基于89C51的计算器设计

单片机原理与接口技术课程设计绪论 近十几年来，单片机技术凭借其速度快，体积小，价格低，控制功能强，易于掌握，功能丰富等自身优点迅速发展，在各个领域发挥了重大作用，如今已成为一门成熟的学科。利用单片机可以实现非常丰富的功能，如流水灯，闹钟，秒表，音乐盒等，能够独立完成，实现设计，可以很好的检验自己对硬件以及对软件的理解和掌握水平。本设计采用80C51芯片，实现了利用单片机进行了一个简单计算器设计。允许对输入数据进行加，减，乘，除运算及LED数码管的显示。当然也可以用如LED显示屏显示来显示出更多的字符，实现更多的功能。但设计的关键所在，必须非常熟悉单片机的原理与结构，同时还要对整个设计流程有很好的把握，实现单片机和其他模块的完整的衔接。1.硬件组成与方案设计1.1系统框图 硬件组成如图1.1所示，通过时钟电路来提供时钟脉冲，使单片机有节拍的协同各个部件的同步有序工作，键盘电路来检测各个功能键，通过数码管来显示输出结果，复位电路可以在单片机异常工作或者需要重新计算时进行复位：图1.1芯片和键盘实现功能1.2硬件设计根据功能和指标要求，本系统选用89C52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。按键分布如下表１.２所示：０１２３４５６７８９Ｃ＝＋－＊／表１.２按键分布表硬件设计如下：①由于要设计的是简单的计算器，可以进行四则运算，对数字的大小范围要求不高故我们采用可以进六位数字的运算，选用6个LED数码管显示数据和结果。②另外键盘包括数字键（0～9）、符号键（+、-、×、÷）、清除键和等号键，故只需要16个按键即可。1.3功能设计功能实现如下:初始化:上电后，屏幕初始化。计算。按下数字键，屏幕显示要运算的第一个数字，再按下符号键，屏幕不显示，然后再按下数字键，屏幕显示要运算的第二个数字，最后按下“﹦”号键，屏幕上显示出计算结果。如果要再次计算，可以按下“C”键清零，或者按下单片机的复位键，重新初始化。2.硬件电路设计2.1时钟电路时钟电路是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也影响单片机系统的稳定性。本文时钟电路采用内部时钟电路，在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体，通过外接晶振C1,C2形成内部时钟电路，C1,C2一般取30pF：图２.１时钟电路2.2复位电路上电复位电路是一种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随VCC对电容的充电过程而回落，故RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长时间，电路图如下图图2.2所示：图２.２复位电路2.3显示电路如下图2.3所示为一位共阴极数码管的元件图：图2.3数码管它是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。表2.1为常用的字形表，为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码为方便查询数码管共阴极字形段码，通过查询下表可以很方便的找到所需要段码：显示字型gfedcBa段码001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fh表2.1常用字形码（低电平有效）数码管是由8段发光二极管显示字段的显示器件，发光二极管简称字段，要显示某字形就应使该字形的相应字段点亮，也就是向数码管送入不同的电平组合，通过不同的组合可以显示0~9，A~F以及小数点“.”等字符，而本设计为正整数的运算，并不涉及到小数点的点亮。数码管的显示方法为：通过右边的公共端控制数码管的亮灭，通过左边的段选码的电平状态确定每位发光二极管亮灭。本次设计采用的是6位七段共阴极数码管，但是不需要单独使每个数码管送出段选码，而是每3个数码管的段选端通过内部总线相连，再通过动态显示数码管的方式使每个数码管分时轮流选通，因此大大简化了电路，更好的利用了I/O资源。下图2.4即为所使用的6位数码管的元件图：图2.4数码管显示电路2.4键盘电路考虑到独立式键盘每个按键都要占用一个I/O口，按键较多时需要占用较多的的I/O口线，资源利用率低，并且由于本次采用的单片机开发板本身就是行列式键盘，故最终采用的是4行列式键盘。行列式键盘的四个行线处于输入状态，四个列线处于输出状态，按键设置在行列线的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。 具体键盘电路如图2.3所示：图2.5键盘电路3.系统软件设计3.1主程序主程序流程图如图3.1所示，主程序构成循环，首先初始化参数，送LED为高电平，初始状态下没有字形码显示。然后扫描键盘看是否有键输入，若有，读取键码。判断键码是数字键0~9、清零键，“＝”还是四则运算符（“+”，“-”，“*”，“/”），如果是数字值，则计数第几个数，第几位数，进行内部运算处理，送入数码管进行显示输出，是清零键则做对数码管进行清零，如果是四则运算，则内部进行运算处理，同时数码管不显示，若为“＝”号则输出运算结果，显示在数码管上。图3.1主程序流程图3.2键盘检测程序此子程序为本设计的核心之一，因为按键是利用机械触点来进行合，断作用的，机械触点在闭合或断开的瞬间由于弹性作用的影响，有抖动现象，从而使电压信号出现抖动，会造成按键读入的不稳定性，产生误读现象，因此为了保证键盘读入的可靠性，必须消除去除抖动影响，抖动时间与按键的机械特性相关，一般为5~10ms，去除抖动的方法有硬件和软件去抖两种，本实验采用的是软件去抖:：检测到有键按下时，执行一个20ms的延时程序，再确认该键电平是否保持闭合电平状态，若仍为闭合电平状态，则确认该键处于闭合状态，从而去除抖动影响，子程序流程图如图3.2所示：图3.2键盘程序流程图3.3读键输入程序为了实现键盘的数据输入功能和命令处理功能，每个键都有其处理子程序，为此每个键都对应一个码——键码。为了得到被按键的键码，现使用行扫描法识别按键。列扫描信号进行读入行的信号，判断该列是否有列的输出——是则进行按照行列计算键盘的值，查表取得键码并返回——若否则进行再次扫描。本设计采用矩阵式键盘，行线为P3.0-P3.3，列线为P3.4-P3.7，通过读取行线P3.0-P3.3的状态可以确定有无键按下，当键盘上没有键被按下时，行列线是断开的，P3.0-P3.3输入全部为高电平，当某个键被按下时，行列线短路，P3.0-P3.3短路，所有行线输入都是低电平，而列线某一位为低电平，其他位均为高电平。通过结合行线和列线的输入状态可以确定哪个键被按下，从而确定正确的键码值。图3.3读键输入程序流程图3.4数码管显示程序数码管显示分为静态显示和动态显示，考虑到静态显示需要显示较多I/O口，占用资源多，并且考虑到本单片机实验板硬件的限制，本数码管的显示采用的动态显示方案，通过分时轮流选通数码管的公共端，使各个数码管轮流选通，再送出段码，显示特定字符。在各个数码管依次显示一遍后，通过循环使显示器分时点亮，由于视觉暂留效用与余晖效应，人眼无法识别数码管的点亮顺序，就好像所有数码管同时点亮，具体流程如下图3.4：图3.4数码管显示流程图4.仿真与调试4.１软件调试1、打开KeiluVision2软件后,在Project菜单中选择NewProject命令，打开一个新项目。保存此项目，输入工程文件名calculator后，并保存工程文件的目录。2、为项目文件选择一个目标器件，即选择80C51的类型。在Database列表框中选择“Atmel89C52”，确定。３、选择“File”目录下的Target1，在右键列表中选择“组SourceGroup1属性”，在输出项勾选“E成HEX文件”，HEX格式为“HEX-80”。4、上述设置好后，创建源程序文件并输入程序代码。输入好代码后点击“文件/保存”，保存为calculator.asm。5、把源文件添加到项目中，用鼠标指在目标工作区的目标：1.点击右键在弹出的菜单中选择“添加文件到组SourceGroup1”，在弹出的添加文件框中，选择需要添加到项目中的文件。6、开始编译，对项目文件进行编译，对代码进行修改完善，最后编译０错误，０警告。7、打开stc-isp软件，选择单片机型号为STC89C52RC,选择正确的串口号，加载程序文件，给单片机上电后，HEX文件下载编程成功。4.2硬件调试1.依次按下矩阵键盘上定义的数字键“0~9”，经检测数码管都可以正确显示。2.依次进行不同算法“+”，“—”，“*”，“/”，经检测可以正常进行运算。3.输入某个数，按下清零键，屏幕无显示，可以实现清零功能。4.3调试结果（1）编程软件Keil软件调试结果如图4.1：图4.1Keil软件调试结果（2）烧写软件ISP-STC调试结果如图4.2：图4.2ISP-STC调试结果（3）89C51实验板硬件调试结果:总结本次课程设计是理论和实践的结合，首先通过该学期理论课的学习，对单片机的硬件构成有了初步的理解，包括其结构与原理，指令系统，定时／计数器和扩展接口的使用，通过这次课程设计，在实践中重复利用所学运用，验证理论知识，从中我很多收获和体会，以及自顶向下，逐步细化的工程设计方法，通过一步步分解任务设计，达到了设计要求。途中当然遇到了很多困难，但也增强了查阅书籍，手册，图表和文献资料的能力，同时通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析解决问题的方法解决了一些问题。在这次课程设计中我充分感受到理论和实践的差距，一个人光有理论知识是远远不够的，在进行实践，面对硬件完全是一无所措，对硬件的学习完全是不同于理论学习的，其中硬件调试，ISP-STC烧写操作，都是课堂上没有讲过的，需要重新学习。设计过程中也会发现自己对理论知识的某些方面不是那么牢固，暴露了自己的很多不足，锻炼了自己的理论联系实际的能力与实际动手能力，以后应该多进行一些实践来不断提升自己的能力。参考文献[1]张迎新.单片微型计算机原理-S、应用及接口技术[M].北京:国防工业出版社.[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社.附录A：整体电路图附录B：程序代码#include<reg51.h>#defineucharunsignedcharuchara0=16,b0=16,c0=16,d0=16,e0=16,f0=16,wei,temp,key,i,j,k;ucharjia,jian,cheng,chu,dengyu,jia0,jian0,cheng0,chu0,qingling;uchars0,s1,s2,s3,s4,s5;//参加运算的各个位unsignedlongqian,hou;//定义参于运算的第一个数和第二个数。sbitdula=P2^6;sbitwela=P2^7;sbitbeep=P2^3;unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00};voiddelay(uchari){ for(j=i;j>0;j--) for(k=125;k>0;k--);}voiddisplay(uchara,ucharb,ucharc,uchard,uchare,ucharf){dula=0;P0=table[a];dula=1;dula=0;wela=0;P0=0xfe;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table[b];dula=1;dula=0;P0=0xfd;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table[c];dula=1;dula=0;P0=0xfb;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table[d];dula=1;dula=0;P0=0xf7;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table[e];dula=1;dula=0;P0=0xef;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table[f];dula=1;dula=0;P0=0xdf;wela=1;wela=0;delay(5);}voidkeyscan(){{ P3=0xfe;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0){delay(10);if(temp!=0xf0){ temp=P3;switch(temp){case0xee:key=0; wei++;break;case0xde:key=1; wei++;break;case0xbe:key=2; wei++;break;case0x7e:key=3; wei++;break;}while(temp!=0xf0){temp=P3;temp=temp&0xf0;beep=0;}beep=1;}}P3=0xfd;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0){delay(10);if(temp!=0xf0){temp=P3;switch(temp){case0xed:key=4; wei++;break;case0xdd:key=5; wei++;break;case0xbd:key=6; wei++;break;case0x7d:key=7; 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