《自动控制系统》课程设计-基于单片机的简单计算器设计与仿真.doc

自动控制系统课程设计任务书专业： 自动化 班级： 姓名： 设计题目：基于单片机的简易计算器设计与仿真 一、设计实验条件：地 点：自动化系实验室实验设备：pc机（ 装有keil；protues；word ；visio ）二、设计任务：本系统选用at89c51单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计，具体设计如下：（1）由于设计的计算器要进行四则运算，为了得到较好的显示效果，经综合分析后，最后采用lcd 显示数据和结果。（2）采用键盘输入方式，键盘包括数字键（09）、符号键（+、-、）、清除键(onc)和等号键（=），故只需要16 个按键即可，设计中采用集成的计算键盘。（3）在执行过程中，开机显示零，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。（4）错误提示：当计算器执行过程中有错误时，会在lcd上显示相应的提示,如：当输入的数值或计算得到的结果大于计算器的表示范围时，计算器会在lcd上提示overflow；当除数为0时，计算器会在lcd上提示error。设计要求：分别对键盘输入检测模块；lcd显示模块；算术运算模块；错误处理及提示模块进行设计，并用visio画系统方框图，keil与protues仿真分析其设计结果。三、设计时间与设计时间安排：1、设计时间：6月27日7月8日2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料： 3天（6月27日 6月29日) 具体设计（含上机实验）： 6天（6月30日 7月5日)编写课程设计说明书： 2天（7月6日 7月7日)答辩： 1天（7月8日）四、设计说明书的内容：1、前言：(自己写，组员之间不能相同，写完后将红字删除，排版时注意对齐）本设计是基于51系列单片机来进行的数字计算器系统设计，可以完成计算器的键盘输入，进行加、减、乘、除基本四则运算，并在lcd上显示相应的结果；设计电路采用at89c51单片机为主要控制电路，利用mm74c922作为计算器4*4键盘的扫描ic读取键盘上的输入；显示采用字符lcd静态显示；软件方面使用c语言编程，并用protues仿真。2、设计题目与设计任务：现实生活中人们熟知的计算器，其功能主要如下：（1）键盘输入；（2）数值显示；（3）加、减、乘、除四则运算；(4)对错误的控制及提示。针对上述功能，计算器软件程序要完成以下模块的设计：(1)键盘输入检测模块；（2）lcd显示模块；（3）算术运算模块；（4）错误处理及提示模块。3、主体设计部分：（1）、系统模块图：（2）、算术运算程序流程图：（3）、系统总流程图：（4）、硬件设计：（一）、总体硬件设计：本设计选用at89c51单片机为主控单元； 显示部分：采用lcd静态显示；按键部分：采用4*4键盘；用mm74c922为4*4键盘扫描ic，读取输入的键值。总体设计效果如下图：（二）、单片机接口电路说明：1、手动上电复位电路：当vcc上电时，c充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，c充满，10k电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下s，c放电。s松手，c又充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。 2、内部时钟模式电路：当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在xtal1和xtal2引脚连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，在使用时对于电容的选择有一定的要求：当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择c1=c2=30+10pf或30-10pf；当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择c1=c2=40+10pf或40-10pf；3、at89c51单片机引脚介绍：vcc： 供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口：p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。4、单片机与复位、时钟电路连接电路图：（三）、键盘接口电路：计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键，如果采用独立按键的方式，在这种情况下，编程会很简单，但是会占用大量的i/o 口资源，因此在很多情况下都不采用这种方式，而是采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘采用四条i/o 线作为行线，四条i/o 线作为列线组成键盘，在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为44个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中i/o 口的利用率。矩阵键盘的工作原理：计算器的键盘布局如图1所示：一般有16个键组成，在单片机中正好可以用一个p口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中也最常用。图 1 矩阵键盘布局图矩阵键盘内部电路图如图2所示：为了进一步节省单片机i/o口资源，我们在设计中使用了mm74c922芯片。mm74c922是一款4*4键盘扫描ic，它可检测到与之相连的4*4键盘的按键输入，并通过数据输出口将按键相应的编码输出。其引脚图如图3所示：图3 mm94c22硬件图mm74c922引脚说明：(1) y1y4（脚1脚4）：4*4键盘第一列至第四。(2) x1x4（脚11、10、8、7）：4*4键盘第一行至第四行。(3) doa dod（dataout ad，脚1417）：按键之bcd码输出，其中doa为lsb，dod为msb。(4) vcc（脚18）：电源脚，+3v+15v。ab126计算公式大全(5) gnd（脚9）：接地管脚。新艺图库(6) osc（oscillator，脚5）：键盘扫描电路之频率所需外加电容的连引脚。(7) kbm（keyboard mask，脚6）：内部消除开关弹跳电路所外加电容的引脚。(8) oe（output enable，脚13）：芯片使能脚，接低电位可使芯片使能。(9) da（data available，脚12）：数据有效输出脚。任一按键按下时，此脚位会输出高电位，按键释放后此脚又会恢复为低电位。mm74c922对各按键的响应如下表所示：如下图4所示，在本设计中，计算器输入键盘的4条行线、列线分别连接到mm74c922的x1-x4、y1-y4引脚，mm74c922的数据输出口与单片机的p2口相连，mm74c922的da引脚经过一个非门连接到单片机的/int0脚，当mm74c922检测到键盘输入时，da产生高电平，与之相连的/int0检测到低电平，给单片机一个中断，单片机从p2口的低四位读入键盘上按下的键的值。图4 键盘接口电路图 （四）、lcd显示模块：本设计采用lcd液晶显示器来显示输出数据。通过d0-d7引脚向lcd写指令字或写数据以使lcd实现不同的功能或显示相应数据。图5 lcd 模块（五）运算模块（单片机控制）：mcs-51 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作为计算器的主要功能部件，可以很快地实现运算功能。3.5、软件编程：1、主函数设计：/*函数声明*/#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intchar translate(int keycode);void arithmetic();void init_lcm();void write_data(char ddata);void write_com(char command);void check_bf();void clearlcd();void display(long a);void dealerror(); void dataoverflow();/*定义变量和数组*/long x=0,y=0,num=0;int operators,input,iny=0;char key;char error5=error;char overflow8=overflow;sbit en=p34;sbit r_w=p35;sbit rs=p36;/*主函数*/main()ea=1;ex0=1;it0=1;p2=0xff;display(0);init_lcm();write_data(0x30);while(1)2、分块程序设计：（1）、键盘输入检测程序设计：有键按下时，单片机响应外部中断0，转入外部中断0中断处理函数，在中断处理函数中完成对按键的判断，以进行下一步的程序处理。/*键值转化为键盘上按键值函数*/char translate(int keycode)switch(keycode)case 0:return 7;break;case 1:return 4;break;case 2:return 1;break;case 3:return 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 /;break;case 13:return *;break;case 14:return -;break;case 15:return +;break; /*外部中断0处理函数*/void int_0(void) interrupt 0 using 0key=translate(p2&0x0f);if(key=0) /判断按下的键是否为数值num=num*10+(key-0);if (operators0)y=num;iny=1;elsex=num;if(num-134217728) /当前数值是否超出限定范围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 (operators)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）、算术运算程序设计：/*算术运算函数*/void arithmetic()if (iny)switch(operators)case 1:x=x+y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 2:x=x-y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 3:x=x*y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 4:if (y=0)dealerror();elsex=x/y;num=x; if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;y=0;（3）、lcd显示程序设计：利用lcd静态显示，通过程序向lcd写指令字或数据使lcd完成不同功能或显示相应数据。/*lcd初始化函数*/void init_lcm()write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x38);write_com(0x08);write_com(0x01);write_com(0x06);write_com(0x0e);/*lcd写数据函数*/void write_data(char ddata)rs=1;/*写指令*/r_w=0;en=1;/*使能信号开*/p1=ddata;/*将数据送入p1口*/en=0;/*使能信号关*/check_bf();/*lcd写指令函数*/void write_com(char command)rs=0;/*写指令*/r_w=0;en=1;/*使能信号开*/p1=command;/*将数据送入p1口*/en=0;/*使能信号关*/check_bf();/*lcd检查忙碌函数*/void check_bf()char i,x=0x80;p1=0xff;while(x&0x80)rs=0;r_