基于单片机的计算器设计

1、目录1 慨述12 设计框图12.1 设计内容12.2 系统模块图：22.3 算术运算程序流程图：22.4 系统总流程图：33 模块分析43.1 单片机接口43.1.1 手动上电复位电路：43.1.2 内部时钟模式电路：53.1.3 AT89C51单片机引脚介绍：53.1.4 单片机与复位、时钟电路连接电路图：83.2 键盘接口电路：83.3 LCD显示模块：103.4 运算模块（单片机控制）：114 总结体会115 程序125.1 主函数设计：125.2 分块程序设计：145.2.1 键盘输入检测程序设计：145.2.2 算术运算程序设计：195.3 LCD显示程序设计：215.4 错误处理及

2、提示程序设计：256 总体原理图267 参考文献27附录 电气与信息工程系课程设计评分表1 慨述本设计选用AT89C51单片机为主控单元.按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机、显示模块、输入模块、运算模块共四个模块组成，电路系统构成框图如图 所示。主控芯片使用AY89C51单片机，市场应用最多。键盘电路采用4*4矩阵键盘电路。显示模块采用LCD液晶显示器来显示输出数据。2 设计框图2.1 设计内容利用单片机、液晶、键盘设计一个计算器，要求：1. 采用PROTEUS软件实现；2采用液晶显示；3能够实现加、减、乘、除、平方根等基本功能；4能够在0-65535范围之内计算任意次方根、任

3、意次幂；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。：2.2 系统模块图：单片机运算模块显示模块输入模块2.3 算术运算程序流程图：开始判断运算符乘幂除减加除数为零？判断结果溢出？错误信息送显示缓冲数值送显示缓冲2.4 系统总流程图：开始初始化参数初始化LCD显示是否有键值？读取键码功能键清零键数字键计算结果状态清零键入数值功能键？结果送显示缓冲等待数值键入数值送显示

4、缓冲结果送显示缓冲等待数值键入LCD显示3 模块分析3.1 单片机接口本设计选用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。3.1.1 手动上电复位电路：图1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。 3.1.2 内部时钟模式电路：图2当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XT

5、AL1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；3.1.3 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

6、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

7、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

8、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AL

9、E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

10、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。3.1.4 单片机与复位、时钟电路连接电路图：图33.2 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4×4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

11、键盘的工作原理：计算器的键盘布局如图4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。矩阵键盘内部电路图如图2所示：图4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。如下图5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

12、，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5 键盘接口电路图键盘的输入值为：7 8 9 4 5 6 * 1 2 3 - 0 = + 3.3 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3.4 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

13、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。4 总结体会 通过基于单片机简易计算器的设计，加深了我对单片机课程的了解，学以致用，不但回顾了过去所学，更使我了解了现在的不足，弥补了一些知识漏洞。更重要的是在实际设计和试验中形成了更加科学合理的认识，不断形成更为

14、合理和具有科学性的思想方式。在这次设计中接住了互联网等途径查询相关信息，并在图书馆查阅了大量单片机资料。这不但扩展了有关单片机领域的眼界，而且完善了以往的知识体系。提高了运用知识的综合能力。5 程序5.1 主函数设计：/*函数声明*/#include<reg51.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intchar translate(int keycode);void arithmetic();void init_LCM();void write_data(char dda

15、ta);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*/float x=0,y=0;int operators,input,iny=0,num=0;char key;char error5="error"char overflow8="overflow"sbit EN=P34;sbit R_W=P35;sbit RS=P36;/*主函数*/ma

16、in()EA=1;EX0=1;IT0=1;P2=0xff;display(0);init_LCM();write_data(0x30);while(1)5.2 分块程序设计：5.2.1 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 &

17、#39;1'break;case 3:return ''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

18、 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<='9'&&key>='0') /判断按下的键是否为数值num=num*10+(key-'0');if (op

19、erators>0)y=num;iny=1;elsex=num;if(num<65535&&num>-1) /当前数值是否超出限定范围display(num);elsedataoverflow();elseswitch(key)case '=':arithmetic();iny=0;operators=0;num=0;break;case '+': if (operators)arithmetic();operators=1;num=0;break;case '-': if (operators)arithmet

20、ic();operators=2;num=0;break;case '*': if (operators)arithmetic();operators=3;num=0;break;case '/':if (operators)arithmetic();operators=4;num=0;break;case '': if (operators)arithmetic();operators=5;num=0;break;5.2.2 算术运算程序设计：/*算术运算函数*/void arithmetic()if (iny)switch(operators

21、)case 1:x=x+y;num=x;if(num<65535&&num>-1)display(num);elsedataoverflow();break;case 2:x=x-y;num=x;if(num<65535&&num>-1)display(num);elsedataoverflow();break;case 3:x=x*y;num=x;if(num<65535&&num>-1)display(num);elsedataoverflow();break;case 4:if (y=0)dealerro

22、r();elsex=x/y;num=x;if(num<65535&&num>-1)display(num);elsedataoverflow();break;case 5:x=pow(x,1/y);num=x;if(num<65535&&num>-1)display(num);elsedataoverflow();break;y=0;5.3 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);writ

23、e_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