基于单片机简易计算器的设计正文

1、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Microsoft Visual C+ 6.0应用程序开发环境，

2、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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc280894260 1 AT89C51单片机功能概述 PAGEREF _Toc280894260 h 1 HYPERLINK l _Toc280894261 单片机系统概述 PAGEREF _Toc280894261 h 1 HYPERLINK l _Toc280894262 1.2 AT89C51功能概述 PAGEREF _Toc280894262 h 1 HYPERLINK l _Toc280894263 引脚功能说明 PAGERE

3、F _Toc280894263 h 1 HYPERLINK l _Toc280894264 2 Keil软件知识 PAGEREF _Toc280894264 h 3 HYPERLINK l _Toc280894265 2.1 Keil编译器软件简介 PAGEREF _Toc280894265 h 3 HYPERLINK l _Toc280894266 2.1.1 使用Keil软件建立一个工程 PAGEREF _Toc280894266 h 4 HYPERLINK l _Toc280894267 2.1.2 使用Debug进行调试 PAGEREF _Toc280894267 h 8 HYPERL

4、INK l _Toc280894268 3 系统总体方案设计 PAGEREF _Toc280894268 h 10 HYPERLINK l _Toc280894269 3.1 具体设计 PAGEREF _Toc280894269 h 10 HYPERLINK l _Toc280894270 系统方案图 PAGEREF _Toc280894270 h 10 HYPERLINK l _Toc280894271 计算器软件程序要完成以下模块的设计 PAGEREF _Toc280894271 h 11 HYPERLINK l _Toc280894272 4 总体程序框图 PAGEREF _Toc280

5、894272 h 11 HYPERLINK l _Toc280894273 系统总体框图设计 PAGEREF _Toc280894273 h 11 HYPERLINK l _Toc280894274 4.2 算数运算程序设计 PAGEREF _Toc280894274 h 13 HYPERLINK l _Toc280894275 4.3 程序源代码（ C语言 ） PAGEREF _Toc280894275 h 14 HYPERLINK l _Toc280894276 5 联机调试 PAGEREF _Toc280894276 h 19 HYPERLINK l _Toc280894277 参考文献

6、 PAGEREF _Toc280894277 h 20 HYPERLINK l _Toc280894278 附录1 计算器仿真图 PAGEREF _Toc280894278 h 21 HYPERLINK l _Toc280894279 附录2 系统程序 PAGEREF _Toc280894279 h 221 AT89C51单片机功能概述单片机系统概述随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位 到32位机的发展，运算速度从8 MHz、32 MHz GHz。可以说是日新月异

7、的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。1.2 AT89C51功能概述AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序

8、存储器PEROM和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大。此单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。AT89C51提供以下标准功能：4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个向量两级中断结构，一个全双工串行通讯口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路，同时AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信及中断系统继续工作。掉电

9、方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 引脚功能说明MCS-51是标准的40脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图2.1：图2.1 AT89C51的引脚图VCC：电源电压； GND：地；P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接受指令字节，而在程序效验时，输出指令字节，效验时，要求外接

10、上拉电阻。P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流。FLASH编程和程序效验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4个TTL逻辑们电路。对端口写1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流。在访问外部程序存

11、储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或效验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4个TTL逻辑们电路。对端口写1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重

12、要的用途是他的第二个功能，如下表所示：表1 P3口AT89C2051特殊功能端口引脚功能特性RXD（串行口输入）TXD（并行口输入）INT0（外部中断0）INT1（外部中断1）T0（定时计数外部输入0）T1（定时计数外部输入0）(外部数据存储器写选通)(外部数据存储器读选通)P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序效验的控制信号。RST：复位输入。其引脚一旦变成两个机器周期以上的高电平，所有的I/O口都将复位到1状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上高电平便可完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（0000HFF

13、FFH），EA端必须保持低电平接地，需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位是内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器输出端 2 Keil软件知识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

14、实现运算功能。 Keil编译器软件简介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开发系统各部分功能和使用。图2.1 C51

15、工具包整体结构图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

16、真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。 使用Keil软件建立一个工程Keil是目前进行51单片机开发最常用的编译软件。关于Keil的使用，有很多的资料介绍，这里只介绍其整个编译过程，在最短时间内开始使用Easy 51DP-2开发板。对于Keil更详细的介绍，可以参考一些专门书籍资料。在Keil里，每一个完整的程序，都是以一个工程的形式建立的。一个工程里可以有一个或多个*.c文件和*.h文件，但只可以有一个main()函数。一般的做法是将包含main()函数的C文件加入到工程中，其他文件以#include头文件的形式加到这个C文件里。这样，在编译的时候，其他的文

17、件会被自动的导入到工程里来。打开Keil软件后，出现（图3.2）所示界面。当然，如果Keil在上次关闭时有打开的工程，再一次打开时它会自动加载上一次的工程文件。图2.2 Keil软件主界面首先点击Project-New Project（Project-Open Project为打开一个已经存在的工程），如图3.3所示。图2.3 Keil软件打开新工程界面点开后，在出现的对话框中选择工程存在路径，单击“保存”后，出现（如图3.4所示）界面。在此界面上选择电路板上所用的单片机型号：Atmel AT89S51（或者是AT89S52，视开发板上具体型号而定），单击“确定”。图2.4 选择电路板上所用的

18、单片机型号设置完成后，软件会提示“是否将8051上电初始化程序添加入工程？”如图3.5所示，这个一般选择“否”。（关于STARTUP.A51的相关内容可查阅相应资料）图2.5 是否将8051上电初始化程序添加入工程这样，就建立了一个空的51工程。接下来的事，就是在这个工程里面加入自己的程序代码。点击，或者File-New，便建立了一个空的文本框。现在，就可以开始在里面输入你的代码了。保存时注意：如果是用C语言写的程序，则将文本保存成*.c，如果是用汇编写的程序，则将文本存成*.asm。到目前为步，我们已经建立了一个工程，也写了一个程序代码。但现在还不能开始编译。因为还没有将程序代码添加到工程里

19、面去。下一步就是将写完的程序添加到工程里面，如图3.6所示，在左边Project Workspace里的Source Group 1上右击，选择Add Files to Group Source Group 1。在打开的对话框中，选择刚存的文件路径和对应的扩展名。这样，程序就添加进了这个工程。图2.6 添加文件到工程中下一步，就开始编译刚输入进去的代码。点击工具栏中的按钮。接着，Keil会打出下面的提示：Build target Target 1assembling led.asm.linking.Program Size: data=8.0 xdata=0 code=100first - 0

20、 Error(s), 0 Warning(s).其中“first - 0 Error(s), 0 Warning(s).”说明现在的工程编译通过，0个错误和0个警告。建立工程的时候，默认是不生成HEX文件的，得在编译做如下设置：单击，或者在Project Workspace里Target 1上右击，选择“Options for Target Target 1”。出现如图3.7所示对话框，选择“Output”按图示，将箭头所指的多选框勾上，点“确定”。现在再点击重新编译，系统提示：“creating hex file from first.”。便会在工程所在文件夹里生成HEX文件。图2.7 生成

21、HEX文件 使用Debug进行调试Keil有很强大的调试功能，可以显示C程序的反汇编代码、可以计算代码运行的时间、可以显示程序中某一变量的值能用好这个调试工具对编写单片机程序会有很大的帮助。同样的，在这里，只对Debug进行简单应用介绍，更详细的使用方法可以参看相关书籍资料。图2.8 调试前设置窗口首先，单击，弹出如图3.8所示对话框，在Target页面上设置对应的晶振频率。其他不用作修改。设置完成后，单击，进入调试界面（如图3.9所示）。图2.9 Keil调试界面点击中对应的工具按钮则可以开始调试。另外，“View”下的三个工具在调试中会经常用到如.图3.10所示，“Disassembly

22、Window”显示C文件的反汇编程序；“Watch & Call Stack Window”可以显示程序中某一变量的值；“Memory Window”可以显示内存中某一地址的值。 3 系统总体方案设计 具体设计根据功能和指标要求，本系统选用MCS-51系列单片机为主控机。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：1.1 四则运算：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LCD 显示数据和结果。1.2 键盘：另外键盘包括数字键（09）、符号键（+、-、）、清除键和等号键，故只需要16 个按键即可，设计中采用集成的计算键盘。1.3 执行过程：开

23、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。1.4 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上提示溢出；当除数为0时，计算器会在LCD上提示错误。系统方案图键盘输入检测模块LCD显示模块；算术运算模块错误处理及提示模块。4 总体程序框图框图设计开始初始化参数初始化LCD显示有键输入？读取键码LCD显示数字键清零键功能键状态清零输入数值数值送显

24、示缓冲YN等待数值输入结果送显示缓冲根据上次功能键和输入的数据计算结果本次功能键？等待数值输入结果送显示缓冲等待数值输入结果送显示缓冲4.2 算数运算程序设计开始运算符是？加乘减除除数为0？运算结果溢出？错误信息送显示缓冲数值送显示缓冲YYNN 程序源代码（ C语言 ）#include #include #include calc.h/变量声明static data LONG lvalue;static data LONG rvalue;static data CHAR currtoken;static data CHAR lasttoken;static data CHAR lastpres

25、s;static xdata CHAR outputbufferMAX_DISPLAY_CHAR;VOID main (VOID)/初始化变量并且初始化 LCD 驱动. lvalue = 0; rvalue = 0; currtoken = =; lasttoken = 0; initialise(); / 初始化 LCD calc_output(OK); calc_evaluate(); VOID calc_evaluate() CHAR data key; INT data i; CHAR xdata numberMAX_DISPLAY_CHAR; CHAR xdata *bufferpt

26、r; / 使用前清缓冲器. for (i = 0; i = MAX_DISPLAY_CHAR; i+) numberi = ; bufferptr = number; for (;) key = calc_getkey(); if (calc_testkey(key) /键盘检测数字写入缓存然后输出到屏幕LCD. / 限制结果数字的范围或结果为负数. if (bufferptr != &numberMAX_DISPLAY_CHAR - 2) *bufferptr = key; calc_display(number); bufferptr+; else / 键盘运算符传送到操作函数. / 如果

27、刚开始或者刚取消则指到lvalue / 否则指到 rvalue. /发送到 value. if (lasttoken = 0) lvalue = calc_asciidec (number); else rvalue = calc_asciidec (number); /清数字缓存器. bufferptr = number; for (i = 0;i = MAX_DISPLAY_CHAR; i+) numberi = ; /继续运行处理器. currtoken = key;if (currtoken = C) calc_opfunctions(currtoken); else calc_opf

28、unctions(lasttoken); /清除输出缓存为了下个运行程序 . for (i = 0;i = 0 x30) & (lastpress = 0 x30) & (lastpress = 0 x30) & (lastpress = 0 x30) & (lastpress = -9999999) & (num = 9999999) return OK; else return ERROR; VOID calc_output (INT status)/ 根据函数的位置输出./ *Sleep*用在大的取消或开始后的第一次按键. switch (status) case OK : calc_d

29、isplay(calc_decascii(lvalue); break; case SLEEP : break; case ERROR : calc_display(Exception ); break; default : calc_display(Exception ); break; LONG calc_asciidec (CHAR *buffer)/转换 ASCII码成数. LONG data value; LONG data digit; value = 0; while (*buffer != ) digit = *buffer - 48; value = value*10 + d

30、igit; buffer+; return value; CHAR *calc_decascii (LONG num)/ 运行将一个浮点数转换成 ASCII 码. LONG data temp = num; CHAR xdata *arrayptr = &outputbufferMAX_DISPLAY_CHAR; LONG data divisor = 10; LONG data result; CHAR data remainder,asciival; INT data i; / 如果计算结果是0的话在缓存嵌入0并且结束. if (!temp) *arrayptr = 48; goto do

31、ne; /处理负数. if (temp 0) outputbuffer0 = -; temp -= 2*temp; for (i=0 ; i = 0 x30) & (key = 0 x39) return 1; else return 0; /*输入输出函数 */CHAR calc_getkey (VOID)/ 从*Keypad_Read*使用输入函数 编辑到读取按键，回复对应 ASCII 码. CHAR data mykey; do mykey = input(); while (mykey = 0); return mykey; VOID calc_display (CHAR bufMAX

32、_DISPLAY_CHAR)/ 使用输出和清屏程序通过 *LCD_Write* 编辑到输出 ASCII码 显示到 LCD. INT data i = 0; clearscreen(); for (i ; i = MAX_DISPLAY_CHAR ; i+) if (bufi != ) output(bufi); 5 联机调试在联机调试的过程中，先检查各个管脚连接无误，点都连接上了，LCD显示正确，确认硬件图检查无误后；检查程序运行，查看各个子程序是否都输入，各个程序声明都存在，最后由程序导入proteus图，成功下载程序后， LCD显示正确，一切运行成功！参考文献1 单片微型计算机与接口技术

33、李群芳 张士军 黄建 电子工业出版社2 例说51单片机（C语言版） 张义和、王敏男等 人民邮电出版社3 单片机原理与接口技术（第3版） 李朝青编著 北京航空航天大学出版社4 MCS-51 系列单片机应用系统设计 系统配置与接口技术 何利民 北京航空航天大学出版社5 MCS-51 系列单片机接口电路与应用程序实例 沈德金 北京航空航天大学出版社6 模拟电子技术基础 童师白 高等教育出版社2005-03:306-3227 C语言程序设计 黄明 大连理工大学出版社1997:201-2118 数字电子技术基础 阎石 高等教育出版社2004:8:72-73 附录1 计算器仿真图附录2 系统程序源程序：#

34、include #include #include calc.hstatic data LONG lvalue;static data LONG rvalue;static data CHAR currtoken;static data CHAR lasttoken;static data CHAR lastpress;static xdata CHAR outputbufferMAX_DISPLAY_CHAR;VOID main (VOID) lvalue = 0; rvalue = 0; currtoken = =; lasttoken = 0; initialise(); calc_ou

35、tput(OK); calc_evaluate(); VOID calc_evaluate() CHAR data key; INT data i; CHAR xdata numberMAX_DISPLAY_CHAR; CHAR xdata *bufferptr; for (i = 0; i = MAX_DISPLAY_CHAR; i+) numberi = ; bufferptr = number; for (;) key = calc_getkey(); if (calc_testkey(key) if (bufferptr != &numberMAX_DISPLAY_CHAR - 2) *bufferptr = key; calc_display(number); bufferptr+; else if (lasttoken = 0) lvalue = calc_asciidec (number); else rvalue = calc_asciidec (number); bufferptr = number; for (i = 0;i = MAX_DISPLAY_CHAR; i+) numberi = ; currtoken = key;i