基于單片機簡易計算器的設計說明

1、單片機課程設計課程設計報告書課題名稱簡易計算器的設計姓 名周運鴻學 號08專 業(yè)電氣工程與其自動化指導教師皮大能機電與控制工程學院 年 月 日摘 要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用，但僅單片機方面的知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結構、軟硬件結合，來加以完善。計算機在人們的日常生活中是比較常見的電子產(chǎn)品之一?？墒撬€在發(fā)展之中，以后必將出現(xiàn)功能更加強大的計算機，基于這樣的理念，本次設計是用AT89S51單片機、LCD顯示器、控制按鍵為元件來設計的計算器。利用此設計熟悉單片

2、機微控制器與C語言編程，對其片資源與各個I/O端口的功能和基本用途的了解。掌握keil應用程序開發(fā)環(huán)境，常用的LCD顯示器的使用方法和一般鍵盤的使用方法。關鍵詞：51單片機；LCD；控制按鍵目 錄1 課程設計容2 1.1任務容2 1.2任務分析22計算器設計基本原理32.1 AT89C51系列單片機簡介32.2 LCD顯示模塊62.3 運算模塊 82.4鍵盤接口電路93 主程序設計104結論4系統(tǒng)仿真圖221. 課程設計容1.1 任務容本系統(tǒng)就是充分利用了8051芯片的I/O引腳。系統(tǒng)以采用MCS-51系列單片機Intel8051為中心器件來設計計算器控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際輸入值顯示并存儲的

3、功能，計算程序則是參照教材。至于位數(shù)和功能，如果有需要可以通過設計擴充原系統(tǒng)來實現(xiàn) 。具體設計如下：1、由于要設計的是簡單的計算器，可以進行四則運算，為了得到教好的顯示效果，采用LCD顯示數(shù)據(jù)和結果。2、另外鍵盤包括數(shù)字鍵（0-9）、符號鍵（+、-、*、/）、等號鍵，故只需要16個按鍵即可，設計中采用手焊接的4*4矩陣鍵盤。3、執(zhí)行程序：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，計算器在部執(zhí)行數(shù)值轉換和存儲，并等待再次鍵入數(shù)值后將顯示鍵入的數(shù)值，按等號就會在LCD上輸出運算結果。本計算器是以MCS-51系列8051單片機為核心構成的簡易計算器系統(tǒng)。該

4、系統(tǒng)通過單片機控制，實現(xiàn)對4*4鍵盤掃描進行實時的按鍵檢測，并把檢測數(shù)據(jù)存儲下來。整個計算器系統(tǒng)的工作過程為：首先存儲單元初始化，顯示初始值和鍵盤掃描，判斷按鍵位置，查表得出按鍵值，單片機則對數(shù)據(jù)進行儲存與相應處理轉換，之后送入LED顯示器動態(tài)顯示。整個系統(tǒng)可分為三個主要功能模塊：功能模塊一，實時鍵盤掃描；功能模塊二，數(shù)據(jù)轉換成顯示器顯示；功能模塊三，顯示器動態(tài)顯示。1.2 任務分析在本次課程設計中，主要完成如下方面的設計任務：1、簡要闡述單片機技術發(fā)展的國外現(xiàn)狀與LED動態(tài)顯示和矩陣鍵盤基本原理；2、掌握51系列某種產(chǎn)品的最小電路與外圍擴展電路的設計方法；3、了解單片機數(shù)據(jù)轉換功能與工作過程

5、；4、完成主要功能模塊的硬件電路設計與必要的參數(shù)確定；5、用proteus軟件完成原理電路圖的繪制；通過本次課題設計，應用單片機應用基礎、計算機應用基礎等所學相關知識與查閱資料，完成簡易計算器的設計，以達到理論與實踐更好的結合、進一步提高綜合運用所學知識和設計的能力的目的。2. 簡易計算器設計基本原理根據(jù)功能和指示要求，本系統(tǒng)選用以MCS-51單片機為主控機。通過擴展必要的外圍接口電路，實現(xiàn)對計算器的設計。2.1 89c51系列單片機簡介89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memo

6、ry）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。STC89c51的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051與8751均采用40Pin封裝的雙列直插DIP結構，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，

7、4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在對這些引腳的功能加以說明：如圖2.3所示。圖2.1 雙列直插式封裝引腳圖Pin9:RESET/Vpc復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)。8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位。此外，RES

8、ET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。見下圖2.4為兩種復位方式和兩種時鐘方式：上電自動復位手動復位電路部時鐘方式外部時鐘方式圖2.2 復位方式和時鐘方式圖硬件系統(tǒng)是指構成微機系統(tǒng)的實體和裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設備、輸出接口電路和輸出設備等組成。單片機實質(zhì)上是一個硬件的芯片，在實際應用中，通常很難直接和被控對象進行電氣連接，必須外加各種擴展接口電路、外部設備、被控對象等硬件和軟件，才能構成一個單片機應用系統(tǒng)。本設計選用以AT89S51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

9、。 硬件電路原理圖如圖3.1所示：2.2 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)。LCD的特性有：1、+5V電壓，對比可調(diào)度；2、含復位電路；3、提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；4、有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM;5、建有160個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM;6、8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。本設計通過D0-D7引腳向LCD寫指令字或寫數(shù)據(jù)以使LCD實現(xiàn)不同的功能或顯示相應的數(shù)據(jù)。其接口電路如圖3.3所示。 圖2.3 1602LCD引腳圖表2.4 LCD的引腳說明符號引腳說明符號引腳說明VSS電源地DB4Da

10、ta I/OVDD電源正極（+5V）DB5Data I/OV0液晶顯示偏壓輸入DB6Data I/ORS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）DB7Data I/OR/W讀寫控制信號（H/L）E使能信號DB0Data I/ORST復位端（H：正常工作，L：復位）DB1Data I/OVEE負電源輸出（-10V）DB2Data I/OBLA背光源正極（+4.2）DB3Data I/OBLK背光源正極2.3運算模塊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等計算機所需要的基本功能部件。如果按功能劃分，它由以下功能部件組成，即微處理器(CPU)，數(shù)據(jù)存儲器(RAM

11、)，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)與特殊功能寄存器（SFR）。單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的一些功能，通過使用單片機編寫的程序可以實現(xiàn)高智能、高效率以與高可靠性，因此采用單片機作為計算器的主要功能部件，可以很快的實現(xiàn)運算功能。運算模塊由鍵盤和顯示屏組成。單片機通過按鍵來實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)和操作方式的控制，在運算過程中，對所設的數(shù)據(jù)進行四則運算時，要先確定選用的是哪一個運算符，若是+或*，則要判斷結果是否會溢出，溢出則顯示錯誤提示，沒有溢出則顯示運算結果，若是/，則要判斷除數(shù)是否為零，為零時顯示錯誤提示，

12、不為零顯示運算結果。2.4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，如果采用獨立按鍵的方式，在這種情況下，編程會很簡單，但是會占用大量的I/O 口資源，因此在很多情況下都不采用這種方式，而是采用矩陣鍵盤的方案。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，在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4×4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 口的利用率。矩陣鍵盤的工作原理：計算器的鍵盤布局如圖2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2.5 矩陣

13、鍵盤部電路圖第三章主程序設計Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。Keil C51單片機軟件

14、開發(fā)系統(tǒng)的整體結構C51工具包的整體結構，如圖3.1所示，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for DOS的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE 本身或其它編輯器編輯C 或匯編源文件。然后分別由C51與A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫

15、入程序存貯器如EPROM 中。普通計算器課程序設計:/*/通用計算器的編寫，能夠實現(xiàn)兩位的加減計算 +，-，*，/設計人：周運鴻。指導人：皮大能/2013-6-6#include<reg51.h>#include<string.h>#include"LCD1602.h"#include"keyboard.h"#include"calculation.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intdouble num2; uchar sign2; uc

16、har numble110; uchar numble210; void main()int i=0,j=0,k=0,flag=0,a=0,b,c=0,e=0,opNum=0;long int sum1,sum0;double sum2;init();write_(0x80);while(!mark)matrixkeyscan();mark=0;while(expressionj!='=')if(!In(expressionj,OP) /如否不是運算符就入操作數(shù)棧if(opNum = 0)opNum =expressionj - 48;+j;if(In(expressionj,

17、OP)flag = 1;elseopNum = opNum * 10 + (expressionj - 48);+j;if(In(expressionj,OP)flag = 1;if(flag = 1)numi=opNum;opNum=0;i+;flag=0;elsesignk=expressionj;+j;k+; sum1=Operator( num0,sign0, num1);sum2=Operator( num0,sign0, num1);sum0=sum1;while(sum1!=0) numble1a=sum1%10+48; sum1=sum1/10; a+; b=strlen(nu

18、mble1);write_(0x80+0x40); for(c=b-1;c>=0;c-)write_data(numble1c);delayms(10);write_data('.');sum2=sum2*1000;sum0=sum2-sum0*1000;numble20=sum0/100+48;numble22=sum0%10+48;numble21=(sum0/10)%10+48;if(numble22>=(5+48)numble21=numble21+1;write_data(numble20);delayms(5);write_data(numble21);

19、delayms(5);while(1);/*/鍵盤掃描程序驅動/文件名：keyboard.h/*#ifndef _keyboard_H_#define _keyboard_H_#include<reg51.h>#include"LCD1602.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint move=0; uchar mark=0;uchar code table='0','1','2','3','4','

20、5','6','7','8','9'uchar expression20; uchar code OP='+','-','*','/','=','n'void matrixkeyscan() uchar temp,key; P3=0xfe; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0x

21、f0) temp=P3; switch(temp) case 0xee:key=0;break; case 0xde:key=1;break; case 0xbe:key=2;break; case 0x7e:key=3;break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; write_data(tablekey); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; P3=0xfd; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delayms(10); tem

22、p=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xed:key=4;break; case 0xdd:key=5;break; case 0xbd:key=6;break; case 0x7d:key=7;break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; write_data(tablekey); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; P3=0xfb; temp=P3; temp=temp&0x

23、f0; if(temp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xeb:key=8;break; case 0xdb:key=9;break; case 0xbb:key=10;break; case 0x7b:key=11;break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; if(key<10)write_data(tablekey); delayms(5);else write_data(O

24、Pkey-10); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; P3=0xf7; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xe7:key=12;break; case 0xd7:key=13;break; case 0xb7:key=14;break; case 0x77:key=15;break; while(temp!=0xf0) te

25、mp=P3; temp=temp&0xf0; if(key=14) mark=1; write_data(OPkey-10); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; #endif/*/LCD1602驅動程序/文件名：LCD1602.h/*#ifndef _LCD1602_H_#define _LCD1602_H_#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcden=P24;sbit lcdrs=P25;void dela

26、yms(uint xms) uint i,j;for(i=xms;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-); void write_(uchar )lcdrs=0;P0=;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;void init()lcden=0;write_(0x38); write_(0x0c); write_(0x06); write_(0x01);#endif/*/數(shù)學計算程序/文件名：calculation.h/*#ifndef _calculation_H_#define _calculation_H_#define uchar unsigned char#define uint unsigned intdouble Operator(double first,char theta,double second)switch(theta)case '+':return first +