简易计算器单片机课程设计说明书潍坊学院

单 片 机 课 程 设 计 说 明 书题 目： 简易计算器 系 部： 信息与控制工程学院 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 2015 级 1 班 学生姓名: 吕前阔 学 号:导教师: 谷善茂 2017 年 11 月 14 日单片机课程设计说明书目 录1 设计任务与要求 .11.1 设计任务 .11.2 设计要求 .12 设计方案 .13 硬件电路设计 .23.1 键盘接口电路 .23.2 显示模块 .43.4.1 LCD 的选择 .43.4.2 LCD1602 显示器的管脚功能 .43.3 单片机介绍 .63.5 复位电路 .84 软件设计 .94.1 系统总设计流程 .104.2 按键程序流程设计 .104.3 LCD1602 显示流程设计 .114.5 计算器扩展功能的实现 .124.5.1 三角函数的实现 .134.5.2 对数和指数函数的实现 .134.5.3 平方根与倒数以及余数的实现 .135 功能仿真及其结果 .155.1 软件简介 .155.1.1 KEIL 软件简介 .155.1.2 PPOTUES ISIS 简介 .155.2 仿真结果与操作说明 .155.2.1 系统总体仿真 .155.2.2 系统的操作说明 .166 实物制作 .186.1 实物布局图 .186.2 实物 PCB 布线图 .196.3 实物运行图 .217 结论 .21附录 .23单片机课程设计说明书11 设计任务与要求1.1 设计任务1.以 MCS-52 系列单片机为核心器件，组成一个简单的计算器。 2.电压显示采用 LCD1602 液晶屏显示。 3.所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。1.2 设计要求1.能实现加、减、乘、除基本的四则运算2.数码 0-9 及运算符号通过按键盘输入，并在液晶显示器上显示算式及运算3.用 PROTEUS 仿真4.焊接电路板并调试运行 2 设计方案本设计是实现一个有四则运算及函数运算的多功能计算器。它的硬件部分包括：一个 AT89C52 单片机芯片，一块 LCD1602 液晶显示器，一个 4*4 的键盘，外加 4 个功能设置按键。AT89C52 单片机为核心控制电路，LCD1602 负责显示输入输出数据，利用 4*4 矩阵键盘加上一些功能键完成电路的键入操作部分。电路简单，功能齐全。模块图如图 2.1 所示。图 2.1 系统模块图根据简易计算器的功能和指标要求，本设计系统选用 MCS-52 系列单片机STC89C52 为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对简易计算器的设计。计算器电路包括三个部分：显示电路、4*4 键扫描电路、单片机微控制电路。具体设单片机课程设计说明书2计如下：（1）由于要设计的是简单的计算器，可以进行四则运算，为了得到较好的显示效果，采用 LCD1602 液晶显示器显示数据和结果。（2）另外键盘包括数字键（09）、符号键（+、-、）、小数点和等号键。（3）执行过程：开机显示个人信息，等待键入数值，当键入数字，通过 LCD 显示出来，当键入+、-、*、/运算符，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次键入数值，当再键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在 LCD 上输出运算结果。52 系列单片机系统4*4 键盘LCD 显示晶振电路复位电路图 2.2 线路原理框图3 硬件电路设计3.1 键盘接口电路键盘有独立键盘和矩阵键盘。本次设计需要的按键较多，如果使用独立键盘会占用较多的 I/O 口。因此，本次输入键盘设计采用矩阵键盘。矩阵键盘的按键设置在键盘行列线交点上，行列线分别连接到按键开关两端。当没有键按下时，行线处于高电平的状态；而当有按键按下时，行线电平则由与此行线相连的列线电平决定。运用行列扫描法可以确定按键具体位置，从而得到按键数值。键盘部分的设计如图单片机课程设计说明书33.1 所示。 图 3.1 矩阵按键输入如图 3.1 所示，按键输入采用 4*4 矩阵键盘，键盘接在单片机的 P2 口，可以看出 16 个按键共用 8 个 I/O，相对较节约 I/O 口。本人在简易计算器的基础上还增加了一键多用的功能。键盘中除了包含“09”数字键，“+”“-”“”“”运算键以及“.”之外，还包括了三角函数，指数函数，开根，求余数，倒数等，为了实现这一个复用功能，需要进行按键的扩展。此时，则需要几个独立按键做扩展使用。独立按键的设计如图 3.2 所示。 图 3.2 独立复用按键由 3.2 图可知，四个独立按键各有功能，从左往右分别是：计算器复用功能键，用来对矩阵键盘进行复用；删除键，用来撤销错误输入；存储键，用来存储结果数据；复位键，用于数据的复位；单片机课程设计说明书43.2 显示模块3.4.1 LCD 的选择 LCD 是一种工业型字符液晶，它能够显示 32 个字符（16 列2 行），工作电压为 3.3V 或 5V，对比度可自行调节，LCD 的内部内部含有复位电路，用来提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。由于 LCD1602 功耗低、体积小、显示多样，常用在微型仪表和低功耗应用中。市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片，LCD1602 控制原理也基于 HD44780。LCD1602 采用标准 14 脚（无背光）或 16 脚（有背光）接口，它的管脚如图 3.6 所示。3.4.2 LCD1602 显示器的管脚功能 LCD1602 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表 3.1 所示。表 3.1 LCD1602 显示器引脚说明编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明1 VSS 电源地 9 D2 数据2 VDD 电源正极 10 D3 数据3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据4 RS 数据/命令选择 12 D5 数据5 R/W 读/写选择 13 D6 数据6 E 使能信号 14 D7 数据7 D0 数据 15 BLA 背光源正极8 D1 数据 16 BLK 背光源负极单片机课程设计说明书5图 3.3 LCD1602 管脚图第 1 脚：VSS 为地电源。第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。第 16 脚：背光源负极。液晶与单片机的连接电路如图 3.4 所示。单片机课程设计说明书6D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCD1LM016L图 3.4 液晶与单片机的连接电路 3.3 单片机介绍 MCS-52 单片机是在一块芯片中集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O 等一台计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机 STC89C52 作为计算器的主要功能部件，可以很快地实现运算功能。STC89C52RC 引脚功能说明如图 3.5 所示。单片机课程设计说明书7图 3.5 STC89C52 管脚图VCC（40 引脚）：电源电压。VSS（20 引脚）：接地。P0 端口（P0.0P0.7，3932 引脚）：P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位地址和8 位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编程时，P0 端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1 端口（P1.0P1.7，18 引脚）：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（ ）。此外，P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器/计数器 2 的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在对 Flash ROM 编程和程序校验时，P1 接收低 8 位地址。P2 端口（P2.0P2.7，2128 引脚）：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。P2 的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2 作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（ ）。在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX R1”指令）时，P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对 Flash ROM 编程和程序校验期间，P2 也接收高位地址和一些控制信号。P3 端口（P3.0P3.7，1017 引脚）：P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向I/O 端口。P3 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3 做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（单片机课程设计说明书8）。在对 Flash ROM 编程或程序校验时，P3 还接收一些控制信号。P3 口除作为一般 I/O 口外，还有其他一些复用功能，如下表 3.2 所示：表 3.2 P3 口引脚复用功能RST（9 引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE/ （30 引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出