基于单片机简易计算器的设计

1、 单片机课程设计课程设计报告书课题名称简易计算器的设计姓 名周运鸿学 号8专 业电气工程及其自动化指导教师皮大能机电与控制工程学院 年 月 日 摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬件结合，来加以完善。计算机在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一。可是它还在发展之中，以后必将出现功能更加强大的计算机，基于这样的理念，本次设计是用AT89S51单片机、LCD显示器、控制按键为元件来设计的计算器。利用此设计熟悉单

2、片机微控制器及C语言编程，对其片资源及各个I/O端口的功能和基本用途的了解。掌握keil应用程序开发环境，常用的LCD显示器的使用方法和一般键盘的使用方法。关键词：51单片机；LCD ；控制按键目 录1 课程设计内容2 1.1任务内容2 1.2任务分析22计算器设计基本原理32.1 AT89C51系列单片机简介32.2 LCD显示模块62.3 运算模块 82.4键盘接口电路93 主程序设计104结论4 系统仿真图221. 课程设计内容1.1 任务内容本系统就是充分利用了8051芯片的I/O引脚。系统以采用MCS-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

3、值显示并存储的功能，计算程序则是参照教材。至于位数和功能，如果有需要可以通过设计扩充原系统来实现 。具体设计如下：1、由于要设计的是简单的计算器，可以进行四则运算，为了得到教好的显示效果，采用LCD显示数据和结果。2、另外键盘包括数字键（0-9）、符号键（+、-、*、/）、等号键，故只需要16个按键即可，设计中采用手焊接的4*4矩阵键盘。3、执行程序：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后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结果。本计算器是以MCS-51系列8051单片机为核心构成的简

4、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LED显示器动态显示。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，数据转换成显示器显示；功能模块三，显示器动态显示。1.2 任务分析在本次课程设计中，主要完成如下方面的设计任务：1、简要阐述单片机技术发展的国内外现状及LED动态显示和矩阵键盘基本原理；2、掌握51系列某种产品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

5、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proteus软件完成原理电路图的绘制；通过本次课题设计，应用单片机应用基础、计算机应用基础等所学相关知识及查阅资料，完成简易计算器的设计，以达到理论与实践更好的结合、进一步提高综合运用所学知识和设计的能力的目的。2. 简易计算器设计基本原理根据功能和指示要求，本系统选用以MCS-51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。2.1 89c51系列单片机简介89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read

6、Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。STC89c51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直插DIP结构，下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

7、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。现在对这些引脚的功能加以说明：如图2.3所示。图2.1 双列直插式封装引脚图Pin9:RESET/Vpc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

8、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2.4为两种复位方式和两种时钟方式：上电自动复位 手动复位电路 内部时钟方式 外部时钟方式图2.2 复位方式和时钟方式图硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。本设计选用以AT89S51单片机为主控单元。显示部分：采用LCD静态显

9、示。按键部分，采用4*4键盘。 硬件电路原理图如图3.1所示：2.2 LCD显示模块本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据。LCD的特性有：1、+5V电压，对比可调度；2、内含复位电路；3、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；4、有80字节显示数据存储器DDRAM;5、内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM;6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。本设计通过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的数据。其接口电路如图3.3所示。 图2.3 1602LCD引脚图 表2.4 LCD的引脚说明符号引脚说明

10、符号引脚说明VSS电源地DB4Data I/OVDD电源正极（+5V）DB5Data I/OV0液晶显示偏压输入DB6Data I/ORS数据/命令选择端（H/L）DB7Data I/OR/W读写控制信号（H/L）E使能信号DB0Data I/ORST复位端（H：正常工作，L：复位）DB1Data I/OVEE负电源输出（-10V）DB2Data I/OBLA背光源正极（+4.2）DB3Data I/OBLK背光源正极2.3运算模块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等计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由以下功能部件组成，即微处

11、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，因此采用单片机作为计算器的主要功能部件，可以很快的实现运算功能。运算模块由键盘和显示屏组成。单片机通过按键来实现输入数据和操作方式的控制，在运算过程中，对所设的数据进行四则运算时，要先确定选用的是哪一个运算符，若是+或*，则要判断结果是否会溢出，溢出则显示错误提示，没有溢出则显示运算结果，若是/，则要判断

12、除数是否为零，为零时显示错误提示，不为零显示运算结果。2.4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。矩阵键盘的工作原理：计算器的键盘布局如图2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

13、片机系统中也最常用。图2.5 矩阵键盘内部电路图第三章 主程序设计Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分

14、功能和使用。 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构C51工具包的整体结构，如图3.1所示，其中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for DOS的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真

15、器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM 中。普通计算器课程序设计:/*/通用计算器的编写，能够实现两位的加减计算 +，-，*，/设计人：周运鸿。指导人：皮大能/2013-6-6#include<reg51.h>#include<string.h>#include"LCD1602.h"#include"keyboard.h"#include"calculation.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intdouble n

16、um2; uchar sign2; uchar numble110; uchar numble210; void main()int i=0,j=0,k=0,flag=0,a=0,b,c=0,e=0,opNum=0;long int sum1,sum0;double sum2;init();write_com(0x80);while(!mark)matrixkeyscan();mark=0;while(expressionj!='=')if(!In(expressionj,OP) /如否不是运算符就入操作数栈if(opNum = 0)opNum =expressionj - 4

17、8;+j;if(In(expressionj,OP)flag = 1;elseopNum = opNum * 10 + (expressionj - 48);+j;if(In(expressionj,OP)flag = 1;if(flag = 1)numi=opNum;opNum=0;i+;flag=0;elsesignk=expressionj;+j;k+; sum1=Operator( num0,sign0, num1);sum2=Operator( num0,sign0, num1);sum0=sum1;while(sum1!=0) numble1a=sum1%10+48; sum1=s

18、um1/10; a+; b=strlen(numble1);write_com(0x80+0x40); for(c=b-1;c>=0;c-)write_data(numble1c);delayms(10);write_data('.');sum2=sum2*1000;sum0=sum2-sum0*1000;numble20=sum0/100+48;numble22=sum0%10+48;numble21=(sum0/10)%10+48;if(numble22>=(5+48)numble21=numble21+1;write_data(numble20);delaym

19、s(5);write_data(numble21);delayms(5);while(1);/*/键盘扫描程序驱动/文件名：keyboard.h/*#ifndef _keyboard_H_#define _keyboard_H_#include<reg51.h>#include"LCD1602.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint move=0; uchar mark=0;uchar code table='0','1','2',

20、9;3','4','5','6','7','8','9'uchar expression20; uchar code OP='+','-','*','/','=','n'void matrixkeyscan() uchar temp,key; P3=0xfe; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; tem

21、p=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xee:key=0;break; case 0xde:key=1;break; case 0xbe:key=2;break; case 0x7e:key=3;break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; write_data(tablekey); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; P3=0xfd; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(te

22、mp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xed:key=4;break; case 0xdd:key=5;break; case 0xbd:key=6;break; case 0x7d:key=7;break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; write_data(tablekey); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; P3=0xfb;

23、 temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xeb:key=8;break; case 0xdb:key=9;break; case 0xbb:key=10;break; case 0x7b:key=11;break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; if(key<10)write_data(tablekey); de

24、layms(5);else write_data(OPkey-10); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; P3=0xf7; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delayms(10); temp=P3; temp=P3&0xf0; if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xe7:key=12;break; case 0xd7:key=13;break; case 0xb7:key=14;break; case 0x77:key=15;b

25、reak; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; if(key=14) mark=1; write_data(OPkey-10); delayms(5); expressionmove=tablekey; move+; #endif/*/LCD1602驱动程序/文件名：LCD1602.h/*#ifndef _LCD1602_H_#define _LCD1602_H_#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcden=P2

26、4;sbit lcdrs=P25;void delayms(uint xms) uint i,j;for(i=xms;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-); void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delayms(5);lcden=1;delayms(5);lcden=0;void init()lcden=0;write_com(0x38); write_com(0x0

27、c); write_com(0x06); write_com(0x01);#endif/*/数学计算程序/文件名：calculation.h/*#ifndef _calculation_H_#define _calculation_H_#define uchar unsigned char#define uint unsigned intdouble Operator(double first,char theta,double second)switch(theta)case '+':return first + second;break;case '-':return first