简易计算器设计与实现文档格式.docx

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因此设计一款简单实用的计算器会有很大的实际意义。

本设计对字符液晶显示模块的工作原理，如初始化、清屏、显示、调用及外特性有较清楚的认识，并会使用LCD（液晶显示模块）实现计算结果的显示；

掌握液晶显示模块的驱动和编程，设计LCD和单片机的接口电路，以及利用单片机对液晶模块的驱动和操作；

在充分分析内部逻辑的概念，进行软件和调试，学会使用，并能够以其为平台设计出具有四则运算能力简易计算器的硬件电路和软件程序。

同时在进一步掌握单片机理论知识，理解嵌入式单片机系统的硬软件设计，加强对实际应用系统设计的能力。

通过本设计的学习，使我掌握单片机程序设计和微机接口应用的基本方法，并能综合运用本科阶段所学软、硬件知识分析实际问题，提高解决毕业设计实际问题的能力，为单片机应用和开发打下良好的基础。

1.设计方案

本设计可以采用两种方案，一种是以FPGA为核心处理芯片，配备相应的外设；

另外一种是以STC89C51处理器，配备相应的外设。

1.1方案论证

（1）方案一：

采用FPGA控制

FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件,自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来,FPGA的集成密度和性能提高很快,其集成密度最高达500万门/片以上,系统性能可达200MHz。

由于FPGA器件集成度高,方便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用,并一度在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头。

但是而基于SRAM编程的FPGA,其编程信息需存放在外部存储器上,需外部存储器芯片,且使用方法复杂,保密性差，而其对于一个简单的计算器而言，实用FPGA有点大材小用，成本太高。

（2）方案二：

采用STC89C51

单片机是单片微型机的简称，故又称为微控制器MCU（MicroControlUnit）。

通常由单块集成电路芯片组成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器CPU，存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机广泛用于智能产品，智能仪表，测控技术，智能接口等，具有操作简单，实用方便，价格便宜等优点，而其中STC89C51以MCS-51为内核，是单片机中最典型的代表，应用于各种控制领域[5]。

1.2方案比较与选择

通过以上两种方案论证和比较，从设计的实用性，方便性和成本出发，选择了以STC89C51单片机作为中央处理单元进行计算器的设计，这样设计能够实现对四位加减乘除和除法四位小点数的运算。

2.系统设计

为了更好的实现系统得功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则：

（1）优化硬件电路

采用软件设计与硬件设计相结合的方法；

尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器（MCU）的时间；

但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。

所以，在设计本系统得时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能的通过软件来实现硬件功能[8]。

（2）可靠实用性

根据可靠性及实用性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长。

而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越小。

因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。

（3）灵活的功能扩展

功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。

一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升级。

进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件完成。

对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下，能够通过修改软件程序，完成功能的升级和扩展[7]。

2.1系统组成及总体框图

计算器主要由STC89C51单片机组成的最小系统、1602LCD液晶显示屏及编码键盘构成。

P1、P3口：

做为输出口，控制LCD液晶显示屏显示数据的结果；

P2口：

做为输入口，与键盘连接，实现数据的输入LCD液晶显示屏显示输出，总体框图如下。

STC89C51

最小系统控制模块

图2-1系统组成及总体框图

2.2硬件原理

硬件设计是整个计算器的设计基础，只有在硬件设计完成后，才能给整个电路下载程序，从而完成该作品的完整设计。

2.2.1.单片机最小系统

最小系统的设计即单片机最小系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路。

下面给出一个51单片机的最小系统电路图。

图2-2单片机最小系统

（1）复位电路：

由一个按键开关和一个10uf的电容并联而成，一端接+5v电源，另一端接单片机的引脚9（即RST）复位键，,如图2-2所示。

一、复位电路的用途：

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

二、复位电路的工作原理在书本上有介绍，51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。

所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

（2）晶振电路：

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，两个电容分别接到晶振的两端每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF如果再考虑元件引脚的等效输入电容则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择，晶振是给单片机提供工作信号脉冲的这个脉冲就是单片机的工作速度，比如，12M晶振单片机工作速度就是每秒12M当然，单片机的工作频率是有范围的，不能太大一般24M就不上去了，不然不稳定。

晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波（也就是不希望存在的其他频率的波）这个波对电路的影响不大但会降低电路的时钟振荡器的稳定性为了电路的稳定性起见ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的。

此晶振电路由两个30uf的电容并联后，两端分别接一个12MHz的晶振，而晶振两端又分别接引脚18（XTAL2）、19（XTAL1）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

XTAL1，XTAL2接石英晶体振荡器。

如图2-2所示外接晶体引脚图。

（3）STC89C51RC

图2-3单片机STC89C51

A.主要性能：

•8051CPU与MCS-51兼容

•8K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

•全静态工作：

0Hz-33MHz

•三级加密程序存储器

　　•128*8位内部RAM

　　•32条可编程I/O线

　　•三个16位定时器/计数器

　　•八个中断源

　　•全双工UART串行通道

•低功耗的闲置和掉电模式

•掉电后中断可唤醒

•看门狗定时器

•双数据指针

•掉电标识符

•片内振荡器和时钟电路

STC89C51单片机为40引脚芯片见图2-4

B.管脚说明：

　　VCC：

供电电压。

vss：

接地。

口线：

P0、P1、P2、P3共四个八位口。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平，对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；

在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

　　此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

图2-4STC89C51引脚图

　　引脚第二功能：

　　P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

　　P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

　　P1.5MOSI（在系统编程用）

　　P1.6MISO（在系统编程用）

　　P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

　　P3口是STC89C51特殊功能（第二功能）使用，如表2-5所示。

表2-5P3口管脚备选功能：

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

　　在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

其他引脚说明：

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出