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基于单片机设计的计算器毕业论文
基于单片机设计的计算器毕业论文
南昌工程学院
毕业设计（论文）
机械与电气工程学院（院）系电气工程及其自动化专业
毕业设计（论文）题目基于单片机设计的计算器（硬件）
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期2010年6月18日
基于单片机设计的计算器（硬件）
ThecalculatorbasedonthedesignofMCU（hardware）
总计毕业设计（论文）34页
表格6个
插图18幅
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。
作为微型机的一个主要分支，单片机在结构上的最大特点是把CPU、RAM和ROM存储器、定时器和多种I/O接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
从它的组成和功能来看，一块单片机芯片其实就是一台计算机。
本次设计是采用MSC-51单片机来设计的六位数计算器,采用C语言进行程序编写实现计算器功能。
外接4X5的键盘，通过键盘扫描来完成输入数的控制，输出采用1602液晶显示，并设有清零键可随时完成计算与显示的清零。
计算器将完成的0至99999整数的加/减/乘/除运算。
关键字：
单片机AT89S521602液晶矩阵键盘C语言
Abstract
Inrecentyears,ascomputerpenetrationinthesocialfieldandlarge-scaledevelopmentofintegratedcircuits,microcontrollerapplicationsarecontinuallydeepening,becauseofitspowerfulfunction,smallsize,lowpowerconsumption,cheap,reliable,easytouse,etc.thereforeparticularlysuitableforsystemswithcontrolofmoreandmorewidelyusedinautomaticcontrol,intelligentinstruments,meters,dataacquisition,militaryproductsandhomeappliancesfields.
Asoneofthemainbranchofmicrocomputer,microcontrollerinthestructureofthebiggestfeatureistheCPU,RAMandROMmemory,timerandmultipleI/OinterfacecircuitintegratedonaVLSIchip.Thecompositionandfunctionfromitspointofview,asinglechipisactuallyacomputer.
ThisdesignistheuseofMSC-51microcontrollertodesignthesix-digitcalculator,usingCprogramminglanguagetoachievecalculatorfunctions.4X5externalkeyboard,thekeyboardscantofinishbythenumberofcontrolvaluesandthe1602outputwithhuman-typeliquidcrystaltoachieve，andhasclearedatanytimetocompletekeycalculationanddisplayclear.Calculatortocompletefrom0to99999plus/minus/multiply/divide.
Keywords:
MCUAT89S52;LCD1602;MatrixKeyboard;Clanguage
第一章引言
单片机设计的计算器在人们的日常中是比较的常见的电子产品之一。
其特点是携带方便与价格廉价，因此广泛运用于商业交易与生活实用中，可是它还在发展之中，以后必将出现功能更加强大的计算器，基于这样的理念，本次设计用单片机来设计一个六位数的计算器。
1.1选题的依据及课题的意义
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
通过编程可加深对C语言的理解及51单片机系列的硬件、及其指令，还有从硬件上了解单片机是如何扩展外部电路的。
如：
这次用到了1602液晶，掌握了1602的硬件原理后我们可以使其与单片机相连，通过对单片机的控制，给1602发出指令或数据。
通过这次毕业设计可以学到一种学习方法，对于一块陌生的芯片，我们可通过提供给的芯片资料，了解其运作，然后达到运用的目的。
1.2研究概况及发展趋势综述
单片机设计的计算器有输入单元（按键）运算单元（MCU）显示单元（LCD）三大部分组成，键盘执行数据采集以及操作的输入，MCU按照固化好的程序运算出结果送入LCD显示。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz
性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
1.3实验设计要求
根据设计要求，设计一个计算器，预计所能达到功能如下
（1）该计算器能进行六位数的运算，即运算结果可从0到999999；
（2）能进行加减乘除4种运算，精确到小数点后三位；
（3）能对错误进行提示，比如被除数等于0，乘法运算结果大于999999等；
（4）含有清除单个最低位数据和全部输入数据的功能；
（5）能够实现加减乘除四则混合运算，能够实现连续计算，并能判断运算优先级；
（6）进行正负数运算；
1.4总体设计思路
设计主要采用以下基本模块来实现，控制器模块，输入模块，输出模块和电源模块。
通过对控制器进行编程，使其对输入模块的信号进行处理计算，然后通过输出模块反馈给使用者以计算结果。
该系统的结构框图如下图所示
图1-1系统组成方框图
第二章设计方案论证与选择
2.1控制部分的设计方案论证与选择
方案一采用单片机AT89S52芯片
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
方案二采用单片机AT89C52芯片
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
综上所述，AT89C51不支持ISP,只能采用昂贵的编程器来下程序.AT89S52支持ISP,可采用并口,用下载线,即可下程序，因此用AT89S52作为控制器，不仅功能易于实现，并且有其成本低、技术成熟和功耗小等优点，因此我们采用方案一。
2.2显示电路的设计方案论证与选择
方案一采用LCD1602型液晶显示
（一）基本特性
a、显示特性
·单5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
·内置192种字符（160个5
7点阵和32个5
10点阵字符）
·显示方式:
SIN、半透、正显
·驱动方式：
1/16DUTY，1/5BIAS
·视角方向：
6点
·背光方式：
底部LED
·通讯方式：
4位或8位并口可选
·标准的接口特性：
适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
b、物理特性如表2-1所示
表2-1物理特性
外形尺寸
80*36*14
单位
可视范围
64.6（w）
16.0（H）
mm
显示容量
16字符二行
点尺寸
0.55
0.75
mm
点间距
0.08
mm
（二）接口定义
表2-2接口定义
管脚号
符号
功能
1
VSS
电源地
2
VDD
电源电压（+5V）
3
V0
LCD驱动电压（可调）
4
RS
寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号RS=0当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器
当MPU进行读操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU是读操作还是写操作，均指向数据寄存器
5
R/W
读写控制输入端，输入MPU选择读/写操作信号：
R/W=0读操作；R/W=1写操作
6
E
使能信号输入端，入MPU选择读/写操作使能信号；
读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效
7
DB0
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
4位通讯
方式时，
不使用
DB0~7
8
DB1
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
9
DB2
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
10
DB3
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
11
DB4
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
12
DB5
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
13
DB6
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
14
DB7
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
15
A
背光灯正极
16
K
背光灯负极
LCD1602液晶有16个引脚，它能显示32个字符，且硬件电路设计简单，显示美观。
LCD1602与单片机的接口电路如图2-1所示
图2-1LCD1602与单片机接口电路
方案二采用汉字图形点阵液晶显示器RT12864M显示方案
RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形。
供电电源为3.3V~+5V（内置升压电路，无需负压），能采用并行和串行两种通信方式。
并有光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等功能。
其与单片机的接口电路如图2-2所示
图2-212864与单片机的接口电路
综上所叙，LCD1602液晶的设计简单，且能满足设计要求，故我们选择LCD1602液晶作为显示部分。
2.3单片机电源部分的设计方案论证与选择
方案一用固定式三端稳压器7805
三端稳压集成电路7805只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管。
用7805组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
常见78系列的输入输出压差为7V，所以正常范围内12V是7805的输入电压上限。
当电压再高时，虽然也可以继续稳压，但输出电流能力将受到很大影响。
因此这里使用9V电池作为电源。
如图2-3，7805系列稳压器输出固定的正电压5V,输入端接电容C1可以进一步滤除纹波,输出端接电容C2能改变负载的瞬态影响,使电路稳定工作C1、C2最好采用漏电流小的钽电容。
如果采用电解电容，电容要比图中数值增加10倍。
图2-3固定式三端稳压器
方案二用7805加一些外围器件
虽然7805三端集成稳压管内部有过流、过热和安全区的保护电路，但其输出仍有可能发生过压的危险。
因此本电路加了过压保护电路，电路如图2-4所示，该电路由稳压管VD3、电阻R3和晶闸管VS组成。
图2-4可扩流过压保护5V稳压电源
综上所述，方案一电路简单，而且已符合本次设计的要求，第二种方案所用元件较多，性价比不高，所以选择方案一。
2.4键盘设计方案论证与选择
方案一通过PS2协义,用键盘同单片机相接，从而实现单片机与键盘通信
现在PC机广泛采用的PS/2接口为miniDIN6引脚的连接器。
其引脚图为1—数据线（DATA）；2—未用；3—电源地（GND）；4—电源（+5V）；5—时钟（CLK）；6—未用。
其电路如图2-5所示
图2-5键盘与单片机接口图
由1-7图可知,使用键盘硬件结构比较简单,但键盘的体积太大。
方案二独立键盘
独立键盘为一端接地，另一端接I/O口，并且要接上拉电阻。
这种键盘的硬件都很容易实现，但每一个按键就要用一个I/O口，非常的浪费单片机的I/O口资源。
方案三自制编码键盘
如图2-6是15个按键的编码键盘所示，这种键盘有编程简单，占用资源少，但其硬件比较复杂，要用很多的二极管，不是很理想。
图2-6自制15个按键的编码键盘电路图
方案四4*5矩阵式键盘
其矩阵式键盘电路图如图2-7所示
图2-74*5矩阵式键盘电路图
综上所述，矩阵式键盘的硬件简单，使用的I/O口也不多，而且这种键盘的编程方法已很成熟。
所以本次键盘部分采用这种矩阵式键盘。
2.5单片机复位电路的设计方案论证与选择
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。
RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为11.0592MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4
s才能完成复位操作。
方案一自动上电复位电路
通过外部复位电路的RC电路充放电来实现的。
方案二手动按键复位电路
按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。
为了保证复位信号
持续时间超过4
s，从而实现复位功能，故选择电容为10
F，R2的电阻为10k。
其复位电路如下图2-8
图2-8复位电路
综上所述，自动复位需去电再通电才能复位，而手动复位电路可以随时复位，尤其是程序跑飞时，只需按下键就可以复位。
因此选择手动按键复位电路作为单片机复位电路。
2.6系统组成
经过方案最终论证与比较，最终确定的系统组成框图如图2-9所示。
其中单片机作为主控设备对采集输入信号后并进行处理，最后通过输出设备输出给使用者。
该系统的结构框图如图2-9所示
图2-9
第三章重要器件的知识介绍
3.1单片机的知识介绍
ATMEL公司生产的AT89S52型单片机是方便程序下载程序且好用，而且能够满足本设计的要求。
3.1.1单片机功能特性
（1）与MCS-51单片机产品兼容
（2）8K字节在系统可编程Flash存储器
（3）1000次擦写周期
（4）全静态操作：
0Hz～33MHz
（5）三级加密程序存储器
（6）32个可编程I/O口线
（7）三个16位定时器/计数器八个中断源
（8）全双工UART串行通道
（9）低功耗空闲和掉电模式
（10）掉电后中断可唤醒
（11）看门狗定时器
（12）双数据指针
3.1.2单片机各引脚功能说明
AT89S52的功能引脚如图3-1所示
图3-1AT89S52的引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
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。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表3-1所示
表3-1AT89S52的一些特殊功能口
管脚
备选功能
P3.0RXD
（串行输入口）
P3.1TXD
（串行输出口）
P3.2/INT0
（外部中断0）
P3.3/INT1
（外部中断1）
P3.4T0
（记时器0外部输入）
P3.5T1
（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）
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次信号将不出现。
/VPP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；当
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
3.1.3单片机时钟电路
时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚X1，输出端为引脚X2，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。
此时钟电路采用11.0592MHz的石英晶体，时钟电路如下图3-2
图3-2时钟电路
3.1.4LED提示电路
这个LED提示电路是用一个LED接单片机的一个引脚，在其引脚发出一个高电平导通。
有三个功能：
系统初始化时会闪烁、归零时会闪烁、shift功能键会闪烁。
与单片机连接的电路原理图如图3-3所示
图3-3LED提示电路
3.21602液晶显示资料
控制器内部带有80*8位（80字节）的RAM缓冲区，对应关系如图3-4所示
图3-4RAM地址映射图
设置数据指针如表3-2
表3-2数据指针
显示开/关及光标设置如表3-3
表3-3显示及光标设置
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16*2显示,5*7点阵,8为数据接口
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1开显示；C=1显示光标；B=1光标闪烁
D=0关显示；C=0不显示光标；B=0不光标闪烁
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读或写一个字符后地址指针加一，切光标加一
N=0当读或写一个字符后地址指针减一，切光标减一
S=1当读或写一个字符整屏显示左移（N=1）或右移（N=0）
S=0当写一个字符，整屏不移动
其它设置如表3-4
表3-4其它设置
指令码
功能
01H
数据指针清零所有显示清零
02H
数据指针清零
10H
光标左移数据指针加1
14H
光标右移数据指针减1
18H
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