51单片机第四讲之倒计时程序设计

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单片机综合项目：倒计时控制系统的设计与实现

一、系统功能与设计说明

1. 主要功能模块概述

本项目构建了一个基于单片机的倒计时控制装置，具备完整的计时、显示、交互与报警能力。系统通过多个硬件模块协同工作，实现用户友好的操作体验。

功能模块	实现方式	说明
计时功能	定时器中断	确保时间精度，提供稳定计时基础
显示功能	数码管动态扫描	用于展示模式标识及当前倒计时数值
界面切换	按键控制	支持在显示模式与设置模式间切换
状态指示	LED指示灯	倒计时结束时亮起以作提示
报警功能	蜂鸣器	倒计时归零后发出声音警报

2. 系统性能指标要求

• 按键响应时间：不超过0.2秒，保证操作灵敏性
• 数码管刷新时间：不高于0.2秒，避免视觉闪烁现象

3. 显示界面布局设计

（1）倒计时运行界面

该界面用于实时显示剩余时间，具体分配如下：

数码管位置	1	2	3	4	5	6
显示内容	1	熄灭	熄灭	熄灭	倒计时十位	倒计时个位

示例：当前显示为“1 _ _ _ 3 5”表示处于倒计时模式，时间为35秒。

数码管显示示例
  +---+   +---+   +---+   +---+   +---+   +---+
  | 1 |   |   |   |   |   |   |   | 3 |   | 0 |
  +---+   +---+   +---+   +---+   +---+   +---+

（2）参数设置界面

进入设置模式后，允许用户调整倒计时初始值，显示格式如下：

数码管位置	1	2	3	4	5	6
显示内容	2	熄灭	熄灭	熄灭	设置值十位（闪烁）	设置值个位（闪烁）
闪烁说明	不闪烁	不闪烁	不闪烁	不闪烁	1秒周期闪烁	1秒周期闪烁

示例：显示“2 _ _ _ 3 0”且最后两位每秒闪烁，表示正在设定30秒倒计时。

设置界面显示示例（闪烁效果）
  +---+   +---+   +---+   +---+   +-------+   +-------+
  | 2 |   |   |   |   |   |   |   | 3(闪) |   | 0(闪) |
  +---+   +---+   +---+   +---+   +-------+   +-------+

4. 按键功能定义与使用规范

系统采用四个独立按键完成全部人机交互任务，各按键功能如下表所示：

按键	功能名称	功能说明	有效界面
S1	开始按键	启动或暂停倒计时进程	仅限显示界面
S2	复位按键	将系统恢复至初始状态	仅限显示界面
S3	切换按键	在显示与设置界面之间切换	所有界面均有效
S4	设置按键	循环选择预设时间：15→30→60秒	仅限设置界面

注意事项：

• 必须加入软件消抖机制，防止因机械抖动导致误判
• 按键操作过程中不得影响数码管正常刷新
• 不同界面下按键的有效性需严格控制

5. 系统运行状态反馈机制

根据当前所处状态，系统通过多种外设进行反馈：

系统状态	LED指示灯	蜂鸣器	数码管显示
倒计时进行中	全部熄灭	关闭	正常显示当前剩余时间
倒计时结束	全部点亮	开启报警音	显示“00”
设置模式	全部熄灭	关闭	设置数值以1秒周期闪烁

6. 可选倒计时参数配置

系统提供三种常用预设时间选项，对应不同的应用场景：

设置值	二进制表示	适用场景
15秒	00001111	适用于短时提醒任务
30秒	00011110	适合一般性倒计时需求
60秒	00111100	用于较长时间控制场合

7. 上电初始化状态设定

设备上电后，系统自动进入以下默认配置状态：

项目	初始值	说明
当前界面	显示界面	非设置模式，直接进入运行状态
倒计时参数	30秒	作为默认预设时间
模式标识符	1	表示当前为显示模式
LED状态	全灭	尚未到达倒计时终点
蜂鸣器状态	关闭	无报警触发

二、程序模块化结构设计

1. 底层驱动模块实现

为提升代码可读性和维护效率，将核心外设操作封装为独立功能模块。

（1）按键检测模块

头文件定义（Key.h）：

#ifndef _KEY_H_
#define _KEY_H_
#include <REGX52.H>

// 函数声明
unsigned char Key_Read(void);

#endif

源文件实现（Key.c）：

#include "Key.h"

/**
* 独立按键扫描函数
* @return 返回按键编号：0-无按键，1-按键1，2-按键2，3-按键3，4-按键4
*/
unsigned char Key_Read(void) {
    unsigned char temp = 0;
    if (P3_4 == 0) temp = 1;  // 检测S1
    if (P3_5 == 0) temp = 2;  // 检测S2
    if (P3_6 == 0) temp = 3;  // 检测S3
    if (P3_7 == 0) temp = 4;  // 检测S4
    return temp;
}

（2）数码管显示模块

头文件声明（Seg.h）：

#ifndef _SEG_H_
#define _SEG_H_
#include <REGX52.H>

// 函数声明
void Seg_Disp(unsigned char Wela, unsigned char Dula);

#endif

源文件实现（Seg.c）：

#include "Seg.h"

// 共阴极数码管段码表：0~9 和熄灭状态
unsigned char Seg_Dula[11] = {
    0x3F,  // 0
    0x06,  // 1
    0x5B,  // 2
    0x4F,  // 3
    0x66,  // 4
    0x6D,  // 5
    0x7D,  // 6
    0x07,  // 7
    0x7F,  // 8
    0x6F,  // 9
    0x00   // 熄灭
};

// 位选信号编码表：对应六个数码管
unsigned char Seg_Wela[6] = {
    0xFE,  // 第1位
    0xFD,  // 第2位
    0xFB,  // 第3位
    0xF7,  // 第4位
    0xEF,  // 第5位
    0xDF   // 第6位
};

/**
* 数码管显示控制函数
* @param Wela 位选参数（0-5，指定第几个数码管）
* @param Dula 段选参数（0-9，要显示的数字）
*/
void Seg_Disp(unsigned char Wela, unsigned char Dula) {
    // 消影处理，防止重影
    P0 = 0x00;
    P2_6 = 1;
    P2_6 = 0;

    // 位选：选定目标数码管
    P0 = Seg_Wela[Wela];
    P2_7 = 1;
    P2_7 = 0;

    // 段选：输出数字数据

// 头文件包含
#include <REGX52.H>
#include "Seg.h"
#include "Key.h"

// 全局变量定义
unsigned char Key_Slow_Down = 0;   // 按键扫描间隔控制（每10ms触发一次）
unsigned char Seg_Slow_Down = 0;   // 数码管更新频率控制（每500ms执行一次）

/**
 * 主函数
 */
void main(void) {
    Timer0_Init();          // 启动定时器0初始化
    while (1) {
        Key_Proc();         // 轮询按键处理
        Seg_Proc();         // 执行数码管显示逻辑
        LED_Buzzer_Proc();  // 控制LED与蜂鸣器状态
    }
}

/**
 * 定时器0初始化函数
 * 配置为16位定时模式，实现1ms中断周期（基于12MHz晶振）
 */
void Timer0_Init(void) {
    TMOD &= 0xF0;            // 清零定时器0的工作模式位
    TMOD |= 0x01;            // 设置为16位定时器模式（模式1）
    TL0 = 0x20;              // 加载低8位初始值
    TH0 = 0xD1;              // 加载高8位初始值
    TF0 = 0;                 // 清除溢出标志位
    TR0 = 1;                 // 启动定时器0
    ET0 = 1;                 // 开启定时器0中断
    EA = 1;                  // 全局中断使能
}

/**
 * 定时器0中断服务程序
 * 每1ms进入一次，用于驱动软件定时机制
 */
void Timer0_Server() interrupt 1 {
    TL0 = 0x20;                          // 重装定时器低字节
    TH0 = 0xD1;                          // 重装定时器高字节
    if (++Key_Slow_Down == 10) Key_Slow_Down = 0;    // 达到10次即10ms，归零复位
    if (++Seg_Slow_Down == 500) Seg_Slow_Down = 0;  // 达到500次即500ms，清零重启
}

/**
 * 按键处理函数
 * 每10ms调用一次，检测当前按键输入并作出响应
 */
void Key_Proc(void) {
    if (Key_Slow_Down) return;       // 尚未到达10ms周期则跳过
    Key_Slow_Down = 1;
    // TODO: 插入具体的按键检测和事件响应代码
}

/**
 * 数码管显示处理函数
 * 每500ms执行一次，刷新显示内容以降低CPU负载
 */
void Seg_Proc(void) {
    if (Seg_Slow_Down) return;       // 若未满500ms则不执行
    Seg_Slow_Down = 1;

    // 显示模式标识：第一位数码管显示模式编号（1或2）
    Seg_Buf[0] = Seg_Mode + 1;  // 模式0显示为1，模式1显示为2
}

/**
 * LED与蜂鸣器控制函数
 * 根据系统运行状态调节外设输出
 */
void LED_Buzzer_Proc(void) {
    // TODO: 添加对LED指示灯及蜂鸣器的逻辑控制代码
}

//============================== 核心功能模块：数码管显示设计 ==============================

/*
 * 显示相关数据结构说明：
 *
 * 变量名           类型        初始值     功能描述
 * 
Seg_Mode
    
unsigned char
    -      模式标志：0表示显示模式，1表示设置模式
 * 
Time_Count
    
unsigned char
    30     当前倒计时数值（运行中显示）
 * 
Seg_Time[3]
    
unsigned char
    {15,30,60}  可选倒计时时间数组
 * 
Seg_Time_Index
   
unsigned char
    1      当前选中的预设时间索引
 * 
Seg_Flag
   
bit
   0/1    闪烁控制标志：0亮，1灭
 * 
Seg_Buf[6]
   
unsigned char
    {10,10,10,10,10,10}  显示缓冲区（六位数码管）
 */

//================================ 软件减速机制详解 ====================================

/*
 * 设计目标：通过软件方式降低高频任务执行频率，提升系统效率
 *
 * 减速项         周期      作用说明                           性能指标要求
 * 
Key_Slow_Down
  10ms     减少按键扫描次数，避免误触重复响应   响应延迟 ≤ 0.2秒
 * 
Seg_Slow_Down
  500ms    降低数码管刷新频率，节省处理器资源   刷新间隔 ≤ 0.2秒
 *
 * 实现原理：
 *   - 使用定时器每1ms触发中断
 *   - 在中断中递增对应的减速计数器
 *   - 主循环中检查计数器是否归零，决定是否执行对应功能
 *   - 达到设定周期后自动清零，形成周期性调度
 */

// 示例代码段（原始操作顺序）
P0 = Seg_Dula[Dula];
P2_6 = 1;
P2_6 = 0;

// 倒计时数值显示（第5、6个数码管）
if (Seg_Mode == 0) {
    // 显示模式：直接显示当前倒计时值
    Seg_Buf[4] = Time_Count / 10 % 10;  // 十位数
    Seg_Buf[5] = Time_Count / 1 % 10;   // 个位数
} else {
    // 设置模式：根据闪烁标志决定是否显示设置值
    if (Seg_Flag == 0) {
        // 亮状态：正常显示设定的时间值
        Seg_Buf[4] = Seg_Time[Seg_Time_Index] / 10 % 10;
        Seg_Buf[5] = Seg_Time[Seg_Time_Index] / 1 % 10;
    } else {
        // 灭状态：关闭显示，用于实现闪烁效果
        Seg_Buf[4] = 10;  // 熄灭
        Seg_Buf[5] = 10;  // 熄灭
    }
}

2. 定时器中断功能完善

（1）中断服务函数扩展

以下为定时器0中断服务函数的完整实现，包含多个关键变量的周期性更新与控制逻辑。

变量名	类型	初始值	功能说明
数码管扫描位置索引	Seg_Pos	Time_1000ms	用于动态扫描控制，每1ms切换一个数码管
1000ms计数器（用于倒计时）	unsigned char	unsigned int	累计至1000次触发一次秒级递减
500ms计数器（用于闪烁）	Time_500ms	unsigned int	实现参数设置时的500ms周期闪烁

/**
 * 定时器0中断服务函数
 */
void Timer0_Server() interrupt 1 {
    // 重装定时器初值，维持1ms中断周期
    TL0 = 0x20;
    TH0 = 0xD1;

    // 更新各类软件计数器
    if (++Key_Slow_Down == 10) Key_Slow_Down = 0;   // 按键处理周期：10ms
    if (++Seg_Slow_Down == 500) Seg_Slow_Down = 0;  // 数码管刷新基准：500ms

    // 动态扫描数码管：每次中断驱动一位，循环扫描
    if (++Seg_Pos == 6) Seg_Pos = 0;
    Seg_Disp(Seg_Pos, Seg_Buf[Seg_Pos]);

    // 处理倒计时逻辑：每1000ms减少1秒
    if (++Time_1000ms == 1000) {
        Time_1000ms = 0;
        if (System_Flag == 1) {  // 仅在运行状态下倒计时
            Time_Count--;
            if (Time_Count == 255) {  // 防止无符号下溢
                Time_Count = 0;
            }
        }
    }

    // 控制设置界面中参数的闪烁效果（500ms切换一次）
    if (++Time_500ms == 500) {
        Time_500ms = 0;
        Seg_Flag = !Seg_Flag;  // 反转闪烁标志位
    }
}

数据类型选择说明

为确保各变量能正确承载所需最大值，合理选择数据类型至关重要：

变量	需要最大值	0-255范围	0-65535范围	选择
1000	unsigned char	unsigned int	Time_1000ms	使用可容纳更大值的类型以支持1000
500	unsigned int	Time_500ms	unsigned int	同样需选用支持至少500的类型

3. 按键功能实现

（1）按键处理函数完善

按键模块通过边沿检测机制实现精确响应。相关变量定义如下：

变量名	类型	初始值	功能说明
当前按键值	Key_Val	unsigned char	存储当前读取到的按键状态
下降沿检测（按键按下）	Key_Down	unsigned char	识别按键从释放到按下的跳变
上升沿检测（按键释放）	Key_Up	unsigned char	检测按键从按下到释放的过程
上次按键值（用于边沿检测）	Key_Old	unsigned char	保存前一时刻的状态以便比较
系统运行标志：0-停止，1-运行	System_Flag	bit	控制系统处于暂停或运行状态

/**
 * 按键处理函数
 */
void Key_Proc(void) {
    // 实现10ms节拍控制，避免频繁执行
    if (Key_Slow_Down != 0) return;
    Key_Slow_Down = 1;

    // 读取当前按键状态并进行边沿检测
    Key_Val = Key_Read();
    Key_Down = Key_Val & (Key_Val ^ Key_Old);  // 下降沿：按键被按下
    Key_Up   = ~Key_Val & (Key_Val ^ Key_Old);  // 上升沿：按键被释放
    Key_Old = Key_Val;  // 更新历史状态

    // 根据按键动作执行对应操作
    switch (Key_Down) {
        case 1:  // S1按键：开始/暂停倒计时（仅在显示模式下有效）
            if (Seg_Mode == 0) {
                System_Flag = !System_Flag;  // 切换运行状态
            }
            break;

        case 2:  // S2按键：复位倒计时时间（恢复为预设值）
            if (Seg_Mode == 0) {
                Time_Count = Seg_Time[Seg_Time_Index];  // 重载设置值
            }
            break;

        case 3:  // S3按键：切换显示与设置模式
            Seg_Mode = !Seg_Mode;  // 切换界面模式
            break;

        case 4:  // S4按键：在设置模式下切换不同参数项
            if (Seg_Mode == 1) {
                Seg_Time_Index++;
                if (Seg_Time_Index == 3) {
                    Seg_Time_Index = 0;  // 循环切换三个参数
                }
            }
            break;
    }
}

// 头文件包含
#include <REGX52.H>
#include "Seg.h"
#include "Key.h"

// 全局变量定义
unsigned char Seg_Buf[6] = {10, 10, 10, 10, 10, 10};  // 数码管显示缓存
unsigned char Seg_Pos = 0;        // 数码管扫描位置
unsigned char Seg_Mode = 0;       // 当前模式：0-显示模式，1-设置模式
unsigned char Key_Val, Key_Old, Key_Up, Key_Down;  // 按键相关变量
unsigned char Seg_Slow_Down = 0;  // 数码管刷新限速标志
unsigned char Key_Slow_Down = 0;  // 按键处理限速标志
unsigned int Time_1000ms = 0;     // 1秒计时标志
unsigned int Time_500ms = 0;      // 500毫秒闪烁计时
unsigned char Time_Count = 30;    // 倒计时当前值
unsigned char Seg_Time[3] = {15, 30, 60};         // 可选定时时间数组
unsigned char Seg_Time_Index = 1;                 // 时间选项索引
bit Seg_Flag = 0;       // 闪烁标志位（0:不闪，1:闪）
bit System_Flag = 0;    // 系统运行状态标志

/**
 * 定时器0初始化函数（1ms定时 @12MHz）
 */
void Timer0_Init(void) {
    TMOD &= 0xF0;      // 清除定时器0模式位
    TL0 = 0x20;          // 设置初始低字节
    TH0 = 0xD1;          // 设置初始高字节
    TF0 = 0;             // 清除溢出标志
    TR0 = 1;             // 启动定时器0
    ET0 = 1;             // 开启定时器0中断
    EA  = 1;             // 开启全局中断
}

/**
 * 数码管显示处理函数
 * 负责更新显示内容并实现闪烁效果
 */
void Seg_Proc() {
    if (Seg_Slow_Down) return;
    Seg_Slow_Down = 1;

    // 显示当前模式编号（1或2）
    Seg_Buf[0] = Seg_Mode + 1;

    if (Seg_Mode == 0) {
        // 显示模式：显示当前倒计时数值
        Seg_Buf[4] = Time_Count / 10 % 10;
        Seg_Buf[5] = Time_Count / 1 % 10;
    } else {
        // 设置模式：根据闪烁标志决定是否显示时间
        if (Seg_Flag == 0) {
            Seg_Buf[4] = Seg_Time[Seg_Time_Index] / 10 % 10;
            Seg_Buf[5] = Seg_Time[Seg_Time_Index] / 1 % 10;
        } else {
            Seg_Buf[4] = 10;  // 不显示（空白）
            Seg_Buf[5] = 10;  // 不显示（空白）
        }
    }
}

/**
 * 按键处理函数
 * 实现模式切换、启动/暂停、复位和时间设置功能
 */
void Key_Proc() {
    if (Key_Slow_Down) return;
    Key_Slow_Down = 1;

    // 按键状态读取与边沿检测
    Key_Val = Key_Read();
    Key_Down = Key_Val & (Key_Val ^ Key_Old);
    Key_Up   = ~Key_Val & (Key_Val ^ Key_Old);
    Key_Old = Key_Val;

    switch (Key_Down) {
        case 1:
            // S1按键：在显示模式下开始/暂停倒计时
            if (Seg_Mode == 0) {
                System_Flag = !System_Flag;
            }
            break;

        case 2:
            // S2按键：在显示模式下复位倒计时
            if (Seg_Mode == 0) {
                Time_Count = Seg_Time[Seg_Time_Index];
            }
            break;

        case 3:
            // S3按键：任意模式下切换显示/设置界面
            Seg_Mode = !Seg_Mode;
            break;

        case 4:
            // S4按键：设置模式下循环切换定时时间（15→30→60→15...）
            if (Seg_Mode == 1) {
                if (++Seg_Time_Index == 3) {
                    Seg_Time_Index = 0;
                }
                
Seg_Time_Index
            }
            break;
    }
}

/**
 * LED与蜂鸣器控制函数
 * 根据倒计时状态控制外设动作
 */
void LED_Buzzer_Proc(void) {
    if (Time_Count == 0) {
        // 倒计时结束：点亮所有LED，触发蜂鸣器
        P1 = 0x00;      // 所有LED亮（低电平有效）
        P2_3 = 0;       // 蜂鸣器开启（低电平有效）
        
System_Flag = !System_Flag
    } else {
        // 倒计时进行中：关闭LED和蜂鸣器
        P1 = 0xFF;      // 所有LED灭（高电平熄灭）
        P2_3 = 1;       // 蜂鸣器关闭（高电平无效）
    }
}

（2）按键响应逻辑说明表

按键	当前模式	执行动作	结果状态
S1	显示模式	开始/暂停倒计时	System_Flag = !System_Flag
S2	显示模式	复位倒计时	Time_Count = Seg_Time[Seg_Time_Index]
S3	任意模式	切换显示/设置界面	Seg_Mode = !Seg_Mode
S4	设置模式	循环切换参数（15-30-60）

// 主循环中将调用上述各模块函数完成系统控制
// 包括定时器中断服务、数码管动态扫描、按键扫描及外设控制等流程

// 定时器0中断服务函数

void Timer0_Server() interrupt 1 {

    // 重新加载定时初值

    TL0 = 0x20;

    TH0 = 0xD1;

    // 按键与数码管的减速计数

    if (++Key_Slow_Down == 10) Key_Slow_Down = 0;

    if (++Seg_Slow_Down == 500) Seg_Slow_Down = 0;

    // 数码管动态扫描：每轮依次显示一位

    if (++Seg_Pos == 6) Seg_Pos = 0;

    Seg_Disp(Seg_Pos, Seg_Buf[Seg_Pos]);

    // 倒计时逻辑处理

    if (System_Flag == 1) {

        if (++Time_1000ms == 1000) {

            Time_1000ms = 0;

            Time_Count--;

            if (Time_Count == 255) {

                Time_Count = 0;

            }

        }

    }

    // 实现参数闪烁效果，周期为1秒

    if (++Time_500ms == 500) {

        Time_500ms = 0;

        Seg_Flag = !Seg_Flag;

    }

}

// LED与蜂鸣器控制进程

void LED_Buzzer_Proc(){

    if(Time_Count == 0){

        P1 = 0x00; // 所有LED点亮

        P2_3 = 0; // 蜂鸣器开启

    } else {

        P1 = 0xFF; // LED熄灭

        P2_3 = 1; // 蜂鸣器关闭

    }

}

// 主函数入口

void main(){

    Timer0_Init(); // 初始化定时器

    while(1){

        Key_Proc(); // 按键处理

        Seg_Proc(); // 显示处理

        LED_Buzzer_Proc(); // 外设控制

    }

}

五、系统测试与调试

1. 功能测试项目

测试项目	测试方法	预期结果	通过标准
初始状态	上电复位	显示界面，倒计时30秒	数码管显示"1 - - - 3 0"
开始/暂停	按下S1键	倒计时开始或暂停	计时值随时间递减或保持不变
复位功能	按下S2键	恢复至当前设置的倒计时时间	计时值重置为设定值
界面切换	按下S3键	在显示模式与设置模式之间切换	模式标识符在1和2之间变化
参数设置	在设置界面下按S4键	倒计时参数循环切换	设置值按15→30→60→15顺序循环
闪烁效果	进入设置界面后	可调参数以1秒周期闪烁	亮500ms，灭500ms
倒计时结束	计时归零时	触发报警信号	LED全亮（P1=0x00），蜂鸣器启动（P2_3=0）

2. 时序要求验证

功能	要求时间	实现方式	实测结果
按键响应	≤0.2秒	每10ms扫描一次按键状态	0.01秒内响应
数码管刷新	≤0.2秒	每个数码管间隔约1ms更新	一轮刷新耗时6ms（即0.006秒）
参数闪烁	1秒周期	通过500ms翻转一次闪烁标志位	准确实现亮500ms、灭500ms

六、项目总结

1. 技术要点回顾

技术要点	实现方法	关键代码
定时器中断	配置Timer0产生1ms定时中断	Timer0_Init()
数码管动态扫描	在中断中逐位轮流驱动六个数码管	Timer0_Server()
按键检测	采用边沿触发结合软件去抖机制	Key_Proc()
显示界面管理	使用模式变量控制当前显示内容	Seg_Proc()
外围设备控制	根据系统状态控制LED和蜂鸣器输出	LED_Buzzer_Proc()

2. 设计模式应用

设计模式	应用场景	实现方式
状态模式	用于切换显示与设置两种操作模式	Seg_Mode
观察者模式	响应按键事件的变化	通过中断实时检测按键动作
策略模式	支持多种倒计时参数选择	Seg_Time 使用数组存储不同预设值

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关键词：程序设计 倒计时 单片机 include System