基于单片机简易计算器的设计说明.docx
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基于单片机简易计算器的设计说明
《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
08
专业
电气工程与其自动化
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。
利用此设计熟悉单片机微控制器与C语言编程，对其片资源与各个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
1课程设计容………………………………………………………………………2
1.1任务容………………………………………………………………………2
1.2任务分析………………………………………………………………………2
2计算器设计基本原理………………………………………………………………3
2.1AT89C51系列单片机简介……………………………………………………3
2.2LCD显示模块…………………………………………………………………6
2.3运算模块……………………………………………………………………8
2.4键盘接口电路………………………………………………………………9
3主程序设计………………………………………………………………………10
4结论…………………………………………………………………………………
4系统仿真图………………………………………………………………………22
1.课程设计容
1.1任务容
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外现状与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与外围扩展电路的设计方法；
3、了解单片机数据转换功能与工作过程；
4、完成主要功能模块的硬件电路设计与必要的参数确定；
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》等所学相关知识与查阅资料，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。
2.189c51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（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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与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
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：
2.2LCD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、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、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2.31602LCD引脚图
表2.4LCD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）
E
使能信号
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
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，中断系统与特殊功能寄存器（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、高效率以与高可靠性，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。
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，这种形式在单片机系统中也最常用。
图2.5矩阵键盘部电路图
第三章主程序设计
KeilC51是美国KeilSoftware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。
KeilC51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KeilC51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KeilC51开发系统各部分功能和使用。
KeilC51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C51forWindows和forDOS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与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
#include
#include"LCD1602.h"
#include"keyboard.h"
#include"calculation.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
doublenum[2];
ucharsign[2];
ucharnumble1[10];
ucharnumble2[10];
voidmain（）
{inti=0,j=0,k=0,flag=0,a=0,b,c=0,e=0,opNum=0;
longintsum1,sum0;
doublesum2;
init（）;
write_（0x80）;
while（!
mark）
{matrixkeyscan（）;}
mark=0;
while（expression[j]!
='='）
{
if（!
In（expression[j],OP））//如否不是运算符就入操作数栈
{
if（opNum==0）
{opNum=expression[j]-48;
++j;
if（In（expression[j],OP））
flag=1;
}
else
{
opNum=opNum*10+（expression[j]-48）;
++j;
if（In（expression[j],OP））
flag=1;
}
if（flag==1）
{
num[i]=opNum;
opNum=0;
i++;
flag=0;
}
}
else
{sign[k]=expression[j];
++j;
k++;}
}
sum1=Operator（num[0],sign[0],num[1]）;
sum2=Operator（num[0],sign[0],num[1]）;
sum0=sum1;
while（sum1!
=0）
{numble1[a]=sum1%10+48;
sum1=sum1/10;
a++;
}
b=strlen（numble1）;
write_（0x80+0x40）;
for（c=b-1;c>=0;c--）
{write_data（numble1[c]）;
delayms（10）;}
write_data（'.'）;
sum2=sum2*1000;
sum0=sum2-sum0*1000;
numble2[0]=sum0/100+48;
numble2[2]=sum0%10+48;
numble2[1]=（sum0/10）%10+48;
if（numble2[2]>=（5+48））
numble2[1]=numble2[1]+1;
write_data（numble2[0]）;
delayms（5）;
write_data（numble2[1]）;
delayms（5）;
while
（1）;
}
//**************************
//键盘扫描程序驱动
//文件名：
keyboard.h
//**************************
#ifndef__keyboard_H__
#define__keyboard_H__
#include
#include"LCD1602.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintmove=0;
ucharmark=0;
ucharcodetable[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
ucharexpression[20];
ucharcodeOP[]={'+','-','*','/','=','\n'};
voidmatrixkeyscan（）
{
uchartemp,key;
P3=0xfe;
temp=P3;
temp=temp&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{delayms（10）;
temp=P3;
temp=P3&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
switch（temp）
{
case0xee:
key=0;break;
case0xde:
key=1;break;
case0xbe:
key=2;break;
case0x7e:
key=3;break;
}
while（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
temp=temp&0xf0;
}
write_data（table[key]）;
delayms（5）;
expression[move]=table[key];
move++;
}
}
P3=0xfd;
temp=P3;
temp=temp&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{delayms（10）;
temp=P3;
temp=P3&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
switch（temp）
{case0xed:
key=4;break;
case0xdd:
key=5;break;
case0xbd:
key=6;break;
case0x7d:
key=7;break;
}
while（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
temp=temp&0xf0;
}
write_data（table[key]）;
delayms（5）;
expression[move]=table[key];
move++;
}
}
P3=0xfb;
temp=P3;
temp=temp&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{delayms（10）;
temp=P3;
temp=P3&0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
switch（temp）
{case0xeb:
key=8;break;
case0xdb:
key=9;break;
case0xbb:
key=10;break;
case0x7b:
key=11;break;
}
while（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
temp=temp&0xf0;
}
if（key<10）
{write_data（table[key]）;
delayms（5）;}
else
{write_data（OP[key-10]）;
delayms（5）;}
expression[move]=table[key];
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）
{case0xe7:
key=12;break;
case0xd7:
key=13;break;
case0xb7:
key=14;break;
case0x77:
key=15;break;
}
while（temp!
=0xf0）
{temp=P3;
temp=temp&0xf0;
}
if（key==14）
mark=1;
write_data（OP[key-10]）;
delayms（5）;
expression[move]=table[key];
move++;
}
}
}
#endif
//***********************************************
//LCD1602驱动程序
//文件名：
LCD1602.h
//***********************************************
#ifndef__LCD1602_H__
#define__LCD1602_H__
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitlcden=P2^4;
sbitlcdrs=P2^5;
voiddelayms（uintxms）
{uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidwrite_（uchar）
{lcdrs=0;
P0=;
delayms（5）;
lcden=1;
delayms（5）;
lcden=0;
}
voidwrite_data（uchardate）
{lcdrs=1;
P0=date;
delayms（5）;
lcden=1;
delayms（5）;
lcden=0;
}
voidinit（）
{
lcden=0;
write_（0x38）;
write_（0x0c）;
write_（0x06）;
write_（0x01）;
}
#endif
//***************************************************
//数学计算程序
//文件名：
calculation.h
//****************************************************
#ifndef__calculation_H__
#define__calculation_H__
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
doubleOperator（doublefirst,chartheta,doublesecond）
{
switch（theta）
{
case'+':
returnfirst+second;
break;
case'-':
returnfirst-second;
break;
case'*':
returnfirst*second;
break;
case'/':
returnfirst/second;
break;
default:
break;
}
}
charIn（charc,char*OP）
{
inti=0;
while（OP[i]!
='\0'）
{
if（OP[i]==c）
{
return1;
}
i++;
}
return0;
}
#endif
附图1:
程序流程图
附图2:
总体仿真图
结论
通过这次对交通灯的简单设计，使我们增强了动手的能力，也拓宽了知识面，在图书馆查阅相关书籍，让我们增加了对单片机方面的了解，能把学到的知识用活，而不只局限于理论方面。
通过亲自设计，proteus仿真，对交通灯有了初步的了解，同时也加深了对单片机方面的软件应用的掌握，为以后的学习奠定了基础。
而且，这次课程设计是对以前学过的知识进行了巩固，加深了理解，提高了应用的能力，提高了我们的发现、分析、解决问题的能力。
经历了从最初的设计到最后仿真结果的出现，从根本上提高了
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