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1、课题 摘 要 工程实践教学环节是为了学生能够更好地巩固和实践所学专业知识而设置的,在本 次工程实践中,我以智能化测量控制仪表原理与设计 、 mcs-51 系列单片微型计算机 及其应用课程中所学知识为基础,设计了简易计算器。本系统以 mcs-51 系列中的 8051 单片机为核心,能够实现两位数的四则运算。该系统通过检测矩阵键盘扫描,判断 是否按键,经数据转换把数值送入数码管动态显示。 本系统的设计说明重点介绍了如下几方面的内容: 1)基于单片机简易计算器的基本功能,同时对矩阵键盘及数码管动态显示原理进行 了简单的阐述; 2)介绍了系统的总体设计、给出了系统的整体流程框图,并对其进行了功能模块划

2、 分及所采用的元器件进行了详细说明; 3)对系统各功能模块的软、硬件实现进行了详细的设计说明。 关键词:关键词:mcs-51 8051 单片机;计算器;加减乘除 目录 第一章 绪论 .1 1.2 设计目的 .1 1.3 设计任务 .1 1.4 章节安排说明.1 第二章 计算器系统简介 .3 2.1 单片机发展现状.3 2.2 计算器系统现状.4 2.3 简易计算器系统简介.4 第三章 主要器件简介 .5 3.1 mcs-51 系列单片机简介 .5 3.2 其它器件简介.8 3.2.1 数码管显示 .8 3.2.2 矩阵按键 .9 第四章 计算器系统设计 .10 4.1 计算器硬件电路设计.10

3、 4.2 计算器程序设计 .10 4.2.1 存储单元分配 .10 4.2.2 主程序设计 .10 4.2.3 数码管显示数据转换子程序 .10 4.2.4 数码管动态显示子程序 .11 4.3 系统总框图: .11 4.4 程序源代码: .12 4.5 硬件连线图: .20 结语 .22 参考文献参考文献 .23 第一章 绪论 1.1 课题简介 单片机由于其微小的体积和极低的成本,广泛的应用于家用电器、工业控制等领域 中。在工业生产中。单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力 的机种。单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。 本系统就是充分利用了

4、8051 芯片的 i/o 引脚。系统统采用 msc-51 系列单片机 intel8051 为中心器件来设计计算器控制器,实现了能根据实际输入值显示并存储,计算 程序则是参照教材。至于位数和功能,如果有需要可以设计扩充原系统来实现 。 1.2 设计目的 通过本次工程实践,运用智能化测量控制仪表原理与设计 、 mcs-51 系列单片微 型计算机及其应用所学知识及查阅相关资料,完成简易计算器的设计,达到理论知识 与实践更好结合、提高综合运用所学知识和设计能力的目的。 通过本次设计训练,可以使我们在基本思路和基本方法上对基于 mcs-51 单片机的嵌 入式系统设计有一个比较感性的认识,并具备一定程度的

5、设计能力。 1.3 设计任务 在本次工程实践中,主要完成如下方面的设计任务: 1)简要综述单片机技术发展的国内外现状及数码管动态显示和矩阵键盘基本原理; 2)掌握 mcs-51 系列某种产品(例如 8051)的最小电路及外围扩展电路的设计方法; 3)了解单片机数据转换功能及工作过程; 4)完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定; 5)用 protues 软件完成原理电路的绘制; 6)完成系统设计说明书。 1.4 章节安排说明 整个设计总共分为四个章节,第一章是前言部分,主要介绍了设计基于单片机简易 计算器的意义、目的及主要内容;第二章简要介绍了单片机发展的国内外现状及键盘扫 描,数据转

6、换,和动态显示原理进行了简要的说明。第三章是器件简介,这一部分主要 介绍了系统的所用主要器件的选择。第四章是系统详细设计阶段,分为硬件设计和程序 设计。按照程序设计的各部分实现的功能不同,将整个软件系统分成了三个块,并对每 一个功能块所采用的元器件进行了详细介绍。此外还编写了主要功能模块的基本程序, 详尽阐述了各模块的工作过程。还有总流程图,源代码,硬器件铺线图。 第二章 计算器系统简介 2.1 单片机发展现状 单片机的发展趋势:低功耗 cmos 化;微型单片化;主流与多品种共存;单片机从 8 位、16 位到 32 位,数不胜数,应有尽有,有与主流 c51 系列兼容的,也有不兼容的,但 它们各

7、具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。 纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有: 1)低功耗 cmos 化 mcs-51 系列的 8051 推出时的功耗达 630mw,而现在的单片机普遍都在 100mw 左右, 随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了 cmos(互补金属 氧化物半导体工艺)。象 80c51 就采用了 hmos(即高密度金属氧化物半导体工艺)和 chmos(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。cmos 虽然功耗较低,但由于其物理特征决定 其工作速度不够高,而 chmos 则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要 求低功耗

8、象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途 径。 2)微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(cpu)、随机存取数据存储(ram)、只读程 序存储器(rom)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一 的芯片上,增强型的单片机集成了如 a/d 转换器、pmw(脉宽调制电路)、wdt(看门狗)、 有些单片机将 lcd(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就 更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自 己特色的单片机芯片。 此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功

9、能强和功耗低 外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中 smd(表面封装)越 来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 3)主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以 80c51 为核心的单片机占主流,兼 容其结构和指令系统的有 philips 公司的产品,atmel 公司的产品和中国台湾的 winbond 系列单片机。所以 c8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 microchip 公司的 pic 精 简指令集(risc)也有着强劲的发展势头,中国台湾的 holtek 公司近年的单片机产量与日 俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市

10、场分额。此外还有 motorola 公司的产品,日 本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片 机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。 2.2 计算器系统现状 计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设 备及电子配件通过人工或机器设备组成。低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电 路实现简单的串行运算,其随机存储器只有一、二个单元,供累加存储用。高档计算 器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序,有较多的随机存储单元以存放 输入程序和数据。键盘是计算器的输入部件,一般采用接触式或传感式。为减小计算 器的

11、尺寸,一键常常有多种功能。显示器是计算器的输出部件,有发光二极管显示器 或液晶显示器等。除显示计算结果外,还常有溢出指示、错误指示等。计算器电源采 用交流转换器或电池,电池可用交流转换器或太阳能转换器再充电。为节省电能,计 算器都采用 cmos 工艺制作的大规模集成电路(见互补金属 -氧化物-半导体集成电 路) ,并在内部装有定时不操作自动断电电路。计算器可选用的外围设备有微型打印 机、盒式磁带机和磁卡机等。 2.3 简易计算器系统简介 本计算器是以 mcs-51 系列 8051 单片机为核心构成的简易计算器系统。该系统通过 单片机控制,实现对 4*4 键盘扫描进行实时的按键检测,并把检测数据

12、存储下来。整个 计算器系统的工作过程为:首先存储单元初始化,显示初始值和键盘扫描,判断按键位 置,查表得出按键值,单片机则对数据进行储存与相应处理转换,之后送入数码管动态 显示。整个系统可分为三个主要功能模块:功能模块一,实时键盘扫描;功能模块二, 数据转换为了数码管显示;功能模块三,数码管动态显示。 第三章 主要器件简介 3.1 mcs-51 系列单片机简介 8051 是 mcs-51 系列单片机的典型产品,以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、 并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线

13、和控制总线等三大总 线,现在我们分别加以说明: 中央处理器中央处理器: 中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件,是 8 位数据宽度的处理器,能处理 8 位 二进制数据或代码,cpu 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控 制输入输出功能等操作。 数据存储器数据存储器(ram)(ram) 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元,它们是统一编 址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数 据,所以,用户能使用的 ram 只有 128 个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户 定义的字型表。 图 3-1

14、 8051 内部结构图 程序存储器程序存储器(rom)(rom): 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 rom,用于存放用户程序,原始数据或表格。 定时定时/ /计数器计数器(rom)(rom): 8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程 序转向。 并行输入输出并行输入输出(i/o)(i/o)口:口: 8051 共有 4 组 8 位 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3),用于对外部数据的传输。 全双工串行口全双工串行口: 8051 内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口 既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位

15、器使用。 中断系统:中断系统: 8051 具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中 断,可满足不同的控制要求,并具有 2 级的优先级别选择。 时钟电路:时钟电路: 8051 内置最高频率达 12mhz 的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但 8051 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛 (harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一 的结构,即普林斯顿(princeton)结构。intel 的 mcs-51 系列单片机采用的是哈佛结构的 形式,而后续产品 1

16、6 位的 mcs-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 下图是 mcs-51 系列单片机的内部结构示意图 3-2。 图 3-2 mcs-51 结构图 mcs-51 的引脚说明: mcs-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构, 右图是它们的引脚配置,40 个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两 根,4 组 8 位共 32 个 i/o 口,中断口线与 p3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以 说明: mcs-51 的引脚说明: mcs-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40pin 封

17、装的双列直接 dip 结构, 右图是它们的引脚配置,40 个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两 根,4 组 8 位共 32 个 i/o 口,中断口线与 p3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以 说明:如图 3-3 图 3-3 双列直插式封装引脚图 pin9:reset/vpd复位信号复用脚,当 8051 通电,时钟电路开始工作,在 reset 引脚 上出现 24 个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。初始化后,程序计数器 pc 指向 0000h,p0-p3 输出口全部为高电平,堆栈指针写入 07h,其它专用寄存器被清“0” 。 reset 由高电平下降为低电平后,系统即从

18、 0000h 地址开始执行程序。然而,初始复位不 改变 ram(包括工作寄存器 r0-r7)的状态,8051 的初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位。此外,reset/vpd还是一复用 脚,vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部 ram 的数据不丢失。见下图 3-4 为两种复位方式和两种时钟方式: pin30:ale/当访问外部程序器时,ale(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位 字节。而访问内部程序存储器时,ale 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号,这个信号 可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点,当访问 外部程序

19、存储器,ale 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 eprom,在编程其间,将用于输入编程脉冲。 pin29:当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,pc 的 16 位地址 数据将出现在 p0 和 p2 口上,外部程序存储器则把指令数据放到 p0 口上,由 cpu 读入并 执行。 pin31:ea/vpp程序存储器的内外部选通线,8051 和 8751 单片机,内置有 4kb 的程 序存储器,当 ea 为高电平并且程序地址小于 4kb 时,读取内部程序存储器指令数据,而 超过 4kb 地址则读取外部指令数据。如 ea 为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程 序存储器指令。显然,对内部无程

20、序存储器的 8031,ea 端必须接地。 在编程时,ea/vpp脚还需加上 21v 的编程电压。 3.2 其它器件简介 3.2.1 数码管显示 在本任务中用 4 位数码管显示当前数值的千,百,十,个,由于数码管个数多,如 采用静态显示方式,则占用单片机的 i/o 口线太多,如果用定时器/计数器的串行移位寄 存器工作方式及外接串入并出移位寄存器 74ls164 的方式,则电路复杂。所以,在数码 管个数较多时,常采用动态显示方式。 4 位数码管的相同段并联在一起,由一个 8 位 i/o(p1 口)输出字形码控制显示某一 字形,每个数码管的公共端由另外一个 i/o 口(p0 口)输出的字位码控制,即

21、数码管显示 的字形是由单片机 i/o 口输出的字形码确定,而哪个数码管点亮是由单片机 i/o 口输出 的字位码确定的。4 个数码管分时轮流循环点亮,在同一时刻只有 1 个数码管点亮,但由 于数码管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留特性,所以适当地选取循环扫描频率,看上 去所有数码管是同时点亮的,察觉不出闪烁现象。动态显示方式所接数码管不能太多, 否则会因每个数码管所分配的实际导通时间太少,使得数码管的亮度不足。在本任务中, 为了简便,字形码和字位码都没由加驱动电路,在实际应用中应加驱动电路。数码管有 共阴极和共阳极两种,对于共阳数码管,字形驱动输出 0 有效,字位驱动输出 1 有效; 而对于共阴数

22、码管则相反,即:字形驱动输出 1 有效,字位驱动输出 0 有效。 3.2.2 矩阵按键 键盘是单片机系统中最常用的人机对话输入设备,用户通过键盘向单片机输入数据 或指令。键盘控制程序需完成的任务有:监测是否有键按下,有键按下时,在无硬件去 抖的动电路时,应用软件延时方法消除按键抖动影响;当有多个键同时按下时,只处理 一个按键,不管一次按键持续多长时间,仅执行一次按键功能程序。 矩阵按键扫描程序是一种节省 io 口的方法,按键数目越多节省 io 口就越可观,思路: 先判断某一列(行)是否有按键按下,再判断该行(列)是那一只键按下。但是,在程 序的写法上,采用了最简单的方法,使得程序效率最高。本程

23、序中,如果检测到某键按 下了,就不再检测其它的按键,这完全能满足绝大多数需要,又能节省大量的 cpu 时间。 本键盘扫描程序的优点在于:不用专门的按键延时程序,提高了 cpu 效率,也不用 中断来扫描键盘,节省了硬件资源。另外,本键盘扫描程序,每次扫描占用 cpu 时最短, 不论有键按下或者无键按下都可以在很短的时间完成一次扫描。 本键盘扫描子程序名叫 key,每次要扫描时用 lcall key 调用即可。 第四章 计算器系统设计 4.1 计算器硬件电路设计 8051 单片机一片,4*4 键盘一个,4 位共阳极的七段数码管一个,连线和电阻和开关 若干。8051 单片机的 p2 口作键盘口,其中

24、 p2.4-p2.7 为键盘扫描输出线,p2.0-p2.3 为 键盘扫描输入线。键盘由 4*4 共 16 个按键组成,10 个数字键(由 0-9 组成)5 个运算符 号(加减乘除等于)组成,1 个清除键(作用相当于整体复位) 。4 个数码管用于显示当 前数值的千,百,十,个,采用动态显示方式,p1 口接 4 个数码管的七段,p0 口分别接 4 个数码管的公共端,p1 口输出数码管的字形码,p0 口输出数码管的字位码。 4.2 计算器程序设计 4.2.1 存储单元分配 30h 单元:数值个位显示单元;31h 单元:数值十位显示单元;32h 单元:数值百位显 示单元;33h 单元:数值千位显示单元

25、;23h 单元:第一操作数存储单元;24h 单元:第 二操作数存储单元;25h 单元:键值暂存单元;27h 单元:清除键状态;34h-37h 单元: 结果数据转换暂存单元;38h-39h 单元:结果高低 8 位暂存单元;r5 单元:操作数计数 单元;r4 单元:操作数数值位数计数单元;r3 单元:运算符号存储单元。 4.2.2 主程序设计 主程序进行程序中用到的一些存储单元的初始化,数值显示和 4*4 键盘扫描。首先, 进行存储单元初始化,给数码管显示单元 30h-33h 赋予“0000”字形数据,将数值计数 单元,存储单元,23h-25h,34h-37h,38h,39h,3ah,3bh,3c

26、h,赋予初值零。之后,调用键 盘扫描子程序,和数码管显示数据转换程序,数码管动态显示子程序。主程序不断进行 键盘扫描,数码管显示数据转换子程序和动态显示子程序。 4.2.3 数码管显示数据转换子程序 由于数值单元存放的是二进制数,而用户熟悉的是十进制数,所以应将数值单元中 的二进制转换为十进制数,即 bcd 码。要通过数码管显示出当前数值,还必须将 bcd 码 进一步转换为七段码,转换的最终结果数据存放于显示缓冲区 30h-33h 单元中,其中 30h 单元存放数值的个位七段码,31h 单元存放数值的十位七段码,32h 单元存放数值的百位 七段码,33h 单元存放数值的千位七段码。 4.2.4

27、 数码管动态显示子程序 本任务由 p1 口输出字形码,p0 口输出字位码。先将存放于 30h 单元的数值个位七段 码由 p1 口输出,同时 p0 口输出使数值个位显示数码管点亮的字位码。由于采用的是共 阳数码管,所以只有该位数码管对应的 p0.0 为 1,其他位 p0.1-p0.3 位 0,点亮延时 10ms。然后 p1 口输出数值十位七段码,p0.1 位 1,数值十位数码管点亮,延时 10ms。接 着 p1 口输出数值百位七段码,p0.2 为 1,数值百位数码管点亮,延时 10ms。最后 p1 口 输出数值千位七段码,p0.3 为 1,数值千位数码管点亮,延时 10ms。 4.3 系统总框图

28、: 4.4 程序源代码: dispbuf equ 30h ;显示缓冲区首地址定义 org 0000h ;主程序的入口地址 start:mov dispbuf,#0c0h ;4 个数码管显示“0000”字形数据 mov dispbuf+1,#0c0h mov dispbuf+2,#0c0h mov dispbuf+3,#0c0h mov 37h,#00h ;数值初始化 mov 27h,#00h mov 26h,#00h mov 25h,#00h mov 24h,#00h mov 23h,#00h mov r3,#00h mov r5,#00h mov r4,#00h loop: lcall ke

29、y ;调用键盘扫描子程序 mov r6,27h cjne r6,#00h,start ;清除键判断 mov r6,26h cjne r6,#00h,fa ;显示数据转换子程序选择 lcall conv ;调用数码管显示数据转换子程序 fa:lcall dispscan ;调用数码管动态显示子程序 sjmp loop key:mov p2,#0fh ;键盘扫描子程序 mov a,p2 anl a,#0fh cjne a,#0fh,k10 ret k10:jb p2.0,k20 k11:mov p2,#0efh jb p2.0,k12 cjne r5,#00h,l1 mov r4,#00h inc

30、 r5 mov r3,#1h l1:ljmp cend k12: mov p2,#0dfh jb p2.0,k13 cjne r5,#00h,l2 mov r4,#00h inc r5 mov r3,#2h l2:ljmp cend k13: mov p2,#0bfh jb p2.0,k14 cjne r5,#00h,l3 mov r4,#00h inc r5 mov r3,#3h l3:ljmp cend k14: mov p2,#7fh jb p2.0,kil cjne r5,#00h,l4 mov r4,#00h inc r5 mov r3,#4h kil:ljmp kend l4:lj

31、mp cend k20:jb p2.1,k30 k21:mov p2,#0efh jb p2.1,k22 ljmp dyu k22:mov p2,#0dfh jb p2.1,k23 mov 25h,#3h ljmp opr k23:mov p2,#0bfh jb p2.1,k24 mov 25h,#6h ljmp opr k24:mov p2,#7fh jb p2.1,cctv mov 25h,#9h ljmp opr cctv:ljmp kend k30:jb p2.2,k40 k31: mov p2,#0efh jb p2.2,k32 mov 25h,#0h ljmp opr k32:mo

32、v p2,#0dfh jb p2.2,k33 mov 25h,#2h ljmp opr k33:mov p2,#0bfh jb p2.2,k34 mov 25h,#5h ljmp opr k34:mov p2,#7fh jb p2.2,kend mov 25h,#8h ljmp opr k40:jb p2.3,kend k41: mov p2,#0efh jb p2.3,k42 inc 27h ljmp kend k42:mov p2,#0dfh jb p2.3,k43 mov 25h,#1h ljmp opr k43:mov p2,#0bfh jb p2.3,k44 mov 25h,#4h

33、ljmp opr k44:mov p2,#7fh jb p2.3,kend mov 25h,#7h ljmp opr opr:inc r4 ;键值存储 cjne r5,#00h,chang cjne r4,#2h,kbk zhi:mov a,20h mov b,#0ah mul ab mov 20h,25h add a,20h cjne r5,#00h,czh mov 23h,a ljmp kend czh: mov 24h,a ljmp kend kend:mov p2,#0fh mov a,p2 anl a,#0fh cjne a,#0fh,kend ret chang:cjne r4,#

34、2h,hong ajmp zhi hong:jnc cend inc r5 mov 20h,25h mov 24h,25h ljmp cend kbk:jnc cend mov 20h,25h mov 23h,25h ljmp cend dyu:mov r5,#00h ;结果计算 mov r4,#00h mov 25h,#00h cjne r3,#1h,s mov a,23h add a,24h mov 23h,a sjmp cend s:cjne r3,#2h,s1 clr c mov a,23h cjne a,#00h,jianfa mov 23h,#0eh sjmp cend jianf

35、a:subb a,24h mov 23h,a sjmp cend s1:cjne r3,#3h,s2 mov a,23h mov b,24h mov a,23h mul ab mov r6,b cjne r6,#00h,cheng mov 23h,a sjmp cend s2:cjne r3,#4,cend mov a,24h cjne a,#00h,zy mov a,#00h sjmp cend zy:mov a,23h mov b,24h div ab mov 23h,a cend:mov p2,#0fh mov a,p2 anl a,#0fh cjne a,#0fh,cend ret c

36、heng:mov r3,b mov b,#64h div ab mov 36h,a mov a,b mov b,#0ah div ab mov 35h,a mov 34h,b mov dptr,#table xian:mov a,34h add a,#6h mov b,#0ah div ab mov 25h,a mov 34h,b mov a,b movc a,a+dptr mov dispbuf,a mov a,35h add a,#5h add a,25h mov b,#0ah div ab mov 25h,a mov 35h,b mov a,b movc a,a+dptr mov dispbuf+1,a mov a,36h add a,#2h add a,25h mov b,#0ah div ab add a,37h mov 37h,a movc a,a+dptr mov dispbuf+3,a mov 36h,b mov a,b movc a,a+dptr mov dispbuf+2,a djnz r6,xian mov 26h,#1h a

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