單片機簡單計算器設計方案書與仿真

1、東北大學秦皇島分校自動化工程系自動控制系統(tǒng)課程設計基于單片機地簡易計算器設計與仿真專業(yè)名稱班級學號 學生姓名 指導教師 設計時間自動化5080512張爽王宏偉2011.6.272010.7.8東北大學秦皇島分校自動化工程系自動控制系統(tǒng)課程設計任務書專業(yè)： 自動化 班級： 50805姓名： 張爽設計題目：基于單片機地簡易計算器設計與仿真一、設計實驗條件：地 點：自動化系實驗室實驗設備： PC 機（ 裝有 Keil ； Protues； Word ； Visio ）二、設計任務：本系統(tǒng)選用AT89C5單片機為主控機.通過擴展必要地外圍接口電路,實現(xiàn)對 計算器地設計 , 具體設計如下：（1）由于設計

2、地計算器要進行四則運算 , 為了得到較好地顯示效果 , 經(jīng)綜合分析 后,最后采用LCD顯示數(shù)據(jù)和結果.（2）采用鍵盤輸入方式，鍵盤包括數(shù)字鍵（09）、符號鍵（+、-、X、十）、 清除鍵（onc）和等號鍵（=）,故只需要16個按鍵即可,設計中采用集成地計算鍵 盤.（3）在執(zhí)行過程中,開機顯示零,等待鍵入數(shù)值,當鍵入數(shù)字,通過LCD顯示出來, 當鍵入+、 -、 *、 /運算符,計算器在內(nèi)部執(zhí)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和存儲 ,并等待再次鍵入數(shù) 值,當再鍵入數(shù)值后將顯示鍵入地數(shù)值,按等號就會在LCDk輸出運算結果.（4） 錯誤提示：當計算器執(zhí)行過程中有錯誤時,會在LCDt顯示相應地提示，如: 當輸入地數(shù)值或計算得到

3、地結果大于計算器地表示范圍時 ，計算器會在LCDk提 示overflow ;當除數(shù)為0時，計算器會在LCDk提示error.設計要求：分別對鍵盤輸入檢測模塊；LCD顯示模塊；算術運算模塊；錯誤處理 及提示模塊進行設計,并用Visio畫系統(tǒng)方框圖，keil與protues仿真 分析其設計結果 .三、設計時間與設計時間安排：1、設計時間： 6月27日7月8日2、設計時間安排：熟悉課題、收集資料：具體設計（含上機實驗） 編寫課程設計說明書： 答辯：四、設計說明書地內(nèi)容:3天（6月27日6月29日）6天（6月30日7月5日）2天（7月6日7月7日）1天（7月8日）1、前言：（自己寫，組員之間不能相同，

4、寫完后將紅字刪除，排版時注意對齊）本設計是基于51系列單片機來進行地數(shù)字計算器系統(tǒng)設計，可以完成計算 器地鍵盤輸入，進行加、減、乘、除基本四則運算，并在LCD上顯示相應地結果； 設計電路采用AT89C51單片機為主要控制電路,利用MM74C922乍為計算器4*4 鍵盤地掃描IC讀取鍵盤上地輸入；顯示采用字符 LCD靜態(tài)顯示；軟件方面使用 C語言編程,并用PROTUE仿真.2、設計題目與設計任務：現(xiàn)實生活中人們熟知地計算器，其功能主要如下：（1）鍵盤輸入；（2）數(shù) 值顯示；（3）加、減、乘、除四則運算；（4）對錯誤地控制及提示.針對上述功能，計算器軟件程序要完成以下模塊地設計：（1）鍵盤輸入檢測

5、模 塊；（2） LCD示模塊；（3）算術運算模塊；（4）錯誤處理及提示模塊.3、主體設計部分：（1）、系統(tǒng)模塊圖：（2）、算術運算程序流程圖:(4)、硬件設計：(一)、總體硬件設計：本設計選用AT89C51單片機為主控單元； 顯示部分：采用LCD靜態(tài)顯示;按鍵部分：采用4*4鍵盤；用MM74C92為4*4鍵盤掃描IC,讀取輸入地鍵值總體設計效果如下圖：UEL口 書呼 Cl * li ID1? i:a'tniPRi / IB4« 咤RKi廠PDIYAUg PD.WD1 POADZ FH PD.P* PUSDf FDJVADfi FD.TMbi.乂說 F32WWI FZMM1 F

6、Z.椒 12 2弐g F3M申 PZJfttSPiurnxi P3.a(PUirTO 陽 HliiTTi3LBTTQ P1ST1F3fiVJTnfrinr”0回回冃EEECHHTE<T（二八單片機接口電路說明:1、手動上電復位電路：當VCC上電時,C充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位；幾個毫秒 后,C充滿,10K電阻上電流降為0,電壓也為0,使得單片機進入工作狀態(tài).工作期間,按下S,C放電.S松手,C又充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓,使得單片機復位幾個毫秒后，單片機進入工作狀態(tài)2、內(nèi)部時鐘模式電路：XTTAL2XTTALI當單片機工作于內(nèi)部時鐘模式地時候,只需在XTAL和XTAL

7、引腳連接一個晶 體振蕩器或者陶瓷振蕩器，并接兩個電容后接地即可，在使用時對于電容地選擇 有一定地要求：當外接晶體振蕩器地時候,電容值一般選擇3= C2=30+10p或30-10pF;當外接陶瓷振蕩器地時候,電容值一般選擇3= C2=40+10p或40-10pF；3、AT89C5單片機引腳介紹：VCC 供電電壓.GND接地.P0口 ： P0口為一個8位漏級開路雙向I/O 口 ,每腳可吸收8TTL門電流.當P0口地 管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入.P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲 器,它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址地第八位在FIASH編程時,P0 口作為 原碼輸入口 ,當FIASH進行校驗時,P0輸出

8、原碼，此時P0外部必須被拉 高P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻地8位雙向I/O 口 ,P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流.P1 口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入，P1 口 被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉地緣故在FLASH®程和校驗時,P1 口作為第八位地址接收.P2口 ： P2口為一個內(nèi)部上拉電阻地 8位雙向I/O 口 ,P2 口緩沖器可接收,輸出4 個TTL門電流,當P2口被寫“ 1 ”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入.并因此作為輸入時,P2 口地管腳被外部拉低，將輸出電流這是由于內(nèi)部上拉地緣故 .P2 口當用于外部程序存儲器或1

9、6位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址地高八位.在給出地址“ 1”時，它利 用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2 口輸出其特殊功能寄存器地內(nèi)容 .P2 口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址 信號和控制信號 .P3口： P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻地雙向I/O 口 ,可接收輸出4個TTL門電流.當P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入作為 輸入,由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉 地緣故 .P3口也可作為 AT89C51地一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD （串行輸出口）P3.2

10、 /INTO （外部中斷 0）P3.3 /INT1 （外部中斷1）P3.4 TO （記時器0外部輸入） P3.5 T1 （記 時器1外部輸入）P3.6 /WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀 選通）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號RST:復位輸入.當振蕩器復位器件時,要保持RST腳兩個機器周期地高電平時 間.ALE/PROG當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許地輸出電平用于鎖存地址地 地位字節(jié).在FLASHS程期間，此引腳用于輸入編程脈沖.在平時,ALE端以不變地頻率周期輸出正脈沖信號 , 此頻率為振蕩器頻率地 1/6. 因 此它可用作對外部輸出地脈

11、沖或用于定時目地 . 然而要注意地是：每 當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE永沖.如想禁止ALE地輸出可在SFR8E地址上置0.此時,ALE只有在執(zhí)行 MOVX,MOVC令是ALE才 起作用 . 另外 , 該引腳被略微拉高 . 如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止 , 置位無效 ./PSEN：外部程序存儲器地選通信號.在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效.但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效地/PSEN信號將不出現(xiàn)./EA/VPP :當/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器（OOOOH-FFFFH）,不管是否有內(nèi)部程序存儲器注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖

12、定為 RESET當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器在FLASH編程期 間,此引腳也用于施加12V編程電源（VPF）.XTAL1 :反向振蕩放大器地輸入及內(nèi)部時鐘工作電路地輸入XTAL2:來自反向振蕩器地輸出.4、單片機與復位、時鐘電路連接電路圖：C3U2.30pF 7EXT>C4口 SvSTAL30pF<TEXT>|-IBillR2 再"Ou1kJ .-TEXT>. >XTAL1PO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6F?STP0.7/AD7P2.0/A8P2.VA

13、9P2.2/A10PSENP2.3fA11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2 7fA15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/IMT0P1.3P3.3/irrriP1.4P3.4/T0P1.5P3.5mP1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD:29：7oR1DBil12；77：瓦14173921 ；IT23 :25/26 ；2728 ：（三）、鍵盤接口電路:計算器輸入數(shù)字和其他功能按鍵要用到很多按鍵，如果采用獨立按鍵地方式 在這種情況下,編程會很簡單,但是會占用大量地I/O 口資源,因此在很多情況下 都不采用這種方式，而是采用矩陣鍵盤

14、地方案矩陣鍵盤采用四條I/O線作為行 線,四條I/O線作為列線組成鍵盤,在行線和列線地每個交叉點上設置一個按鍵 這樣鍵盤上按鍵地個數(shù)就為4X4個.這種行列式鍵盤結構能有效地提高單片機系 統(tǒng)中I/O 口地利用率.矩陣鍵盤地工作原理：計算器地鍵盤布局如圖1所示：一般有16個鍵組成,在單片機中正好可以用一個P 口實現(xiàn)16個按鍵功能，這種形式在單片機系統(tǒng)中也最常用圖1 矩陣鍵盤布局圖矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖如圖2所示：1aii «c _ Qffi一前ntjd° 葩一*11O O-廠BiOOaJIUUIT為了進一步節(jié)省單片機I/O 口資源,我們在設計中使用了 MM74C92芯片.MM74C

15、92是一款4*4鍵盤掃描IC,它可檢測到與之相連地4*4鍵盤地按鍵輸入,并通過數(shù)據(jù)輸出口將按鍵相應地編碼輸出其引腳圖如圖3所示：Pin Assignment for DIPflOWYl ROWV?丄Rawn 24now ¥4 5DSCILLATDH G iKEVBOUNCE NASK COLUMN X4 丄egLUHNXJ 丄上VccDAIA OUT ADATA fl UTSDATA CUI CDATA DUJ oUTPUrrNATFDATA AVAILABLECOLUMftXlCOLtJMM 程Top ViewMM94C922圖3 MM94C22硬件圖MM74C922I 腳說明：Y

16、1Y4 （腳1腳4）: 4*4鍵盤第一列至第四.X1X4 （腳11、10、8、7）: 4*4鍵盤第一行至第四行.（3） DOADOD Dataout AD,腳 1417）:按鍵之 BCD碼輸出，其中 DO/為 LSBQOD 為 MSB.VCC （腳18）:電源腳，+3V+15V.ab126計算公式大全GND （腳9）:接地管腳.新藝圖庫OSC（ Oscillator,腳5）:鍵盤掃描電路之頻率所需外加電容地連引腳.KBM（Keyboard Mask，腳6）:內(nèi)部消除開關彈跳電路所外加電容地引腳.（8）OE（ Output Enable,腳13）:芯片使能腳，接低電位可使芯片使能.（9）DA（

17、Data Available,腳12）：數(shù)據(jù)有效輸出腳.任一按鍵按下時，此腳位會輸出高電位，按鍵釋放后此腳又會恢復為低電位.MM74C92對各按鍵地響應如下表所示：Truth Tables(Pins 0 through It)Switch Position0Y1.X11nxa23YVX44V2,X15Y2,X26¥2rX37Y2.X4sY3,X19 Y3rX210Y3.X311DAA01010101D101TB00I10C110011AC00fl1l1100DQ0D000000001111UE (Note 1)0000D000Q0D0T(Pir>s 12 through 19)

18、Switch Position12¥4PX11314¥4,X315Y4,X416¥6(Note1rX117 Y5 (Note 1),X218YfifNote I), X319re (Note 1), x+AA0101D101T00011001iAC111100000D11110000UEfNcte 1)D0011IITNote 1：Omrtlof MM 74CH 2如下圖4所示,在本設計中，計算器輸入鍵盤地4條行線、列線分別連接到MM74C92地X1-X4、Y1-Y4引腳,MM74C922地數(shù)據(jù)輸出口與單片機地 P2 口相連,MM74C92地 DA引腳經(jīng)過一個非門

19、連接到單片機地 /INTO腳,當MM74C92檢測 到鍵盤輸入時，DA產(chǎn)生高電平,與之相連地/INTO檢測到低電平,給單片機一個中 斷,單片機從P2 口地低四位讀入鍵盤上按下地鍵地值. (Jr ' r '1'1'''*'' r '"'" B'1' ' r - r -'-F4IK04t?aTg14:U3:B'74 GMIWM74匚興？ <TfetV> hcHSDD圖4 鍵盤接口電路圖(四八LCD顯示模塊:本設計采用LCD液晶顯示器來顯示輸出數(shù)據(jù).

20、通過D0-D7引腳向LCD寫指令字或?qū)憯?shù)據(jù)以使LCD實現(xiàn)不同地功能或顯示相應數(shù)據(jù)圖5 LCD模塊（五）運算模塊（單片機控制）：MCS-51單片機是在一塊芯片中集成了 CPU RAM ROM定時器/計數(shù)器和多功能I/O等一臺計算機所需要地基本功能部件如果按功能劃分，它由如下功能部 件組成,即微處理器（CPU、數(shù)據(jù)存儲器（RAM、程序存儲器（ROM/EPROM 并行I/O 口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR .單片機是靠程序運行地，并且可以修改.通過不同地程序?qū)崿F(xiàn)不同地功能，尤 其是特殊地獨特地一些功能，通過使用單片機編寫地程序可以實現(xiàn)高智能，高效 率,以及高可靠性！因此

21、我們采用單片機作為計算器地主要功能部件，可以很快地 實現(xiàn)運算功能3.5、軟件編程：1、主函數(shù)設計：函數(shù)聲明/*#in clude<reg51.h>#in clude<math.h> #defi ne uchar un sig ned char #defi ne uint un sig ned int char tran slate(i nt keycode); void arithmetic。;void ini t_LCM();void write_data(char ddata); void write_com(char comma nd); void check_B

22、F();void clearLCD(); void display(l ong a); void dealerror(); void dataoverflow();定義變量和數(shù)組/*long x=0,y=0,num=0;int operators,input,iny=0; char key;char error5="error"char overflow8="overflow"sbit EN=P3A4;sbit R_W=P3A5; sbit RS=P3A6;主函數(shù) */* main()EA=1;EX0=1;IT0=1;P2=0xff; display(0

23、); init_LCM();write_data(0x30); while(1) 2、分塊程序設計： (1)、鍵盤輸入檢測程序設計：有鍵按下時,單片機響應外部中斷 0,轉(zhuǎn)入外部中斷 0中斷處理函數(shù) ,在中斷處理函數(shù)中完成對按鍵地判斷 , 以進行下一步地程序處理鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值函數(shù) */char translate(int keycode)switch(keycode)case 0: return '7' break; case 1: return '4' break; case 2:return '1'break;case 3:return

24、 'c' break;case 4:return '8' break;case 5:return '5' break;case 6:return '2' break;case 7:return '0' break;case 8:return '9' break;case 9:return '6' break;case 10:return '3' break;case 11:return '=' break;case 12:return '/&#

25、39; break;case 13:return '*' break;case 14:return '-' break;case 15:return '+'break;外部中斷 0處理函數(shù) */void INT_0(void) interrupt 0 using 0 key=translate(P2&0x0f);if(key<='9'&&key>='0') / 判斷按下地鍵是否為數(shù)值 num=num*10+(key-'0');if (operators>0)

26、 y=num;iny=1;else x=num;if(num<134217728&&num>-134217728) / 當前數(shù)值是否超出限定范圍 display(num);elsedataoverflow();elseswitch(key)case 'c':x=0; y=0; num=0; iny=0; operators=0; display(num); break;case '=':arithmetic(); iny=0; operators=0; num=0; break;case '+':if (operato

27、rs) arithmetic(); operators=1; num=0; break;case '-':if (operators) arithmetic(); operators=2; num=0; break;case '*':if (operators) arithmetic(); operators=3; num=0; break;case '/':if (operators) arithmetic(); operators=4; num=0; break;（2）、算術運算程序設計：/*算術運算函數(shù) */void arithmetic(

28、)if (iny)switch(operators)case 1: x=x+y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728) display(num);else dataoverflow(); break;case 2: x=x-y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728) display(num);else dataoverflow(); break;case 3:x=x*y;num=x;if(num<134217728&&num>-13

29、4217728) display(num);else dataoverflow(); break;case 4:if (y=0) dealerror(); else x=x/y; num=x; if(num<134217728&&num>-134217728) display(num);else dataoverflow();break;y=0;(3)、LCD顯示程序設計：LCD完成不同功能或利用LCD靜態(tài)顯示,通過程序向LCD寫指令字或數(shù)據(jù)使 顯示相應數(shù)據(jù) .*LCD初始化函數(shù)void init_LCM()write_com(0x30);write_com(0x3

30、0);write_com(0x30);write_com(0x38);write_com(0x08);write_com(0x01);write_com(0x06);write_com(0x0e);LCD寫數(shù)據(jù)函數(shù)void write_data(char ddata)RS=1;/* 寫指令 */R_W=0;EN=1;/* 使能信號開 */P仁ddata;/*將數(shù)據(jù)送入pl 口 */EN=O;/*使能信號關*/ check_BF();/*LCD寫指令函數(shù) */void write_com(char command)RS=O;/*寫指令*/R_W=O;EN=1;/*使能信號開*/P仁comma nd;/*將數(shù)據(jù)送入pl 口 */E