《基于单片机的多功能计算器设计7800字（论文）》

基于单片机的多功能计算器设计摘要基于单片机的多功能计算器在生活中是非常实用且应用特别广泛的实用工具。多功能计算器是由单片机设计和制造的。它由五个部分组成：LCD1602显示模块，DS1302时钟芯片，蜂鸣器，矩阵键盘和单片机。AT89S51作为单片机主控制模块，矩阵键盘是输入模块和LCD1602乃结果显示模块，可以显示计算结果和时间；DS1302是时钟模块，进行计时功能。整体设计不仅能实现简单的加减乘除，还能进行三角函数sin,cos,tan的计算，更能进行计时功能。在生活中能够满足大部分的应用场景，在日常生活中不仅能够满足个体工商户的计算需要，还能进行计时，满足生活中时间规划的需求，以及学生在进行三角函数计算时的需求。多功能计算器在生活中具有很强的实用性。关键词：多功能计算器；LCD1602；DS1302时钟芯片；AT89S51目录1概述 51.1硬件概述 51.1.1单片机的由来 51.1.2DS1302时钟芯片 61.2设计概述 62多功能计算器硬件设计及仿真 72.1多功能计算器硬件设计 72.1.1多功能计算器主控模块 72.1.2DS1302时钟模块 82.1.3蜂鸣器模块 102.1.4矩阵键盘模块图 112.1.5LCD1602显示面板模块 122.1.6整体原理图 142.3多功能计算器PCB设计 163多功能计算器程序设计 173.1键盘扫描 173.2表达式处理 184多功能计算器调试 19引言在当今社会，随着人们物质生活的不断提高与改善，电子产品已普及到每个家庭。无论是生活，学习，娱乐还是气压日常生活活动，几乎所有事物活动都与电子产品密不可分。大型复杂的计算是人脑难以承受的，并且效率很高，而且人脑或许更容易出错。计算器是一种快速通用且便携的计算工具，适合各种日常生活场景。计算器是我们最接近的电子合作伙伴之一。计算器是广大人民群众生活之中很常见，运用很广泛的一种计算工具，在日常生活中具有很重要的地位。但是，计算器依旧在发展，在未来肯定会出现功能更加强大丰富的计算器。时间是一种尺度，人生的长度是有极限的，但是人生的宽度是没有上限的。时间就是用来丈量人生长度的标尺。同样，时间也是人们计划一天的安排，一周的安排，一个月的安排，一个季度安排的重要标尺。时间在人们的生活中是那么的不可或缺，如果没有时间的概念，人们的生活将会变得紊乱，变得杂乱不堪，社会秩序也就不会井井有条。从古代的日晷到现如今的各种计时器，充分说明时间的重要性，同时也代表这科技发展的迅速。所以，我设计了一个多功能计算器，能够进行计时，倒计时功能，这对于我们在日常生活中对于时间的计划有很大的作用。该设计的计算部分主要是除了实现简单的加，间，乘，除，还可以进行三角函数sin,cos,tan的运算，其中还可以进行累加，排列组合以及阶乘的运算。还能够进行计时与倒计时的功能，在学生群体中这是一个很重要的功能，运用计时和倒计时功能能够训练学生的时间观念，在考试的过程中能够更好的规划时间，更好的把握整个考试的进程，这在考试时无疑是有巨大作用的。1概述1.1硬件概述1.1.1单片机的由来微控制器诞生于1971年，经历了三个阶段：SCM，MCU和SoC。首批SCM微控制器均为8位或4位。最成功的单片机乃INTEL8051，从那以后在8051中开发了MCS51系列MCS系统。基于这个系统的单片机系统到现在仍被广泛使用。随着在工业控制领域中日益增长的庞大需求，单位16芯片微型计算机已经开始出现并应用，但是由于不令人满意的成本性能而没有得到广泛使用。随着1990年代后消费电子产品的极其快速发展，单片机技术得到了很大的变化。随着INTELi960系列（尤其是后来的ARM系列）的广泛采用，32位单片机逐渐取代了16位单片机的主导的地位，并开始打入了主流市场。与1980年代相比，传统的8位单片机的性能也得到了巨大的提高，处理能力提高了数百倍，最新一代的32位Soc微处理器的主频率超过300MHz。它的性能与1990年代中期专用处理器的性能完全差不多，当时通用的模型的出厂价格降到了1美元，而更复杂的模型的价格仅只是10美元。仅在裸机环境中使用，大量的专用的内置操作系统广泛被用于整个单片机系统。最先进的单芯片微型计算机是笔记本电脑和手机的处理核心部件，甚至可以使用专用的Windows和Linux操作系统来操作。主要阶段早期阶段SCM即单片微型计算机(Microcontrollers)阶段，主要是找寻最佳的单片机形态嵌入式系统的最佳体系构架。“创新模式”获得了巨大成功，奠定了SCM与通用计算机截然不同的发展道路。在开创嵌入式系统完全独立发展的艰难道路上，Intel公司有巨大功劳。中期发展MCU就是微控制器(MicroControllerUnit)阶段，主要的技术继续发展方向是：继续扩展不断满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种各样外围电路还有接口电路，突出显示其对象的智能化掌控能力。它涉及的领域几乎与对象系统直接相关，因此，发展MCU的重大责任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这种角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有各种因素。在发展MCU方面，最有名气的厂家当数Philips公司。Philips公司以其拥有嵌入式应用方面的巨大优势，把MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器的程度。因此，当我们回顾嵌入式系统的艰难发展道路时，不能忘记Intel和Philips的伟大的历史功绩。当前趋势SoC嵌入式系统(SystemonChip)式的独立艰难的发展之路，向MCU阶段发展的巨大因素，是为了寻求应用系统在芯片上的最大化解决问题，因此，专用单片机的发展自然而然就形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的向前发展，基于SoC的单片机应用系统设计有巨大的发展。因此，对单片机的进一步理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统的程度。1.1.2DS1302时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟工作电路，它能够对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿的功能，工作的电压为2.0V~5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并且能够采用突发方式一次性传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部具有一个31×8的能够用于存放临时性数据的RAM寄存器。1.2设计概述以AT89S51为核心设计的多功能计算器，单片机是单片微型计算机的简称，又被称作微控制器MCU（MicroControlUnit）。通常是由单块集成电路芯片所构成，内部含有整个计算机的基本功能部件：中央处理器是CPU，存储器和I/O接口电路等功能部件。因此，单片机只要和适当的软件还有合适的外部设备相结合，便可成为一个完整的单片机控制系统。单片机被广泛应用于智能产品，智能仪表，测控技术，智能接口等设备，具有操作简单，实用方便，价格便宜等特点，应用于各种各样的控制领域。本设计课题的目的主要是为了探索对计算器的原理框架、结构组成、功能模块的设计原理，对软件程序进行编写，采用C语言进行程序的编写，通过程序的编写来实现主功能计算器，OLED显示，按键三部分的功能。最终实现集计算，计时，倒计时，报警四种功能的多功能计算器的开发。硬件设计是采用Altiumdesigner软件设计电路原理图，设计PCB电路板线路的走向还有元器件的整体布局；采用Proteus仿真软件仿真电路原理图，检查电路原图的设计是否有误以及错误的地方在哪里，多功能计算器设计采用LCD1602作为显示面板，1602液晶也叫1602字符型液晶，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。采用蜂鸣器作为报警器，对倒计时进行报警。总体设计方案如下：图1-1设计流程图2多功能计算器硬件设计及仿真多功能计算器采用AT89S51单片机；DS1602时钟芯片；LCD1602作为显示模块；矩阵式键盘输入。2.1多功能计算器硬件设计2.1.1多功能计算器主控模块51单片机是所有符合Intel8051培训计划的单片机的通用名称，该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机。单片机经过长时间的发展，成为八种最受欢迎​​的单片机之一。其型号代表AT8ELATMEL系列。它广泛用于工业测量和控制系统。许多公司已经在51系列中推出了兼容型号，这些型号将在很长一段时间内进入主要市场。单芯片51芯片计算机是使用最广泛的基本单芯片类型的计算机。第一次使微控制器的价格降低了，价格便宜，功能丰富。单片机集成度规模大，体积微小，容易采取电磁屏蔽或密封措施，能在比较恶劣的环境下工作，稳定性强，指令丰富能达成许多工业控制的要求。低电压，低功耗，易于制造便携式产品。单片机是集成电路芯片，也称为单片机。随机存取存储器ROM，只读存储器ROM和CPU是单片机的主要组件。单片机具有多种数据采集和控制系统，因此可以完成各种复杂的任务，因此控制单片机是否可以向系统发布操作符号或操作指令非常重要。可以看出，单片机由于其强大的数据处理技术和计算机功能而被广泛应用于各种智能电子设备中。单片机是芯片。该芯片不是单个芯片，而是集成了系统。通过使用集成电路技术，将数据计算和处理功能集成到一个芯片中，从而可以实现高速化。处理数据。AT89S51是一款低功耗，高性能CMOS位单片机。它包含kk字节的ISP（系统内可编程）闪存只读程序存储器，最多可删除1000次。该设备充分利用了ATMEL。密度高且不易通过与StreetMSCsystem1引导系统和C0C11引脚结构兼容的存储技术不足而制造。该芯片集成了通用中央处理单元和ISP闪存存储单元。AT89S51被广泛使用。在大多数嵌入式控制应用系统中。AT89S51具有完整的输入和输出，控制端口和内部程序存储。与传统意义上的微机原理相似，它可以通过外部A/D，D/A转换电路和运算放大器芯片完成传感器传输信息的收集，并可以提供点矩阵或LCD液晶以及外部按钮实现人机交互。它可以将步进电机连接到许多内部I/O端口，以精确控制外围设备，并具有强大的工业控制能力。该设计使用AT89S51MCU的4k字节Flash芯片程序存储器；128个字节的随机存取数据（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）端口；2个中断优先级，2个嵌入式中断集中断级别；5个中断源；2个16位可编程定时器/计数器；1个全双工串行通信端口；;系统功能强大。为了使单片机能够正常工作，除了电源部分供电，还要拥有晶振电路和复位电路图2-1AT89S51单片机原理图选用的AT89S51单片机还有以下性能参数：1、片内振荡器和时钟电路;2、与MCS-51兼容;3、全静态工作:4、可编程串行通道;5、低功耗的闲置和掉电模式。2.1.2DS1302时钟模块当DS1302与微处理器交换数据时，微处理器首先将命令批发送到电路。写保护命令，命令（D7）的最高位必须为逻辑1，如果禁止D7=0，则写入DS1302，即写保护。D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5〜D1指定用于输入或输出的特定程序；逻辑0是最低位LSB（D0），指定写操作（输入），D0=1，指定读操作（输出）。。在执行DS1302时钟日历或Ramo数据传输时，DS1302必须首先发送命令字节。对于单字节传输，在发送8位命令字节之后，在接下来的2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或者在接下来的8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。图2-2DS1302时钟芯片原理图DS1302的引脚位置，其中Vcc2为主要电源，VCC1为备用电源。即使关闭电源，也可以连续运行时钟。DS1302由较大的Vcc1或Vcc2供电。Vcc2大于Vcc1+0.2V，而Vcc2为DS1302供电。Vcc2小于Vcc1，而DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源和外部32.768kHz晶体振荡。RST是复位/芯片选择线，所有数据传输均以高电平的RST输入开始。RST输入具有两个功能：首先，RST允许您打开控制逻辑并将地址/命令序列发送到移位日志；其次，RST提供了一种停止单字节或多字节数据传输的方法。当RST为高电平时，它开始所有数据传输并允许在DS1302上进行操作。如果在传输过程中将RST设置为低电平，则数据传输将完成，并且I/O引脚将具有高电阻。接通电源后，Rcc必须低于Vcc>2.0V。只有当SCLK为低电平时，RST才能设置为高电平。I/O是数据串行输入和输出端子（双向），稍后将对其进行详细说明。SCLK是时间输入端子。。图2-3DS1302时钟电路设计图控制字节：控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。数据流：在插入下一个SCLK术语描述后，在增加时间的边缘，数据被写入DS1302，将数据开始变小，大约为0。同样，从紧接8位指令字的SCLK的下一个心跳中读取DS1302数据，并从0到7高读取数据。寄存器：DS1302有12个寄存器，其中7个与时间表和时间有关，并且所存储的数据为BCD格式。时钟突发记录可以连续读取和记录除充电寄存器以外的所有记录的内容。DS1302和RAM相关寄存器分为两部分：一个是单个RAM单元，总共31个，每个单元配置为8位字节，命令控制字是C0H〜FDH。数字是一项读取任务，偶数是写操作，另一种类型是突发方式下的RAM寄存器。这样，所有31块RAM都可以一次读写。命令控制字是FEH（写）和FFH（读）。2.1.3蜂鸣器模块图2-4蜂鸣器设计蜂鸣器的主要功能是报警，倒计时报警。蜂鸣器是一种集成结构的电子器件，由直流电压供电，广泛用作计算机，打印机，复印机，警报器，电子玩具，汽车电子设备，电话，计时器等电子产品中的声音设备。蜂鸣器主要分为两种：压电式和电磁式。蜂鸣器在电路上用字母“H”或“HA”表示（旧标准使用“FM”，“ZZG”，“LB”，“JD”等）。原理：蜂鸣器的发声原理由振动装置和谐振装置组成，蜂鸣器分为无源外部激励和源激励。无源蜂鸣器的工作原理是：将方波信号插入谐振设备并转换成声音信号输出。图2-5无源蜂鸣器发声原理图有源蜂鸣器的工作原理是：DC直流电的输入通过谐振系统的放大器和电路，在谐振设备的作用下产生声音信号。2-6有源蜂鸣器发声原理图2.1.4矩阵键盘模块图图2-7矩阵式键盘如果键盘上有大量键，则这些键通常按矩阵排列，以减少I/O端口占用率。在矩阵键盘上，每条水平线和垂直线都不在相交处直接连接，而是通过按钮连接。如果您有相对大量的键，则使用矩阵方法来创建键盘是有意义的。使用了矩阵键盘，它不仅减少了I/O端口占用率，还扩展了单片机的功能，这样的设计是十分合理，且较少占用资源的设计。2.1.5LCD1602显示面板模块点矩阵液晶由M×N显示单元组成。假设LCD显示器有64行，每行有128列，每8列对应一个8位1字节，每行由16个字节组成。，总计16×8=128点。显示屏上的64x16显示单元对应于1024个字节的显示RAM区域，每个字节的内容对应于显示屏上相应位置的亮度。例如，显示屏第一行的亮度取决于从000H到00FH的16字节RAM区域的内容。如果（000H）=FFH，一条短的亮线将出现在的左上角。8点长的屏幕;（3FFH））=FFH将在屏幕的右下角显示一条短亮线;（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H（00EH）=00H，（00FH）=00H，由8条亮线和8条暗线组成的虚线显示在屏幕顶部。这是液晶显示器的基本原理。部分引脚功能：·引脚3：VL是液晶显示器的对比度调节端子。正电源的对比度最弱，而接地连接的对比度最高。如果对比度太高，将发生“重影”。使用时，可以使用10kQ电位器调节对比度。引脚4：RS是寄存器选择引脚，用于选择数据寄存器为高电平，指令寄存器为低电平。引脚5：R/W是读/写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。如果RS和R/W均为低电平，则可以编写命令或显示地址。当RS为低电平且R/W为高电平时，可以读取忙信号。如果RS为高电平，R/W为低电平，则可以写入数据。引脚6：E端是使能端。当E端从高电平变为低电平时，LCD模块将执行命令。表2-8LCD引脚功能表LCD1602LCD模块中的控制器共有11条控制命令。表2-10LCD1602控制指令LCD1602液晶模块的读/写操作，显示屏和光标的操作均通过命令编程来实现（其中，1是高电平，0是低电平）部分分别介绍如下。（3）指令3：设置输入模式。其中，I/D是光标移动的方向，高位向右移动，低位向左移动；S表示显示屏上的所有文本向左或向右移动，高位有效，并且级别低表示它无效。（4）指令4：显示开关控制。其中，D用于控制整个显示器的开和关，高电平表示显示器的开和关，低电平表示显示器的关；C用于控制光标的开和关。低级别表示没有光标。B用于控制光标闪烁与否，高电平闪烁和低电平不闪烁。（6）指令6：功能设置命令。其中，DL表示在高电平时为8位总线，低电平时为4位总线；N表示在低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F表示在低电平时显示5×7的点阵字符，高电平时显示5×10的点阵字符。（8）指令8：DDRAM地址设置。连接方式：有两种方法可以将LCD1602连接到单片微处理器。一种是直接控制，另一种是所谓的间接控制。它们之间的唯一区别是所用数据线的数量，其他相同。1.直接控制方式连接到单片机后，LCD1602的8条数据线和3条控制线E，RS，R/W可以正常工作。在典型的应用中，仅需要将命令和数据写入LCD1602。因此，LCD1602的R/W读/写选择控制端子可以直接接地，从而节省了一条数据线。VO引脚是LCD对比度调试端子。通常，您可以连接一个10kΩ的电位器来调整对比度。您可以从该引脚接地并调整适当大小的电阻器，但是该电阻器的大小必须通过调试来确定。2.间接控制方式间接控制模式，也称为4线工作模式，是一种利用HD44780的4位数据总线功能简化电路接口的方法。为了减少导线数量，仅使用DB4至DB7引脚与单片机进行通信，首先发送数据或命令的高4位，然后发送低4位。采用四线并口通信，可以减少对微控制器I/O的需求，当设计产品过程中单片机的I/O资源紧张时，可以考虑使用此方法。图2-11LCD1602电路设计设计采用直接控制方式，对比度通过R5进行调整。2.1.6整体原理图综合以上各个模块，得原理图如图2-12所示图2-12多功能计算器原理图2.2多功能计算器硬件仿真单片机是整个系统的核心，仿真是为了检测设计的原理是否有误。图2-13计算仿真图2-14计时仿真综合以上仿真，计算器设计没有问题，功能能够完整实现，计算，计时功能都没有出现设计上的错误。2.3多功能计算器PCB设计图2-15整体PCB设计3多功能计算器程序设计为了实现各个模块的功能，并且将各个模块连接在一起使之能够实现完整功能，需要通过编写程序代码达成。程序和模块同样重要，要协调好程序和模块，还需要调试完善。图3-1程序流程图该软件编程平台选择最常用的keil软件。由于该程序不涉及潜在的驱动问题，因此选择了方便快捷的C语言编程。在编程中，程序分为四个模块：延迟模块，显示模块1602，用于处理计算表达式的堆栈模块和主要功能模块。采用模块化设计，易于调试和理解。3.1