基于MCS-51單片機(jī)的計算器設(shè)計

1、xxx學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文基于MCS-51單片機(jī)的計算器設(shè)計作者： xxx院系： xxxx學(xué)院機(jī)電工程系專業(yè)： 電氣自動化年級: xx級學(xué)號： xxxxx指導(dǎo)教師： xxx摘要本設(shè)計是一個實現(xiàn)加減乘除的計算器，它的硬件主要由四部分構(gòu)成，一個8051單片機(jī)芯片，六個八段共陰極數(shù)碼管，一個4*4鍵盤，它可以實現(xiàn)兩位數(shù)的基本加減乘除運算。關(guān)鍵詞：MCS-51 單片機(jī) 計算器 數(shù)碼管目 錄引言：一、設(shè)計任務(wù)二、方案論證三、電路的硬件設(shè)計系統(tǒng)框圖微處理器的選擇電源模塊、AT89S52單片機(jī)參數(shù)、鍵盤的設(shè)計、復(fù)位電路、震蕩電路設(shè)計、數(shù)碼顯示的驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示電路四、軟件設(shè)計、系統(tǒng)總體流程圖、顯示程序設(shè)計4

2、.3、鍵盤識別程序設(shè)計五、本次設(shè)計的體會與心得參考文獻(xiàn)附錄：基于51單片機(jī)的計算器硬件電路PCB圖：引言：隨著社會的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，人們的生活水平在逐步的提高，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，猶如雨后春筍般的變化。電子產(chǎn)品的更新速度快就不足驚奇了近年來，單片機(jī)以其體積小、價格廉、面向控制等獨特優(yōu)點，在各種工業(yè)控制、儀器儀表、設(shè)備、產(chǎn)品的自動化、智能化方面獲得了廣泛的應(yīng)用。與此同時，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性成為人們越來越關(guān)注的重要課題。影響可靠性的因素是多方面的，如構(gòu)成系統(tǒng)的元器件本身的可靠性、系統(tǒng)本身各部分之間的相互耦合因素等。其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)計算器在人們的日常中是比較的常見

3、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(qiáng)大的計算器，基于這樣的理念，本次設(shè)計是用單片機(jī)來設(shè)計的計算器。該設(shè)計系統(tǒng)是以AT89C51為單片機(jī)， P2口作為輸入端，外接4X5的鍵盤，通過鍵盤掃描來對輸入數(shù)的控制，并外接驅(qū)動電路，用來保證數(shù)碼管的工作正常。計算器將完成的功能有加，減，乘，除等功能。一、設(shè)計任務(wù)（1）設(shè)計鍵盤，其中有10個數(shù)字鍵09，和實現(xiàn)基本“+”、“”、“*”、“/”、“=”鍵；（2）設(shè)計顯示電路能夠顯示按鍵的數(shù)值及計算結(jié)果；（3）實現(xiàn)2位數(shù)的簡單運算二、方案論證方案一：采用計算器專用芯片實現(xiàn)。用計算器專用芯片進(jìn)行設(shè)計并編程實現(xiàn)。這種設(shè)計方案計算效率高、速度快、而

4、且成本也相對較低，是廠家做計算器的最佳方案。但是本人對計算器專用芯片掌握的不夠，還不足以實現(xiàn)設(shè)計計算器，所以這個方案不可去。方案二：采用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。FPGA將所有器件集成到一塊芯片上，體積小，節(jié)省空間，提高了穩(wěn)定性；直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，工作可靠性好?？梢詫崿F(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，采用并行的輸入輸出方式，系統(tǒng)處理速度高，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。由FPGA內(nèi)部編程實現(xiàn)計算器功能，本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理速度的要求不是很高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分的體現(xiàn)，由于其集成度高，使其成本

5、偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。并且FPGA的價格相對較高，性價比太低。方案三：用單片機(jī)實現(xiàn)。由于單片機(jī)集成了運算器電路、控制電路、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出口電路等，所以用單片機(jī)設(shè)計控制電路省去了很多分立元器件。由于單片機(jī)是可編程芯片，并且它可以運用C語言編寫，對于一些復(fù)雜的計算功能，可以調(diào)用C語言庫函數(shù)。使編寫程序變得非常簡單。所以該課題用單片機(jī)實現(xiàn)，不僅功能易于實現(xiàn)，而且精確度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。并且由于其成本低、體積小、技術(shù)成熟和功耗小等優(yōu)點，且技術(shù)比較成熟。性價比也相當(dāng)高。更重要的是本人經(jīng)過幾年的學(xué)習(xí)，對單

6、片機(jī)已有深刻的理解，并且可以靈活運用。綜上所述，并通過各個方面綜合比較為達(dá)到最佳效果。我們采用方案三利用單片機(jī)控制器。三、電路的硬件設(shè)計鍵盤輸入數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片AT89S52圖1：系統(tǒng)框圖的選擇 1、控制中心采用AT89S52來實現(xiàn) 2、驅(qū)動是74LS244實現(xiàn) 3、顯示用六個共陰數(shù)碼管完成 4、以7805芯片為核心，提供+5V，2A直流電源圖2：電源模塊D1-D4為普通二極管，D6為發(fā)光二極管， C1為1000-4700uf的電解電容，C2、C4為0.1-1uF瓷片電容、C3為100-470uF的電解電容，系統(tǒng)的參數(shù)如上圖所示。7805引腳的1、3兩端加二極管D5，目的為了有效的保護(hù)電路。在

7、電流過大時可以對7805的耐壓起到了保護(hù)左右以免燒毀7805芯片。在C1的電容增大時可以提高電路的穩(wěn)壓效應(yīng)，當(dāng)然也不說是越大越好。C2為濾波電容可以有效的慮掉高電平信號產(chǎn)生的干擾。D6是一個發(fā)光二極管，可以在上電時看到電路是不是導(dǎo)通的。C3和C4夠成了電容的反饋有效的慮底平波和保護(hù)電路。、AT89S52單片機(jī)參數(shù)圖3：單片機(jī)引腳與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 、 32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定

8、時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識符。其正常工作時Vcc為5V的電源，Vss為接地端，IO總線分別為P0、P1、P2、P3口，32根IO引線，每根都可以獨立使用。P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏 輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4

9、個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能 P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1

10、.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控

11、制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INTO(外中斷0)P3.3 INT1(外中斷1)P3.4 TO(定時/計數(shù)器0)P3.5 T1(定時/計數(shù)器1)P3.

12、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)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8

13、EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vc

14、c端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。3.5、鍵盤的設(shè)計圖4鍵盤的設(shè)計圖4是鍵盤的設(shè)計，用AT89S52芯片構(gòu)成的4X5的鍵盤。P2口和P1口的7腳與其相接。矩陣鍵盤工作原理是。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵。確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下，用“行掃描法”。 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法.判斷鍵盤中有無鍵按下： 將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交*的4個按鍵之中。若所

15、有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。判斷閉合鍵所在的位置： 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交*處的按鍵就是閉合的按鍵。把每個鍵都分成水平和垂直的兩端接入，比如說掃描碼是從垂直的入，那就代表那一行所接收到的掃描碼是同一個位，而讀入掃描碼的則是水平，掃描的動作是先輸入掃描碼，再去讀取輸入的值，經(jīng)過比對之后就可知道是哪個鍵被按下。鍵盤電路設(shè)計說明：1、 在安裝前應(yīng)首先確保開關(guān)無損壞。2、 看電路有無短接，虛焊等現(xiàn)象

16、。3.6、復(fù)位電路圖5：復(fù)位電路圖中的RST接單片機(jī)的9號腳，當(dāng)按鍵S按下時單片機(jī)復(fù)位。其中電阻R23和R6分別取200和1K，電容C4為電解性電容取值為16V/22UF。Vcc接5V電壓。3.7、震蕩電路設(shè)計圖6： 震蕩電路圖中X1、X2分別接單片機(jī)的18和19號腳。時鐘有內(nèi)部電路產(chǎn)生，定時器件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，電容C1、C2的取之為30p,Y1的取值為12MHz。3.8、數(shù)碼顯示的驅(qū)動電路圖7：數(shù)碼顯示驅(qū)動電路該設(shè)計采用74LS244芯片作為驅(qū)動，以保證數(shù)碼管顯示的亮度。其輸入端接單片機(jī)的P1口，輸出端串180的限流電阻接數(shù)碼管的段碼。1號腳和19號腳接底電平。74LS2

17、44芯片為244為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動器。其功能表如下圖所示：圖8：74LS244功能表圖3.9、數(shù)碼管顯示電路圖9：數(shù)碼管顯示電路設(shè)計采用六個共陰八段數(shù)碼管顯示，各數(shù)碼管的段選線并接之后接入驅(qū)動電路。其六個公共端分別接P3口底六位，作為動態(tài)顯示時選擇數(shù)碼管用。動態(tài)顯示的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。四、軟

18、件設(shè)計4.1、系統(tǒng)總體流程圖開始初始化參數(shù)數(shù)碼管顯示零鍵盤行列掃描有健按下讀取鍵碼鍵碼是？數(shù)字鍵運算功能鍵清零鍵記憶其對應(yīng)的鍵值記憶其運算符數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示是“=”？計算最后結(jié)果數(shù)碼管顯示是“=”其他鍵圖10：系統(tǒng)總體流程圖4.2、顯示程序設(shè)計利用數(shù)碼管動態(tài)顯示的方法，設(shè)置顯示循環(huán)次數(shù)，讓六個數(shù)碼管從左到右依次顯示，之間要調(diào)用延時子程序，但延時時間小于人的視覺暫留。程序流程圖如下圖11：顯示程序流程圖4.3、鍵盤識別程序設(shè)計 該試劑利用5*4的小鍵盤，提供 0-9， “+”“-”“*”“/”，“=”，清零鍵。再利用數(shù)碼管，對于即時按下的鍵和結(jié)果進(jìn)行顯示。向列掃描碼逐列輸出低電平，然后從行碼地址讀回。如果有鍵按下，則相應(yīng)的行值應(yīng)為低，如果無鍵按下，由于上拉電阻的作用，行碼為高