖存位碼

wei_LE=0；這三句的功能是，先打開控制位碼的鎖存器的鎖存使能，然后從P0口送出位碼，接著關閉鎖存使能，這樣位碼就會鎖存在鎖存器的Q端，之后P0口送出的數(shù)據(jù)就不會影響到剛剛送出的位碼信息。接下來用同樣的方法打開段選鎖存使能，送出段碼并鎖存?！皃os_scan=_crol_(pos_scan,1)；”語句是將位碼循環(huán)左移一位，以便選擇下一個數(shù)碼管?！癲sy_num=(dsy_num+1)%8；”是將顯示緩沖區(qū)索引循環(huán)移位，八個數(shù)碼管要顯示的字形碼從左到右依次是放在dis_buf［］數(shù)組中的，緩沖區(qū)有八個元素，通過這個語句可以讓dsy_num的值在0～7之間循環(huán)?！癙0=0xff；”在這里的作用稱為“消影”，因為我們系統(tǒng)的段選和位選是共用P0口的。在下一次送位碼之前，段碼數(shù)據(jù)是留在P0口的，當位碼鎖存使能一打開，段碼數(shù)據(jù)就會立刻送到位選端，這個時間雖然很短暫，但是由于硬件電路速度較快以及由于動態(tài)顯示需要不斷掃描的原因，也會造成亂碼的出現(xiàn)。所以在下一次送位碼之前，先通過送0xff，關閉所有位選。這樣，只要在主函數(shù)中不斷的調(diào)用顯示函數(shù)，就可以實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示。

(3)在key_scan()鍵掃描函數(shù)中，主要是獲取按鍵的鍵碼(鍵值)，第一句“P3=0x0f；”的作用是將行線置為低電平，列線置為高電平；“key_state=P3；”語句是讀取P3口的狀態(tài)，存放在變量key_state中，若key_state不等于0x0f，說明有鍵按下，經(jīng)過“delayms(5)；”延時消抖動之后，再讀一次P3口的狀態(tài)，若依然不等于0x0f，說明確實有鍵按下。接著給P3口送0xf0，讓列線為低電平，行線為高電平，“key_state=key_state^P3；”是將P3口的狀態(tài)讀回來再與剛才存放在key_

state中的值相“異或”(相“或”也可以)之后再賦給key_state,此時key_state的值就是相應按鍵的鍵碼。swich結構中，根據(jù)key_state的值給變量key_num賦值，本系統(tǒng)中給每個鍵編了一個鍵號，分別是0～15。“while(P3！=0xf0)；”語句是等待按鍵釋放，如果鍵一直被按下，那么P3口的狀態(tài)就不是等于0xf0，程序就會一直在這里循環(huán)等待，這樣做的目的是避免在沒有鍵釋放的情況下，進入鍵處理。在單片機的按鍵檢測中，要等待鍵釋放之后再進入相應按鍵的處理任務。若不加等待按鍵釋放，由于硬件執(zhí)行代碼的速度很快，而且鍵盤是不斷檢測的，那么一次按鍵會被檢測很多次，造成錯誤。

“if(key_num！=16)key_manage()；”是為了避免沒有按鍵時調(diào)用鍵處理程序，當沒有按鍵時讓key_num等于16，若有按鍵時，key_num就等于0～15之間的一個值，此時就會調(diào)用鍵處理程序。

(4)key_manage()函數(shù)是鍵處理函數(shù)，根據(jù)key_num的值進入不同的case分支，當按下0～9的數(shù)字鍵時，會將鍵號存入預先定義的time_buffer［］數(shù)組中，這個數(shù)組是用來暫時存放修改的時間數(shù)據(jù)的，“dis_buf［time_i］=dis_table［key_num］；”是將鍵號對應的字形碼送到顯示緩沖區(qū)顯示，變量“time_flag”記錄“時”、“分”、“秒”鍵被按下的標志，當需要改變時鐘時間或者鬧鈴時間時，需要先按下相應的“時”、“分”、“秒”鍵，再按0～9數(shù)字鍵，最后按“確認”鍵才能使新設置的時間或鬧鈴生效。在“確認”分支中，根據(jù)“alarm_flag”的狀態(tài)決定新設置的時間是鬧鈴時間還是時鐘起始時間，因為如果之前按下過“鬧鈴”鍵，則“alarm_flag”就會等于1，否則為0。若“alarm_flag”等于0，就會根據(jù)time_flag的值，從time_buffer［］數(shù)組中取出數(shù)據(jù)修改當前的時間信息，time_buffer［］數(shù)組中前兩個元素存放“時”，第二和第三個元素存放“分”，最后兩個元素存放“秒”。若“alarm_flag”等于1，則會從time_buffer［］數(shù)組中取出前兩個元素經(jīng)過計算后之后賦給“hour_alarm”，取出第二和第三個元素經(jīng)過計算后賦給“minute_alarm”,記錄新的鬧鈴時間。

(5)alarm_manage()鬧鈴管理函數(shù)中，將鬧鈴時間和當前時間進行比較，若相等則蜂鳴器響起，進行鬧鈴提醒。對于蜂鳴器的控制，只要給P2.4口低電平，三極管就會導通，此時蜂鳴器中有電流流過，就會發(fā)聲。

3)軟硬件聯(lián)合調(diào)試

本任務程序較大，建議在程序編寫時，分模塊調(diào)試。檢查鍵掃描的程序中，讀回的鍵值是否正確；定時器的中斷號是否正確；蜂鳴器的極性是否接正確；驅(qū)動電路是否正常。

僅僅在keil的調(diào)試狀態(tài)下，檢查本程序的功能，難度較大。可以通過單片機仿真器幫助調(diào)試。在較大程序的調(diào)試中，利用仿真器幫助調(diào)試，可以大大節(jié)省程序的開發(fā)時間。利用仿真器進行調(diào)試可以單步運行,指定斷點、停止等，極為方便。

也可以利用軟件仿真調(diào)試，由于本任務具有人機交互接口(鍵盤)，所以不能像前面一樣，直接在Proteus軟件下仿真運行，而需要Keil和Proteus軟件的聯(lián)合調(diào)試。在進行Keil和Proteus兩個軟件的聯(lián)合調(diào)試之前，需進行如下設置：

(1)把proteus安裝目錄下的VDM51.dll(＼Proteus7Professional＼MODELS)文件復制到Keil安裝目錄的＼C51＼BIN目錄中。

(2)編輯C51里的tools.ini文件,加入：TDRV1=BIN＼VDM51.DLL("PROTEUSVSMMONITOR51DRIVER")；注：“TDRV1”后面的“1”不要與tools.ini文件原有的數(shù)字重復。

(3)在keil里設置：Project-->Optionsforproject窗口選擇“Debug”標簽頁，如圖2-28所示，選中“ProteusVSMMonitor-51Driver”，再進入seting，如果同一臺機同時運行Keil和Proteus，則IP名為127.0.0.1，如不是同一臺機則填另一臺機的IP地址。端口號一定為8000。圖2-28設置“Debug”標簽頁

(4)Proteus軟件里打開需要調(diào)試的文件，在“Debug”菜單下，勾選“useremotedebugmonitor”。

(5)打開Keil，按F5開始聯(lián)合調(diào)試。

2.4項目拓展

2.4.1電子音樂盒設計

1.樂理知識介紹

在進行音樂盒設計之前，首先要明白樂曲演奏的原理，我們平時唱的哆、、咪、法、嗦、啦、唏，每個音符具有固定的頻率值，這個稱為音調(diào)，頻率越大音調(diào)越高，每個音符的持續(xù)時間就是音長。當演奏樂曲時，只要按照每個音符的頻率和時長送出激勵信號到揚聲器，揚聲器就可以發(fā)出樂曲的聲音。音符中的7個音名稱為C、D、E、F、G、A、B，對應于簡譜中的1、2、3、4、5、6、7。由音樂的12平均率可知：每兩個八度音之間的頻率相差一倍，即中音1的頻率是低音1頻率的兩倍。而且在兩個八度音之間又分為12個半音，相鄰兩個半音之間的頻率比為。音名E與F之間為半音，B與C之間為半音(即低音B到中音C)，其余都是全音。在國際上，規(guī)定a1這個音的頻率為440Hz，稱為第一國際高度。其余音的頻率可以根據(jù)十二平均率依次算得，如表2-9所示。表2-9音名與頻率關系表在一首樂譜中，除了音調(diào)的高低之外，還有這個音調(diào)要持續(xù)多長時間，也就是我們通常所說的節(jié)拍(也稱為音長)，這樣樂曲才會婉轉(zhuǎn)動聽。音調(diào)的節(jié)拍通常有4分音符、8分音符、16分音符、2分音符、全音符等。假設4分音符的音長為T，則8分音符的音長為T/2，依次類推，以簡譜中“3”為例，音長與節(jié)拍數(shù)的關系如表2-10所示。表2-10音長與節(jié)拍數(shù)的關系

2.LCD1602介紹

在這個音樂盒設計中，我們通過液晶顯示器顯示所播放音樂的名稱。目前，市場上液晶顯示器件種類繁多，根據(jù)顯示的內(nèi)容可分為字段式、字符點陣式、圖形點陣式三種，圖形點陣式者可以顯示漢字。由于液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富、外形美觀、無需定制、使用方便等特點，逐漸成為LED顯示器的替代品。將LCD(LiquidCrystalDisplay)和顯示控制器、驅(qū)動器、字符存儲器做到一塊板子上，就成為顯示模塊，稱為LCM。單片機系統(tǒng)中常用的液晶顯示器有LCD1602、LCD12864、LCD12232等。液晶顯示器的型號通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點陣的行列數(shù)來命名的。比如1602的意思是可以顯示兩行，每行顯示16個字符；12864的意思是內(nèi)部有128*64個點陣。液晶顯示器是否能夠直接顯示漢字跟控制器有關系，因為漢字屬于圖形顯示。比如12864液晶顯示模塊，若控制器的型號是ST7920則可以直接顯示漢字，若控制器型號是KS0108則不帶中文字庫，只能通過打點的方法顯示漢字。

考慮到本項目設計中只顯示歌曲的名字，所以使用了LCD1602字符型液晶顯示模塊顯示歌曲的英文名稱。對于液晶模塊的控制，首先要確定與單片機的接口電路，其次是軟件程序的控制。液晶與單片機的接口主要有串行和并行兩種方式，這里我們采用并行接口方式。并行LCD1602模塊的引腳功能如表2-11所示。表2-11

LCD1602液晶模塊接口說明

1602控制器內(nèi)部有80B的RAM緩沖區(qū)，其映射關系如表2-12所示。當向00～0F、40～4F地址中寫入數(shù)據(jù)時，可以立刻顯示在顯示屏上，當數(shù)據(jù)寫入到10～27、50～67地址時，需要通過移屏指令將數(shù)據(jù)移入到顯示區(qū)。表2-12

1602內(nèi)部RAM映射關系表

LCD1602的軟件控制主要是通過指令來進行的。指令如表2-13所示。表2-13

LCD1602指令表指令1：清屏。光標復位到地址00H位置。

指令2：光標返回。光標返回到地址00H。

指令3：光標和顯示模式設置。I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移；S：屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平表示有效，低電平則無效。

指令4：顯示控制。D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示；C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標；B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標/字符移位。S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標；R/L：高向左，低向右。指令6：功能設置命令。DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線；N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示；F：低電平時顯示5×7的點陣字符，高電平時顯示5×10的點陣字符。(有些模塊是DL：高電平時為8位總線，低電平時為4位總線。)

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置。地址：字符地址×8+字符行數(shù)。(將一個字符分成5×8的點陣，一次寫入一行，8行就組成一個字符。)

指令8：置數(shù)據(jù)存儲器地址，第一行為：00H——0FH，第二行為：40H——4FH。指令9：讀忙標志和光標地址。BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

當向1602寫數(shù)據(jù)、指令或讀數(shù)據(jù)、狀態(tài)時的基本操作時序如表2-14所示。表2-14

1602操作時序表

3.電子音樂盒硬件電路設計

音樂盒硬件電路的設計要依據(jù)所實現(xiàn)的功能確定，本項目中設計的音樂盒，可以通過按鍵切換播放的音樂，同時所播放音樂的曲名會在LCD1602液晶屏上顯示，音樂盒整體硬件原理圖如圖2-29所示，本原理圖是在proteus中繪制的，1602模塊沒有列出15、16腳。系統(tǒng)中通過接在P3.2引腳上的獨立按鍵切換播放的曲目。圖2-29電子音樂盒硬件原理圖

4.電子音樂盒軟件程序設計

本項目中設計的音樂盒可以播放“HappyBirthday！”和“JingleBells”兩首歌曲，兩首歌的曲子如下：前面已經(jīng)介紹了樂理知識，每個音調(diào)都對應不同的頻率，那么要根據(jù)音調(diào)產(chǎn)生相應的頻率信號，必須不斷的改變定時器的初始值，為了優(yōu)化程序結構，先將音調(diào)頻率與定時器初始值關系寫成頭文件，以后也可以在其他的程序中使用。

頭文件內(nèi)容如下：本項目的程序中主要有三個模塊，分別是樂曲播放模塊、曲目名稱顯示模塊、按鍵切換模塊。樂曲播放模塊中利用定時器0產(chǎn)生不同頻率的信號，即音調(diào)；利用定時器1產(chǎn)生延時，即節(jié)拍；按鍵切換模塊利用按鍵觸發(fā)外中斷，從而進行播放樂曲的切換。

液晶顯示模塊的程序如下：程序分析：

(1)程序中包含了兩個自己創(chuàng)建的頭文件“musicTab.h”和“l(fā)cd.h”，“musicTab.h”頭文件的內(nèi)容在前面已經(jīng)列出，是與音調(diào)頻率與計數(shù)初始值對應的宏定義?！發(fā)cd.h”是對“l(fā)cd.c”文件中各函數(shù)的聲明，其內(nèi)容如下：

voiddelayms(unsignedchar)；

voidLCD_write_commuter(unsignedchar)；

voidLCD_write_data(unsignedchar)；

voidinit_lcd()；

voidlcd_str(unsignedchar*,unsignedchar)；這樣做體現(xiàn)的是一種模塊化的設計思想，以后在其他工程中用到LCD1602顯示屏時，可以直接將“l(fā)cd.c”文件添加到工程中，并在主函數(shù)文件中包含“l(fā)cd.h”頭文件。當一個工程下包含多個“*.c”文件時，工程窗口如圖2-30所示。圖2-30

Keil中包含多個*.c文件的工程窗口

(2)在程序開始定義了數(shù)組birthday_freq［］、birthday_length［］來存放樂曲的音調(diào)和節(jié)拍，根據(jù)樂曲簡譜找到相應音調(diào)的頻率存入birthday_freq［］中，再將每個音調(diào)的節(jié)拍數(shù)存入birthday_length［］中，在“HappyBirthday！”樂曲中，一個節(jié)拍的時長為500ms。在主函數(shù)的while(1)循環(huán)中,根據(jù)song_ID的值，使指針變量song_freq、song_length、name指向?qū)⒁シ艠非囊粽{(diào)數(shù)組、節(jié)拍數(shù)組、名稱數(shù)組。

(3)play()函數(shù)中，對定時器0裝入音調(diào)頻率的初始值，再調(diào)用Delay()函數(shù)產(chǎn)生節(jié)拍，本程序中用到了兩個定時器，對T0使用中斷方式處理，而對于T1則使用查詢方式處理，Delay()函數(shù)中，對T1首先賦初值，“while(!TF1)；”語句是不斷的查詢T1的溢出標志位，當T1計數(shù)滿溢出時，TF1會由硬件置“1”，所以程序中通過查詢TF1的方法判斷定時時間是否達到。

(4)對于獨立按鍵的處理是通過外中斷來做的，考慮到任何時候只要有按鍵，播放的樂曲就會換向另外一首，如果不使用中斷，則只有當前樂曲播放完之后，如果正好有按鍵，才會進行切換。所以每按一次鍵就會觸發(fā)一次外中斷，在外中斷0服務程序中，改變了song_ID的值，而且置button_flag的值為“1”，在主程序中當查到button_flag的值為“1”時，就會立刻停止當前播放的樂曲，根據(jù)song_freq、song_length的新值來進行播放。

(5)程序中定義的指針變量“unsignedint*song_freq,*song_length；”，“unsignedchar*name；”是指向數(shù)組元素的指針變量，“song_freq”是指向存放正在播放樂曲頻率的數(shù)組元素，“song_length”是指向存放正在播放樂曲音長的數(shù)組元素，“name”是指向存放正在播放樂曲名稱的數(shù)組元素?！皊ong_freq++”含義是指向數(shù)組的下一個元素。2.4.2

LCD12864液晶顯示屏介紹

12864是128×64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，它是一種圖形點陣的液晶屏。LCD12864目前比較流行的有兩種，一種是以KS0108為主控芯片，不帶中文字庫，只能靠打點方式才能顯示漢字，即要借助取字模軟件取出漢字的字模，才能送去顯示漢字。另一種是以ST7920為主控芯片，自帶ASCII碼和中文字庫。這里主要介紹以ST7920為主控芯片的LCD12864液晶顯示屏，其外形如圖2-31所示。圖2-31

LCD12864液晶顯示屏外形

1.主要技術參數(shù)和顯示特性

電源：VDD為3.3V～5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓)；

顯示內(nèi)容：128列×64行；

顯示顏色：黃綠；

與MCU接口：8位并行、4位并行或3位串行；

配置0ED背光；

時鐘頻率為：2MHz；

內(nèi)置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字；

多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等；工作溫度：0°C～55°C；

存儲溫度：－20°C～+60°C。

2.LCD12864模塊引腳說明

LCD12864模塊各引腳的功能如表2-15所示。表2-15

LCD12864