基于单片机多模式带音乐跑马灯设计附完整程序代码

单片机课程设计(论文)任务书信息工程学院学院计算机科学与技术专业计算机2023-1班一、课程设计(论文)题目基于单片机多模式的带音乐跑马灯设计二、课程设计(论文)工作自2023年6月11日起至2023年6月24日止。三、课程设计(论文)地点:四、课程设计(论文)内容规定：1．本课程设计的目的（1）运用所学单片机的理论知识进行软硬件整体设计，培养学生分析、解决问题的能力，锻炼学生理论联系实际、综合应用的能力。（2）使学生掌握系统各功能模块的基本工作原理；（3）培养学生基本掌握电路设计的基本思绪和方法；（4）使学生掌握接受系统调试；（5）培养学生分析、解决问题的能力；（6）提高学生的科技论文写作能力。2．课程设计的任务及规定1）基本规定：1、有八个发光二极管做跑马灯，其中跑马灯有8种模式。2、有专门的键盘用以切换跑马灯的模式，并且对于任何一种跑马灯模式都可以对亮灯速度进行控制。3、每一种跑马灯模式用LED数码管进行显示。4、当跑马灯处在一种模式时，随着的音乐响起，音乐至少有3首，并可以对其进行切换。2）创新规定：在基本规定达成后，可进行创新设计，如改善电路性能；对系统进行仿真分析。3）课程设计论文编写规定（1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文（2）论文涉及目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等（3）毕业论文装订按学校的统一规定完毕4）答辩与评分标准：（1）完毕原理分析：20分；（2）完毕设计过程：30分；（3）完毕调试：30分；（4）回答问题：20分。5）参考文献：（1）张毅刚彭喜元彭宇.《单片机原理及应用》[M].北京：高等教育出版社（2）谭浩强.《C程序设计教程》[M].北京：清华大学出版社（3）课程设计进度安排内容天数地点构思及收集资料2图书馆组装与调试5实验室撰写论文3图书馆、实验室

学生署名：2023年6月24日课程设计(论文)评审意见（1）完毕原理分析（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（2）设计分析（30分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（3）完毕调试（30分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）回答问题（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）格式规范性及考勤是否降等级：是（）、否（）评阅人：职称：副专家2023年6月27目录TOC\o"1-3"\h\u12575一、设计概述 5136391.1设计目的： 5309201.3设计作用： 5231781.4设计规定： 57143二、设计的具体实现 685962.1系统概述 6312782.2各模块分析 778532.2.1主控芯片STC90C51 794022.2.2STC90C51性能简介 7319092.2.3LED显示部分 7103932.2.4模式显示部分 8296472.2.5单片机部分 99833三、硬件电路设计及描述 934813.1LED 9266233.2数码管 9169273.3复位电路及晶振电路 10277043.4蜂鸣器及按键 1010035四、程序设计思想及流程 11251864.1程序设计思绪 11257644.2音乐部分设计 136625五、电路的安装与调试 1432722六、总结 1620470七、参考文献 1724784附录 1821723实物图 1817827程序清单 18摘要跑马灯，顾名思义，就是“会像马儿同样跑动”的小灯，故取名“跑马灯”。跑马灯在单片机系统中一般是用来指示和显示单片机的运营状态，一般情况下，单片机的跑马灯由多个LED发光二极管组成。在单片机运营时，可以在不同状态下让跑马灯显示不同的组合，作为单片机系统正常的指示。当单片机系统出现故障时，可以运用跑马灯显示当前的故障码，对故障做出诊断。此外，跑马灯在单片机的调试过程中也非常有用，可以在不同时候将需要的寄存器或关键变量的值显示在跑马灯上，提供需要的调试信息。本设计使用STC90C51芯片，运用P0的8个端口连接8个发光二极管，通过P0.0到P0.7的值控制“跑马灯”的亮灭,以达成显示效果。设计的中断程序要对多个按键动作进行响应，灯光变换的把戏有8种，用按键k1切换。按下k1键，程序将按八种模式循环切换，每按一次K1键，切换一次跑马灯模式，同时切换音乐。关键词跑马灯；单片机；LED发光二极管一、设计概述1.1设计目的：运用所学单片机的理论知识进行软硬件整体设计，培养学生分析、解决问题的能力，锻炼学生理论联系实际、综合应用的能力。通过实践动手制作硬件和软件，综合应用本学期所学的单片机知识，达成加深学习该专业知识的目的。1.2设计内容：基于单片机的多模式带音乐跑马灯设计.1.3设计作用：通过发光二极管的动态闪亮，显示非常炫目的效果，应用于各种建筑物，大楼，酒吧，KTV，夜总会等娱乐场合，拖尾灯，以及各种休闲娱乐场合用的动态灯光显示,同时加上音乐的效果，可以制作出各种各样的炫目多彩的霓虹灯，为夜晚带来不同样的光彩。1.4设计规定：1、有8个发光二极管做跑马灯，其中跑马灯有8种灯亮模式。2、有专门的键盘用以切换跑马灯的模式，并且对于任何一种跑马灯模式都可以对亮灯速度进行控制。3、每一种跑马灯模式用LED数码管进行显示。4、当跑马灯处在一种模式时，随着的音乐响起，音乐至少有3首，并可以对其进行切换.设计的具体实现2.1系统概述本设计的规定是设计一个有多种功能的走马灯，有多种不同的显示方式，速度控制功能，这里的速度控制尚有显示方式都是由单片机内部的程序控制，在这里我将8个光二极管接在P0，通过程序控制这个端口的电平高低，将8个光二极管的正极接电源，负极接P0口，即发P0口的相应端口为高电平时，发光二极管的两端都为高电平，所以发光二极管不亮，当发光二极管的相应端口为低电平时就能被点亮。再通过程序循环的让各个端口以不同的方式点亮来达成走马的效果，并且当中要有一定的延时，延时时间小于人眼视觉暂留时间，否则人眼看上去每个灯都是亮的也就没有跑马效果。单片机演奏一个音符，是通过引脚，周期性的输出一个特定频率的方波。这就需要单片机，在半个周期内输出低电平、此外半个周期输出高电平，周而复始。半个周期的时间是多长呢？众所周知，周期为频率的倒数，可以通过音符的频率计算出半周期。演奏时，要根据音符频率的不同，把相应的、半个周期的定期时间初始值，送入定期器，再由定期器准时输出高低电平。系统框图如图一：蜂鸣器LED显示阵列蜂鸣器LED显示阵列MCU(STC90C51)MCU(STC90C51)12M晶振8段共阴数码管键盘8段共阴数码管键盘图一系统框图2.2各模块分析2.2.1主控芯片STC90C51STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超性能、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。且兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央解决器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC90C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。2.2.2STC90C51性能简介STC90C51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定期计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，STC90C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设立省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定期计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。STC90C51芯片引脚图如图二：图二STC90C51芯片引脚图2.2.3LED显示部分显示部分用8个发光二极管接在P0，这里需要注意的是P0口出I/O口输入输出的时候需要加上拉电阻，通过程序控制P0的8个端口按照一定的方式依次为低电平以点亮相应端口的LED。此时通过按按键K1来切换跑马灯的模式，同时切换音乐。按按键K2来控制跑马灯的速度。LED阵列如图三：图三LED显示阵列2.2.4模式显示部分模式即跑马的方式，共8种。相应方式由数码管显示出来，每当模式按钮按下时，相应的模式加一，数码管显示相应模式。本次实验数码管采用的是共阴极八段数码管，只对其abcdefg段编程。共阴数码管结构如图四：a各段代码b实物外观图四共阳数码管结构2.2.5单片机部分该部分重要涉及功能的实现方式，即程序编写。程序要实现的功能涉及读键盘，通过对读入键盘的值控制LED点亮方式和数码管显示。键盘有两个按键K1、K2，K1控制LED点亮模式，K2键控制跑马灯速度。不管K1被按下多少次，LED八种点亮模式是循环的，K2键控制速度分别有上限和下限的，每当按下K2键，跑马灯的速度相应的减慢一个级别，当达成下限时，再次按K2键，跑马灯的速度变成最快的，和K1键类是，速度也是用了一个循环。硬件电路设计及描述3.1LED本设计使用STC90C51芯片，运用P0的8个端口连接8个发光二极管，通过P0.0到P0.7的值控制“跑马灯”的亮灭,以达成显示效果，这里需要注意的是P0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相称于它是没有电源的，需要外部的电路提供，作普通I/O输入输出，需要外接上拉电阻。连接图如图五所示。图五硬件电路LED二极管连接图3.2数码管本次实验采用的数码管是一位八段数码管，所以不需要位选，在硬件设计中我将数码管各个引脚接在芯片的P2口，同时加上上拉电阻，连接图如图六所示图六数码管硬件电路连接图3.3复位电路及晶振电路对单片机来说，最小系统一般应当涉及复位电路、晶振电路复位电路：有电容串联电阻构成，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，典型的51单片机当RST脚的高电平连续两个机器周期以上就将复位。晶振电路：典型的晶振取11.0592MHz（由于可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇，方便定期操作）复位电路和晶振电路连接图如图七所示图七晶振电路和复位电路硬件连接图3.4蜂鸣器及按键蜂鸣器只是作为简朴的输出口，用P1.5口控制输出即可。本次实验采用了两个按键作为控制部分，按键K1控制跑马灯的模式和音乐的模式，按键K2控制跑马灯的速度。按键K1和K2连接在单片机的两个外部中断引脚上，在程序设计部分，编写了两个外部中断函数用来切换模式和控制速度。硬件连接图如图八图八蜂鸣器及按键硬件连接图在硬件电路设计的时候，考虑到有些布线空间局限性，以及美观问题，有些地方采用了网络布线，使电路图看起来更见清楚合理。综上所述，总体的硬件电路连接图如图九所示图九总体硬件电路连接图程序设计思想及流程4.1程序设计思绪程序设计思绪:主程序中默认执行左循环跑马灯,在中断服务程序中，一方面读取按键状态，判断是哪个外部中断产生中断。假如是K1，就执行下一个跑马；假如是K2，就执行跑马减速。采用置标志位的方法。即在主程序中设定两个标志位，一个跑马模式标志位，一个跑马速度标志位。不断的对这两个个标志进行查询：假如是跑马模式标志为状态0，就执行左循环一个LED跑马；假如是状态1，就执行左循环两个LED跑马灯，依次类推。跑马速度标志默认值为10，相应延时值为200ms。跑马灯的模式一共有八种，循环切换。与此同时，相应的音乐模式，我采用的是二维数组法存储的音乐数据表,乐曲的数据，程序中以codeunsignedcharsszymmh[4][400]命名。一共有四首曲子，每当外部中断1产生中断时，即K1键按下，跑马模式标志加1，此时在音乐播放函数中，k=sszymmh[RunMode%4][i1]+7*sszymmh[RunMode%4][i1+1]-1;k值表达的是音阶，从数据表中读出频率数值；time=sszymmh[RunMode%4][i1+2];读出时间长度数值，即拍数。外部中断函数程序流程图如图十主程序主程序初始化初始化开中断开中断读键盘保存读键盘保存判断哪个外部中断判断哪个外部中断K1K2K2键按下K2键按下K1键按下K1键按下控制速度循环减置跑马模式标志控制速度循环减置跑马模式标志图十外部中断函数程序流程图外部中断1产生中断后，采用置标志位的方法。即在主程序中设定一个标志位RunMode，跑马模式标志位。没产生一次外部中断RunMode则加1，不断的对这这个标志进行查询：假如是跑马模式标志为状态0，就执行左循环一个LED跑马；假如是状态1，就执行左循环两个LED跑马灯，依次类推。跑马速度标志默认值为10，相应延时值为200ms。跑马灯的模式一共有八种，循环切换。RunMode=RunMode%8图十一外部中断1模式切换程序流程图4.2音乐部分设计在这个程序中，有两个数据表，其中存放了事先算好的、各种音符频率所相应的、半周期的定期时间初始值。有了这些数据，单片机就可以演奏从低音、中音、高音和超高音，四个八度共28个音符。演奏乐曲时，就根据音符的不同数值，从半周期数据表中找到定期时间初始值，送入定期器即可控制发音的音调。比如把表中的0xF2和0x42送到定期器，定期器按照这个初始值来产生中断，输出的方波，人们听起来，这就是低音1。乐曲的数据，也要写个数据表，程序中以codeunsignedcharsszymmh[]命名。这个表中每三个数字，说明了一个音符，它们分别代表：第一个数字是音符的数值1234567之一，代表多来咪发...；第二个数字是0123之一，代表低音、中音、高音、超高音；第三个数字是时间长度，以半拍为单位。乐曲数据表的结尾是三个0。//频率-半周期数据表高八位本软件共保存了四个八度的28个频率数据codeunsignedcharFREQH[]={0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,0xF7,0xF8,//低音12345670xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC,//1,2,3,4,5,6,7,i0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE,//高音2345670xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF};//超高音1234567//频率-半周期数据表低八位codeunsignedcharFREQL[]={0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,0xD1,0xB6,//低音12345670x21,0xE1,0x8C,0xD8,0x68,0xE9,0x5B,0x8F,//1,2,3,4,5,6,7,i0xEE,0x44,0x6B,0xB4,0xF4,0x2D,//高音2345670x47,0x77,0xA2,0xB6,0xDA,0xFA,0x16};//超高音1234567电路的安装与调试用keil将程序编写好之后，检查程序有无错误。有错误就改正，直到没有错误，最后生成．HEX文献，再用peoteus画好硬件电路仿真图，将单片机指向刚生成的．HEX文献并进行仿真调试，在调试过程当中通过调试的结果完善程序。一切ＯＫ之后，下面就进行最后阶段，即在面包板上搭电路，然后用烧写器将．HEX文献下载到STC90C51单片机中。电路仿真图如图十二图十二电路仿真图总结通过为期两周的时间，我和我的小组成员两人共同完毕了基于单片机多模式带音乐跑马灯的课程设计，在设计到完毕作品过程中，我们碰到很多问题。我们都知道让蜂鸣器发出声音很简朴，但是让蜂鸣器发出美妙的音乐却没有一点头绪，通过参考别人的单片机音乐盒的设计，我学会了如何用C语言编写程序去实现通过蜂鸣器发出有节奏的音乐，在课程设计过程中我们碰到了很多问题，例如：我们之前的想法是通过三个按键来控制，K1切换模式、K2加速跑马灯、K3减速（只是接在普通的引脚上）。在通过仿真电路图仿真时，音乐响起来了，跑马灯也跑起来了，但是切换模式或者控制跑马灯速度的时候，并不会响应按键。通过我们的讨论，认为音乐程序占用了整个资源，而按键的响应时间太短，不能实时的进入响应函数，按键扫描函数不起作用了。后来我们将之简化成两个按键，接在两个外部中断引脚上，通过中断函数响应按键。课程设计的时间比较短，我们的作品还是有许多的瑕疵，功能也比较简朴，比如在程序运营过程中，并没有按键按下，数码管的显示也会变化，这便是没有按键消抖。通过本次课程设计，不仅初步掌握了51单片机的一些基本功能应用，还学会了使用keil和protues两个软件。知道了怎么用keil新建工程文献、编写调试程序、生成．HEX文献；怎么用protues软件画图，特别是总线的画法，怎么仿真等。参考文献张毅刚彭喜元彭宇.《单片机原理及应用》[M].北京：高等教育出版社谭浩强《C程序设计教程》[M].北京：清华大学出版社附录实物图程序清单#include<REG52.H>unsignedcharRunMode;//定义跑马模式标志unsignedchari1;unsignedKey=0x00;unsignedintTimer0Count,SystemSpeed,SystemSpeedIndex;sbitspeaker=P1^5;unsignedchartimer0h,timer0l,time;codeunsignedcharsszymmh[4][200]={//世上只有妈妈好{6,2,3,5,2,1,3,2,2,5,2,2,1,3,2,6,2,1,5,2,1,6,2,4,3,2,2,5,2,1,6,2,1,5,2,2,3,2,2,1,2,1,6,1,1,5,2,1,3,2,1,2,2,4,2,2,3,3,2,1,5,2,2,5,2,1,6,2,1,3,2,2,2,2,2,1,2,4,5,2,3,3,2,1,2,2,1,1,2,1,6,1,1,1,2,1,5,1,6,0,0,0}, //生日快乐 {5,1,1,5,1,1,6,1,2,5,1,2,1,2,2,7,1,4,5,1,1,5,1,1,6,1,2,5,1,2,2,2,2,1,2,4,5,1,1,5,1,1,5,2,2,3,2,2,1,2,2,7,1,2, 6,1,2,4,2,1,4,2,1,3,2,2,1,2,2,2,2,2, 1,2,4}, //送别 {5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,4,6,2,2,1,3,1,6,2,1,5,2,4,5,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,2,2,2,1,1,2,2,2,2,4,5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,1,6,2,1,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,2,1,2,4,6,2,2,1,3,2,1,3,4,7,2,2,6,2,1,7,2,1,1,3,4,6,2,1,7,2,1,1,3,1,6,2,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1,1,2,2,2,2,4 }, //甩葱歌 {3,1,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1,7,1,1,1,2,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1, 1,2,1,7,1,1,5,1,1,5,1,2,7,1,1,1,2,1,6,1,1,6,1,1,3,1,1,3,1,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1,7,1,1,1,2,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1,3,2,1,3,2,1,2,2,1,1,2,2,7,1,1,1,2,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1} }; //音阶频率表高八位codeunsignedcharFREQH[]={0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,0xF7,0xF8,//低音12345670xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC,//1,2,3,4,5,6,7,8,i0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE,//高音0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF,//超高音};//音阶频率表低八位codeunsignedcharFREQL[]={0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,0xD1,0xB6,//低音12345670x21,0xE1,0x8C,0xD8,0x68,0xE9,0x5B,0x8F,//1,2,3,4,5,6,7,8,i0xEE,0x44,0x6B,0xB4,0xF4,0x2D,//高音0x47,0x77,0xA2,0xB6,0xDA,0xFA,0x16,//超高音};unsignedcharcodeLEDDisplayCode[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,//0~70x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0xFF};voidDisplay(unsignedcharValue) //数码管显示函数{ P2=LEDDisplayCode[Value];}voiddelay(unsignedchart)//按键延时函数{unsignedchart1;unsignedlongt2;for(t1=0;t1<t;t1++){for(t2=0;t2<8000;t2++){;}}TR0=0;}voidex1int()interrupt0 //外部中断0中断函数{ RunMode++; i1=0; RunMode=RunMode%8; Display(RunMode); delay(1);}voidex2int()interrupt2//外部中断1中断函数{ SystemSpeedIndex++; SystemSpeedIndex=SystemSpeedIndex%30; delay(1); }voidt0int()interrupt1//定期器0中断函数，控制发音的音调{TR0=0;//先关闭T0speaker=!speaker;//输出方波,发音TH0=timer0h;//下次的中断时间,这个时间,控制音调高低TL0=timer0l;TR0=1;//启动T0}voidsong()//演奏一个音符{TH0=timer0h;//控制音调TL0=timer0l;TR0=1;//启动T0,由T0输出方波去发音delay(time);//控制时间长度}//**********************************SystemFuction*************************************************voidDelay1ms(unsignedintcount){ unsignedinti,j; for(i=0;i<count;i++) for(j=0;j<120;j++);}voidLEDFlash(unsignedcharCount){ unsignedchari; bitFlag; for(i=0;i<Count;i++) { Flag=!Flag; if(Flag) Display(RunMode); else Display(0x10); Delay1ms(100); } Display(RunMode);}voidInitialTimer(void){ TMOD=0x11; //定期器0、1工作于方式1 TH0=0xee; //重装值,初始值 TL0=0x00; TH1=0XEE; TL1=0X00; ET0=1; //定期器0中断允许 ET1=1; TR1=1; TR0=1; //定期器0、1启动 EX0=1; EX1=1; IT0=0; IT1=0; EA=1;}unsignedintcodeSpeedCode[]={1,2,3,5,8,10,14,17,20,30,40,50,60,70,80,90,100,120,140,160,180,200,300,400,500,600,700,800,900,1000};//30voidSetSpeed(unsignedcharSpeed){ SystemSpeed=SpeedCode[Speed];}voidLEDShow(unsignedcharLEDStatus){ P0=~LEDStatus;}voidInitialCPU(void){ RunMode=0x00; Timer0Count=0; SystemSpeedIndex=9; P1=0x00; P0=0x00; P2=0xFF; P3=0x00; Delay1ms(500); P1=0xFF; P0=0xFF; P2=0xFF; P3=0xFF; SetSpeed(SystemSpeedIndex); //设定流水灯速度 Display(RunMode); //数码管初始化为0}//Mode0unsignedcharLEDIndex=0;bitLEDDirection=1,LEDFlag=1;voidMode_0(void) //一个灯左循环{ LEDShow(0x01<<LEDIndex); LEDIndex=(LEDIndex+1)%8;}//Mode1voidMode_1(void) //两个灯左循环{ LEDShow(0x03<<LEDIndex); LEDIndex=(LEDIndex+1)%8;}//Mode2voidMode_2(void) //三个灯左循环{ LEDShow(0x07<<LEDIndex); LEDIndex=(LEDIndex+1)%8;}//Mode3voidMode_3(void)//四个灯左循环{ LEDShow(0x0f<<LEDIndex); LEDIndex=(LEDIndex+1)%8;}//Mode4voidMode_4(void) //一个灯来回循环{ if(LEDDirection) LEDShow(0x01<<LEDIndex); else LEDShow(0x80>>LEDIndex); if(LEDIndex==7) LEDDirection=!LEDDirection; LEDIndex=(LEDIndex+1)%8;}//Mode5voidMode_5(void) //两个灯来回循环{ if(LEDDirection) LEDShow(0x03<<LEDIndex); else LEDShow(0xc0>>LEDIndex); if(LEDIndex==6) LEDDirection=!LEDDirection; LEDIndex=(LEDIndex+1)%8;}//Mode6voidMode_6(void){ if(LE