基于单片机的计算器设计.docx
《基于单片机的计算器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的计算器设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的计算器设计
2.4矩阵按键
键盘是单片机系统中最常用的人机对话输入设备，用户通过键盘向单片机输入数据或指令。
键盘控制程序需完成的任务有：
监测是否有键按下，有键按下时，若无硬件去抖动电路时，应用软件延时方法消除按键抖动影响；当有多个键同时按下时，只处理一个按键，不管一次按键持续多长时间，仅执行一次按键功能程序。
矩阵按键扫描程序是一种节省I/O口的方法,按键数目越多节省I/O口就越可观，思路：
先判断某一列（行）是否有按键按下，再判断该行（列）是哪一只键按下。
但是，在程序的写法上，采用了最简单的方法，使得程序效率最高。
本程序中，如果检测到某键按下了，就不再检测其它的按键，这完全能满足绝大多数需要，又能节省大量的CPU时间。
2.5计算器设计总体思想
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。
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（+、-、*、/）、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机键盘。
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。
4、错误提示：
当单片机执行程序中有错误时，会在LCD上显示相应的提示，如：
当输入的数值或计算器得到的结果大于计算器的显示范围时，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。
第三章硬件系统设计
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静态显示。
按键部分，采用4*4键盘。
硬件电路原理图如图3.1所示：
图3.1硬件电路原理图
3.1键盘接口电路
计算机输入数字和其他功能按键时要用到很多按键，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样的方式，而是采用矩阵键盘的方式。
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。
这样键盘上按键的数量就为4*4个。
这样行列式键盘结构能有效的提高单片机系统中I/O口的利用率。
计算器的键盘布局如图3.2所示：
一般有16个键组成，在单片机中正好有一个P端口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中最常用。
图3.2矩阵键盘内部电路
3.2LCD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3.3LCD接口电路
LCD的引脚说明如表3.1所示：
表3.1LCD的引脚说明
符号
引脚说明
符号
引脚说明
VSS
电源地
DB4
DataI/O
VDD
电源正极（+5V）
DB5
DataI/O
V0
液晶显示偏压输入
DB6
DataI/O
RS
数据/命令选择端（H/L）
DB7
DataI/O
R/W
读写控制信号（H/L）
CS1
片选IC1信号
E
使能信号
CS2
片选IC2信号
DB0
DataI/O
RST
复位端（H：
正常工作，L：
复位）
DB1
DataI/O
VEE
负电源输出（-10V）
DB2
DataI/O
BLA
背光源正极（+4.2）
DB3
DataI/O
BLK
背光源正极
3.3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/，则要判断除数是否为零，为零时显示错误提示，不为零显示运算结果。
第四章软件设计
4.1汇编语言和C语言的特点及选择
本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。
在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。
机硬件，程序可读性和可移植性比较差。
而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。
由于现在单片机的发展已经达到了很高的水平，内部的各种资源相当的丰富，CPU的处理速度非常的快。
用C语言来控制单片机无疑是一个理想的选择。
所以在本设计中采用C语言编写软件程序。
主程序的设计详见附录三。
4.2键扫程序设计
键扫程序的过程为：
开始时，先判断是否有键闭合，无键闭合时，返回继续判断，有键闭合时，先去抖动，然后确定是否有键按下，若无键按下，则返回继续判断是否有键闭合，若有键按下，则判断键号，然后释放，若释放按键完毕，则返回，若没有释放按键，则返回继续释放。
其流程图如图4.1所示。
图4.1键扫程序流程图
4.3算术运算程序设计
算术运算程序的过程为：
先判断输入的运算符是+、-、*、/中的哪一个，若是+或-，则要判断运算结果是否溢出，溢出则显示错误信息，没溢出就显示运算结果，若是/，则要先判断除数是否为零，为零就显示错误信息，不为零则显示运算结果，若是-，则直接显示运算结果。
其流程图如图4.2所示。
图4.2算术运算程序设计流程图
4.4显示程序设计
显示程序的过程为：
显示开始时，先进行LCD的初始化，判断是否显示汉字或ACSII码或图形，若不显示，则返回，若显示的是汉字或ACSII码，则进行相应功能的设置，然后送地址和数据，再判断是否显示完,显示完则返回，没有显示完则继续送地址，若显示的是图形，则先进行相应功能的设置，再送行地址和列地址，然后送数据，最后判断是否显示完，显示完则返回，没有显示完则继续送行地址和列地址。
其流程图如图4.3所示。
图4.3显示程序流程图
第五章系统调试与存在的问题
5.1硬件调试
常见故障：
1、逻辑错误：
它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。
这类错误包括错线、开路、短路等。
2、元器件失效：
有两方面的原因：
一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、集成电路安装方向错误等。
3、可靠性差：
因其可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动；走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。
4、电源故障：
若样机由电源故障，则加电后很容易造成器件损坏。
电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对，功率不足，负载能力差等。
调试方法：
包括多级调试和联机调试。
在调试过程中要针对可能出现的故障认真分析，直至检查出原因并排除。
本次硬件调试过程中，对所出现的问题进行了认真的分析和改正，最后能够很好的达到设计要求的效果。
5.2软件调试
软件调试一般分为以下四个阶段：
1、编写程序并查错；2、在C语言的编译系统中编译源程序3、对程序进行编译连接，并及时发现程序中存在的错误；4、改正错误。
在本次调试中出现的问题有：
1、在程序中有的函数名未定义；
2、在抄录程序时，少录入一些字符，如：
“；”、“{”、“-”等符号，而出现错误；
3、有一些函数名录入时少写一个字母或顺序颠倒；
4、没有注意函数名的调用及定义；
5、芯片引脚定义出错而导致没有实验现象。
在软件调试过程中，对出现的错误进行了认真的分析和修改，多次调试成功后，能够很好的达到既定的设计效果。
总结
我的题目是简易计算器的设计，对于我们这些实践中的新手来说，这是一次考验。
怎样才能找到课堂所学与实际应用的最佳结合点？
怎样让自己的业余更接近专业？
怎样让自己的计划更具有序性，而不会忙无一用？
这都是我们所要考虑和努力的。
这次课程设计我学到很多很多的东西，学会了怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。
不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到过的知识，掌握了一种系统的研究方法，可以进行一些简单的编程。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，例如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对C语言掌握得不够好等。
这次毕业设计的完成要特别感谢我的导师马磊娟老师，在教学繁忙、事务缠身的情况下，马老师多次抽出时间，对我的论文进行悉心的指导，从论文的选题到论文的总体框架，再到论文撰写过程中的语言组织，她都进行了细致的批阅，使得我的论文越来越规整，更加符合标准。
在这里真诚地对所有关心我、帮助我、鼓励我的老师、同学、朋友道声:
“谢谢!
”
参考文献
[1]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计（第二版）．北京航天航空大学出版社,2004.9
[2]孙育才等.MCS-51系列单片微型计算机及其应用（第4版）．东南大学出版社，2004.3
[3]李萍等.智能仪器实验指导书．大连交通大学，2007.9
[4]单片机应用技术（C语言）.中国劳动社会保障出版社，2006.6
[5]武庆生,仇梅等著.单片机原理与应用.电子科技大学出版,1998.12
[6]朱定华著.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2001.4[7]王宜怀,刘晓升等著.嵌入式应用技术基础教程.北京清华大学出版社,2005.7
[8]王威著.HCS12微控制器原理及应用.北京航空航天大学出版社,2007.10
[9]龚运新著.单片机C语言开发技术.北京清华大学出版社,2006.10
[10]周立功.单片机实验与实践.北京航空航天大学出版社，2004.3
附录
附录一：
计算器硬件连线图
附录二：
元器件清单
8051芯片
1个
LCD显示屏
1个
三极管
7个
1K电阻
20个
电容
3个
晶振
1个
按键
20个
排插及排线
5对
开关
1个
电源接口
1个
附录三：
源程序
str[6]=str[5]=str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=10;
str1[6]=str1[5]=str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1#include//51
单片机基本定义头文件
#include
#include//循环位移头文件
#defineucharunsignedchar//宏定义
#defineuintunsignedint
sbitP1_4=P1^4;//I/O端口定义（矩阵扫描后4位端口）
sbitP1_5=P1^5;
sbitP1_6=P1^6;
sbitP1_7=P1^7;
uchari,nums;
ucharwei,wei2,ss,ss1,ss2,str[]={0,0,0,0,0,0,0};
longtemp,temp1,str[]={10,10,10,10,10,10,10};
ucharcodedutable[]={//段位编码
0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,
0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,
0xc6,0xa1,0x86,0x8e};
ucharcodewetable[]={
0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};
voidinit（）;//函数声明
voidpanduan（）;
voiddisplay（）;
voiddelay（uintz）;
voidshaomiao（）;
voidmain（）//主函数
{
init（）;//调用变量初始化函数
while
（1）//大循环
{
shaomiao（）;//调用矩阵扫描加处理函数
diaplay（）;//调用显示函数
}
}
voidinit（）
{
ss2=0;
wei2=1;
temp1=0;
ss=0;
ss1=0;
temp=0;
wei=0;
num=0;
}
voiddelay（uintz）//延时函数（单位ms）
{
uchari;
uintj;
for（j=z;j>0;j--）
for（i=114;i>0;i--）;
}
voidshaomiao（）//扫描加处理函数
{
for（i=0,s=0xfe;i<4;i++）//低四位端口依次赋值1
{
P1=s;//对P1口赋值
panduan（）;//调用判断处理函数
s=_crol_（s,1）;//s循环位左移
s=sl0xf0;//进行位或运算（使高4位复原）
}
}
voidpanduan（）
{
ucharn;
if（P1_4==0||P1_5==0||P1_6==0||P1_7==0）
{
delay（10）;
P1=sl0xf0;
if（P1_4==0||P1_5==0||P1_6==0||P1_7==0）
{
if（P1_4==0）
{n=1;num=i*4+n-1;}
elseif（P1_5==0）
{n=2;num=i*4+n-1;}
elseif（P1_6==0）
{n=3;num=i*4+n-1;}
elseif（P1_7==0）
{n=4;num=i*4+n-1;}
if（num<10&&wei!
=7）
{
wei++;
if（ss1==1）
{
temp=0;
str[6]=str[5]=str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=10;
str1[6]=str1[5]=str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;
ss1=0;
}
str[wei]=num;
if（str[1]!
=10）temp=str[1];
if（str[2]!
=10）temp=str[1]*10+str[2];
if（str[3]!
=10）temp=str[1]*100+str[2]*10+str[3];
if（str[4]!
=10）temp=str[1]*1000+str[2]*100+str[3]*10+str[4];
if（str[5]!
=10）temp=str[1]*10000+str[2]*1000+str[3]*100+str[4]*10+str[5];
if（str[6]!
=10）temp=str[1]*100000+str[2]*10000+str[3]*1000+str[4]*100+str[5]*10+str[6];
}
if（num>=10）
{
wei=0;
if（num==10）
{
temp=0;
l[1]=0;
wei=0;
temp1=0;
ss=0;
wei2=1;
}
if（ss1==0&&num==11||（ss1==0&&ss2!
=0&&num>>11&&num<16））
{
if（num==11）
ss2=0;
switch（ss）
{
case0:
break;
case1:
temp=temp1;break;
case2:
temp=temp1-temp;break;
case3:
temp=temp*temp1;break;
case4:
temp=temp1/temp;break;
}
if（temp>999999）
temp=0;
ss1=1;
}
if（num==12）
{
temp1=temp;
ss=1;ss1=1;ss2=1;
}
if（num==13）
{
temp1=temp;
ss=2;ss1=1;ss2=1;
}
if（num==14）
{
temp1=temp;
ss=3;ss1=1;ss2=1;
}
if（num==15）
{
ss=4;ss1=1;ss2=1;
}
}
}
str1[6]=temp/100000;
str1[5]=temp%100000/10000;
str1[4]=temp%10000/1000;
str1[3]=temp%1000/100;
str1[2]=temp%100/10;
str1[1]=temp%10/1;
if（str1[1]!
=0）
wei2=1;
if（str1[2]!
=0）
wei2=2;
if（str1[3]!
=0）
wei2=3;
if（str1[4]!
=0）
wei2=4;
if（str1[5]!
=0）
wei2=5;
if（str1[6]!
=0）
wei2=6;
}
while（P1_4==0||P1_5==0||P1_6==0||P1_7==0）;
}
voiddisplay（）
{
chari1;
for（i1=1;i1{
P2=wetable[0];
P3=dutable[14];
}
else
{
P2=wetable[i1-1];
P3=dutable[str1[i1]];
delay（10）;
P3=0xff;
}
}
升级会员 