廣東技術(shù)師范學(xué)院設(shè)計(jì)報(bào)告-人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGEPAGE19嵌入式原理及應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告題目：人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器院別：自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化（職教師資）姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：肖蕾、實(shí)訓(xùn)日期：2013.06.10—2013.06.16人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)摘要實(shí)驗(yàn)借用實(shí)驗(yàn)板X(qián)S128-80PIN核心板中MC9S12XS256芯片與4*4小鍵盤(pán)模塊接口以及LCD1602液晶顯示模塊接口，學(xué)會(huì)根據(jù)外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件編程及調(diào)試，練習(xí)撰寫(xiě)實(shí)訓(xùn)總結(jié)報(bào)告，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)的能力。具體效果如下：A.輸入模塊使用4*4小鍵盤(pán)，系統(tǒng)可以檢測(cè)用戶按下某個(gè)按鍵；B.輸出模塊使用液晶顯示模塊"LCD1602"，將用戶按下的按鍵值顯示出來(lái)；C.系統(tǒng)具備有特殊功能按鍵，例如:A->'+'B->'-'F->'*'D->'/'E->'='C->'清屏'D.其他擴(kuò)展功能。關(guān)鍵詞：XS128-80PIN核心板、MC9S12XS256芯片、4*4小鍵盤(pán)、液晶顯示模塊"LCD1602"目錄摘要 0一、人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器硬件電路設(shè)計(jì) 11.1硬件電路總體概述 11.2硬件電路模塊化介紹 21.2.1電源模塊 21.2.2MC9S12XS256芯片及其最小系統(tǒng) 31.2.3LCD1602液晶顯示模塊電路 61.2.44*4小鍵盤(pán)模塊電路 9二．人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器軟件設(shè)計(jì) 112.1程序流程圖 112.2系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì) 122.2.1μC/OS系統(tǒng)移植 122.2.2MC9S12XS256芯片內(nèi)核初始化 132.2.3LCD1602初始化程序設(shè)計(jì) 132.44*4按鍵掃描程序設(shè)計(jì) 162.3主程序及任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì) 162.3.1主程序設(shè)計(jì) 162.3.2任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì) 17心得體會(huì) 18參考文獻(xiàn) 19程序代碼 19一、人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器硬件電路設(shè)計(jì)1.1硬件電路總體概述本項(xiàng)目是基于MC9S12XS256芯片的人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，整個(gè)電路是以MC9S12XS256芯片為核心，所以整個(gè)電路是由以下幾大模塊組成的：電源模塊；MC9S12XS256芯片及其最小系統(tǒng)：eq\o\ac(○,1).MC9S12XS256芯片；eq\o\ac(○,2).晶振電路；eq\o\ac(○,3).復(fù)位電路；LCD1602液晶顯示模塊電路。4*4小鍵盤(pán)模塊電路另外，這次的設(shè)計(jì)是運(yùn)用了我們學(xué)校自動(dòng)化學(xué)院飛思卡爾實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)板。因此，在以上的電路外還要加入I/O口的拓展電路。整個(gè)系統(tǒng)的電路組成如圖1（原理圖見(jiàn)附件1）：MC9S12MC9S12XS256芯片電源晶振電路復(fù)位電路4*4小鍵盤(pán)模塊LCD1602液晶顯示模塊圖11.2硬件電路模塊化介紹1.2.1電源模塊擴(kuò)展板使用12伏直流電源供電，通過(guò)開(kāi)關(guān)型可調(diào)降壓穩(wěn)壓器LM2576T-ADJ輸出5伏和3.3伏兩種電源，電路原理圖分別如圖2-3和圖2-4所示。根據(jù)實(shí)際電路（如AD采集）的需要，撥動(dòng)擴(kuò)展板上的電源選擇開(kāi)關(guān)可選擇其中的一種使用。圖212V轉(zhuǎn)換為5V的電路原理圖LM2576T-ADJ采用TO-220封裝，輸入電壓范圍為7V至40V，輸出電流為3.0A。P2-C1為120uF/75V鋁電解電容；P2-C2為1000uF/25V鋁電解電容；P2-D1為肖特基二極管。輸出電壓Vref=1.23V。圖312V轉(zhuǎn)換為3.3V電路原理圖圖2與圖3相比，唯一不同的是P2-R2和P3-R2的阻值不同。輸出電壓Vref=1.23V。1.2.2MC9S12XS256芯片及其最小系統(tǒng)（1）MCX9S12XS256芯片圖4XS128核心板最小系統(tǒng)原理圖圖5引出的IO端口MC9S12XS256芯片的管腳分布原理圖如圖4和圖5所示。MC9S12XS256芯片是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多功能I/O口等基本功能部分的一臺(tái)計(jì)算機(jī)。MC9S12XS256芯片必須配備部分外圍元件才能使用。（2）晶振電路圖6MC9S12XS256芯片晶振電路原理圖如圖6所示。MC9S12XS256芯片晶振電路是一種時(shí)序電路，必須為其提供脈沖信號(hào)才能正常工作。由于MC9S12XS256芯片內(nèi)部已集成了時(shí)鐘電路，所以在使用時(shí)只要外接晶體振蕩器和電容就可以產(chǎn)生脈沖信號(hào)。晶體振蕩器和電容所組成的電路稱為晶振電路如圖5，這次的設(shè)計(jì)是將16Mhz的晶振和兩個(gè)電容并聯(lián)再接入MC9S12XS256芯片機(jī)的XTAL1和XTAL2這兩個(gè)功能管腳，組成一個(gè)外部晶振電路。XTAL1和XTAL2分別用作晶振電路的反相器輸入端和輸出端。在使用外部晶振電路時(shí)，這兩個(gè)端子來(lái)外接石英晶體，振蕩頻率為晶體振蕩頻率，振蕩信號(hào)送至內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)晶振發(fā)生振蕩時(shí)，C15和C18對(duì)頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率可在1.2-12Mhz之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝與單片機(jī)引腳XTAL1和XTAL2靠近。（3）復(fù)位電路圖7MC9S12XS256芯片復(fù)位電路原理圖如圖7所示。單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，即是使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。MC9S12XS256芯片本身，一般不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。復(fù)位電路的作用就是使單片機(jī)在上電時(shí)能夠復(fù)位或運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。如圖7，在這次設(shè)計(jì)所用到的實(shí)驗(yàn)板上，通過(guò)復(fù)位按鍵RST-K來(lái)再通過(guò)RES引腳接入MC9S12XS256芯片的RST引腳，以達(dá)到控制MC9S12XS256芯片復(fù)位的功能。RST為單片機(jī)復(fù)位信號(hào)輸入端。當(dāng)RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平時(shí)，單片機(jī)完成復(fù)位操作。1.2.3LCD1602圖8.LCD1602原理圖圖9.LCD1602管腳分布表（1）LCD1602液晶顯示模塊概述1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。（2）LCD1602液晶顯示模塊管腳說(shuō)明在這次設(shè)計(jì)中所用到的實(shí)驗(yàn)板上，LCD1602液晶顯示模塊的管腳分布如圖9所示，原理圖如圖8所示。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極（3）LCD1602液晶顯示模塊字符集LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。（4）LCD1602液晶顯示模塊工作原理 LCD1602液晶顯示模塊工作原理會(huì)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)候詳細(xì)說(shuō)明。1.2.44*4小鍵盤(pán)模塊電路擴(kuò)展板上的4*4鍵盤(pán)模塊包括4*4鍵盤(pán)、鍵盤(pán)自動(dòng)接線插座KeyBoard-ZD、鍵盤(pán)手動(dòng)接線插座KeyBoard-SD以及手動(dòng)接線的插孔KeyBoard-SD-JK，原理圖如圖2-21所示。其中，Key1、key2、Key3和Key4為行線，與MCU的輸出端口連接；Key5、key6、Key7和Key8為列線，與MCU的輸入端口連接。圖10鍵盤(pán)模塊原理圖圖114*4小鍵盤(pán)實(shí)圖若行線與列線連接在同一個(gè)MCU端口，且行線為第四位，列線為高四位，則4*4鍵盤(pán)的鍵面符號(hào)與鍵值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-11所示。符號(hào)鍵值符號(hào)鍵值符號(hào)鍵值符號(hào)鍵值10xEE20xDE30xBEA0x7E40xED50xDD60xBDB0x7D70xEB80xDB90xBBC0x7B*0xE700xD7#0xB7D0x77表1鍵面符號(hào)與鍵值的對(duì)應(yīng)關(guān)系鍵盤(pán)是一組按鈕式開(kāi)關(guān)的集合，常采用軟件來(lái)識(shí)別。鍵盤(pán)的操作步驟：①識(shí)鍵。判斷是否有鍵按下（鍵入），若有，則需進(jìn)一步譯鍵。②譯鍵。在有鍵入的情況下，進(jìn)一步識(shí)別是哪一個(gè)鍵，以便作進(jìn)一步處理。③鍵義分析。根據(jù)識(shí)別的結(jié)果，明確相應(yīng)的鍵義。如果是數(shù)字鍵，應(yīng)得出輸出的數(shù)值；如果是功能鍵，則應(yīng)知道具體的操作要求。鍵盤(pán)構(gòu)成：①獨(dú)立聯(lián)接式非編碼鍵盤(pán)。特點(diǎn)：每個(gè)鍵相互獨(dú)立，各自接通一條輸入數(shù)據(jù)線。鍵未按下時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)線處于高電平，即為“1”態(tài)。當(dāng)某鍵按下時(shí)，該鍵所連之?dāng)?shù)據(jù)線接地，即為“0”態(tài)。②獨(dú)立聯(lián)接式編碼鍵盤(pán)。特點(diǎn)：在鍵數(shù)較多時(shí)，可采用獨(dú)立式編碼鍵盤(pán)，由4線-16線編碼電路進(jìn)行編碼。③矩陣聯(lián)接式非編碼。特點(diǎn)：先使一行線接地，然后檢查列線。如果某條列線也是低電位，則可判別兩線相交處的某號(hào)鍵已按下。假如在掃描時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有列線為地電位，則說(shuō)明此行中無(wú)鍵按下。那么可將下一行線接地，如此逐一掃描列線，直到查完最后一行為止。實(shí)驗(yàn)板中鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)是獨(dú)立聯(lián)接式編碼鍵盤(pán)，見(jiàn)圖10所示。 具體應(yīng)用也將會(huì)在軟件設(shè)計(jì)中詳細(xì)說(shuō)明。二．人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器軟件設(shè)計(jì)2.1程序流程圖編寫(xiě)程序之前先繪制程序流程圖，理清思路，使之能簡(jiǎn)明、直觀指示程序流向，且很容易由此編寫(xiě)出具體的源程序。將程序以模塊方式分割成具有相應(yīng)功能的子程序。根據(jù)系統(tǒng)功能，合理安排主程序和子程序任務(wù)。人機(jī)交互的四則運(yùn)算計(jì)算器程序流程圖如圖11所示。結(jié)束1602顯示開(kāi)始系統(tǒng)初始化掃描4*4按鍵1602初始化結(jié)束1602顯示開(kāi)始系統(tǒng)初始化掃描4*4按鍵1602初始化 圖112.2系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)2.2.1μC/OS系統(tǒng)移植嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的最顯著的區(qū)別之一就是它的可移植性。一款嵌入式操作系統(tǒng)通常可以運(yùn)行在不同體系結(jié)構(gòu)的處理器和開(kāi)發(fā)板上。為了使嵌入式操作系統(tǒng)可以在某款具體的目標(biāo)設(shè)備上運(yùn)行，嵌入式操作系統(tǒng)的編寫(xiě)者通常無(wú)法一次性完成整個(gè)操作系統(tǒng)的代碼，而必須把一部分與具體硬件設(shè)備相關(guān)的代碼作為抽象的接口保留出來(lái)，讓提供硬件的OEM廠商來(lái)完成。這樣才可以保證整個(gè)操作系統(tǒng)的可移植性。這些代碼通常是板級(jí)支持包(BoardSupportPackage,BSP)的一部分。例如：不同處理器和開(kāi)發(fā)板通常都會(huì)提供實(shí)時(shí)鐘支持，用來(lái)得到當(dāng)前的時(shí)間日期，但是實(shí)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)方式卻不勝枚舉。如何告訴嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間，就是操作系統(tǒng)移植者要完成的任務(wù)了。而在這次實(shí)訓(xùn)中，我們是要完成μC/OS的系統(tǒng)移植。圖12移植后μC/OS工程文件目錄2.2.2MC9S12XS256芯片內(nèi)核初始化MC9S12XS256芯片內(nèi)核初始化主要包括中斷初始化和晶振時(shí)間初始化。軟件程序設(shè)計(jì)請(qǐng)看程序里面的“MCUInit.C”。2.2.3LCD1602初始化程序設(shè)計(jì)1602模塊的設(shè)定，讀寫(xiě)，與光標(biāo)控制都是通過(guò)指令來(lái)完成，共有11條指令，如下：指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光標(biāo)返回000000001*3輸入模式00000001I/DS4顯示控制0000001DCB5光標(biāo)/字符移位000001S/CR/L**6功能00001DLNF**7置字符發(fā)生器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志和地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫(xiě)數(shù)據(jù)到指令7.8所設(shè)地址10要寫(xiě)的數(shù)據(jù)11從指令7.8所設(shè)的地址讀數(shù)據(jù)11讀出的數(shù)據(jù)指令1：清顯示，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置

I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移，

S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效。指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。

D：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示

C：控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo)

B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位

S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。

R/L，高向左，低向右。指令6：功能設(shè)置命令

DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線

N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示

F:低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。（有些模塊是DL：高電平時(shí)為8位總線，低電平時(shí)為4位總線）指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置，地址：字符地址*8+字符行數(shù)。(將一個(gè)字符分成5*8點(diǎn)陣，一次寫(xiě)入一行，8行就組成一個(gè)字符)指令8：置顯示地址，第一行為：00H——0FH,

第二行為：40H——4FH。指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。LCD1602-8位并行連接時(shí)序圖：MPU寫(xiě)資料到模塊LCD1602口定義及初始化程序可見(jiàn)“LCD1602.C”。2.44*4按鍵掃描程序設(shè)計(jì)我們的識(shí)別思路是這樣的，初使化時(shí)我們先讓P1口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，即讓P1口輸出0xF0。掃描鍵盤(pán)的時(shí)候，我們讀P1口，看P1是否還為0xF0,如果仍為0xF0，則表示沒(méi)有按鍵按下；如果不0xF0，我們先等待10ms左右，再讀P1口，再次確認(rèn)是否為0xF0，這是為了防止是抖動(dòng)干擾造成錯(cuò)誤識(shí)別，如果不是那就說(shuō)明是真的有按鍵按下了，我們就可以讀鍵碼來(lái)識(shí)別到底是哪一個(gè)鍵按下了。識(shí)別的過(guò)程是這樣的，初使化時(shí)我們讓P1口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，確認(rèn)了真的有按鍵按下時(shí)，我們首先讀P1口的高四位，然后P1口輸出0x0F，即讓P1口的低四位輸出高電平，高四位輸出低電平，然后讀P1口的低四位，最后我們把高四位讀到的值與低四位讀到的值做或運(yùn)算就得到了該按鍵的鍵碼。就可以知道是哪個(gè)鍵按下了。以0鍵為例，初使化時(shí)P1輸出0xF0,當(dāng)0鍵按下時(shí)，我們讀高四位的狀態(tài)應(yīng)為1110,即P1為0xE0,然后讓P1輸出0x0F,讀低四位產(chǎn)狀態(tài)應(yīng)為0111，即P1為0x07,讓兩次讀數(shù)相與得0xE7。實(shí)現(xiàn)的程序可見(jiàn)“calculator.c”。2.3主程序及任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)2.3.1主程序設(shè)計(jì)主程序如下：/****************************************************************/#include"INCLUDES.H"http://UCOS系統(tǒng)頭文件#include"MCUInit.h"http://初始化函數(shù)頭文件#include"TASK.H"http://用戶任務(wù)函數(shù)頭文件/********************聲明系統(tǒng)相關(guān)變量***