51单片机的简单计算器设计与仿真.docx
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51单片机的简单计算器设计与仿真
基于单片机的简易计算器设计与仿真
设计题目:
基于单片机的简易计算器设计与仿真
一、设计实验条件:
地点:
自动化系实验室
实验设备:
PC机(装有Keil;Protues;Word;Visio)
二、设计任务:
本系统选用AT89C51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)由于设计的计算器要进行四则运算,为了得到较好的显示效果,经综合分析后,最后采用LCD显示数据和结果。
(2)采用键盘输入方式,键盘包括数字键(0~9)、符号键(+、-、×、÷)、清除键(on\c)和等号键(=),故只需要16个按键即可,设计中采用集成的计算键盘。
(3)在执行过程中,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,当再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:
当计算器执行过程中有错误时,会在LCD上显示相应的提示,如:
当输入的数值或计算得到的结果大于计算器的表示范围时,计算器会在LCD上提示overflow;当除数为0时,计算器会在LCD上提示error。
设计要求:
分别对键盘输入检测模块;LCD显示模块;算术运算模块;错误处理及提示模块进行设计,并用Visio画系统方框图,keil与protues仿真分析其设计结果。
三、设计时间与设计时间安排:
1、设计时间:
6月27日~7月8日
2、设计时间安排:
熟悉课题、收集资料:
3天(6月27日~6月29日)
具体设计(含上机实验):
6天(6月30日~7月5日)
编写课程设计说明书:
2天(7月6日~7月7日)
答辩:
1天(7月8日)
四、设计说明书的内容:
1、前言:
(自己写,组员之间不能相同,写完后将红字删除,排版时注意对齐)
本设计是基于51系列单片机来进行的数字计算器系统设计,可以完成计算器的键盘输入,进行加、减、乘、除基本四则运算,并在LCD上显示相应的结果;设计电路采用AT89C51单片机为主要控制电路,利用MM74C922作为计算器4*4键盘的扫描IC读取键盘上的输入;显示采用字符LCD静态显示;软件方面使用C语言编程,并用PROTUES仿真。
2、设计题目与设计任务:
现实生活中人们熟知的计算器,其功能主要如下:
(1)键盘输入;
(2)数值显示;(3)加、减、乘、除四则运算;(4)对错误的控制及提示。
针对上述功能,计算器软件程序要完成以下模块的设计:
(1)键盘输入检测模块;
(2)LCD显示模块;(3)算术运算模块;(4)错误处理及提示模块。
3、主体设计部分:
(1)、系统模块图:
(2)、算术运算程序流程图:
(3)、系统总流程图:
(4)、硬件设计:
(一)、总体硬件设计:
本设计选用AT89C51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;用MM74C922为4*4键盘扫描IC,读取输入的键值。
总体设计效果如下图:
(二)、单片机接口电路说明:
1、手动上电复位电路:
当VCC上电时,C充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位;几个毫秒后,C充满,10K电阻上电流降为0,电压也为0,使得单片机进入工作状态。
工作期间,按下S,C放电。
S松手,C又充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位。
几个毫秒后,单片机进入工作状态。
2、内部时钟模式电路:
当单片机工作于内部时钟模式的时候,只需在XTAL1和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器,并接两个电容后接地即可,在使用时对于电容的选择有一定的要求:
当外接晶体振荡器的时候,电容值一般选择C1=C2=30+10pF或30-10pF;
当外接陶瓷振荡器的时候,电容值一般选择C1=C2=40+10pF或40-10pF;
3、AT89C51单片机引脚介绍:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0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AT89C51的一些特殊功能口:
RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)/INT0(外部中断0)
/INT1(外部中断1)T0(记时器0外部输入)T1(记时器1外部输入)
/WR(外部数据存储器写选通)/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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。
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指令是ALE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。
/PSEN:
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/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA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,/EA将内部锁定为RESET;当/EA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)。
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。
4、单片机与复位、时钟电路连接电路图:
(三)、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1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1矩阵键盘布局图
矩阵键盘内部电路图如图2所示:
为了进一步节省单片机I/O口资源,我们在设计中使用了MM74C922芯片。
MM74C922是一款4*4键盘扫描IC,它可检测到与之相连的4*4键盘的按键输入,并通过数据输出口将按键相应的编码输出。
其引脚图如图3所示:
图3MM94C22硬件图
MM74C922引脚说明:
(1)Y1~Y4(脚1~脚4):
4*4键盘第一列至第四。
(2)X1~X4(脚11、10、8、7):
4*4键盘第一行至第四行。
(3)DOA~DOD(DataoutA~D,脚14~17):
按键之BCD码输出,其中DOA为LSB,DOD为MSB。
(4)VCC(脚18):
电源脚,+3V~+15V。
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(5)GND(脚9):
接地管脚。
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(6)OSC(Oscillator,脚5):
键盘扫描电路之频率所需外加电容的连引脚。
(7)KBM(KeyboardMask,脚6):
内部消除开关弹跳电路所外加电容的引脚。
(8)OE(OutputEnable,脚13):
芯片使能脚,接低电位可使芯片使能。
(9)DA(DataAvailable,脚12):
数据有效输出脚。
任一按键按下时,此脚位会输出高电位,按键释放后此脚又会恢复为低电位。
MM74C922对各按键的响应如下表所示:
如下图4所示,在本设计中,计算器输入键盘的4条行线、列线分别连接到MM74C922的X1-X4、Y1-Y4引脚,MM74C922的数据输出口与单片机的P2口相连,MM74C922的DA引脚经过一个非门连接到单片机的/INT0脚,当MM74C922检测到键盘输入时,DA产生高电平,与之相连的/INT0检测到低电平,给单片机一个中断,单片机从P2口的低四位读入键盘上按下的键的值。
图4键盘接口电路图
(四)、LCD显示模块:
本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据。
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数据。
图5LCD模块
(五)运算模块(单片机控制):
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等一台计算机所需要的基本功能部件。
如果按功能划分,它由如下功能部件组成,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,尤其是特殊的独特的一些功能,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!
因此我们采用单片机作为计算器的主要功能部件,可以很快地实现运算功能。
、软件编程:
1、主函数设计:
/******************函数声明*****************/
#include<>
#include<>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
chartranslate(intkeycode);
voidarithmetic();
voidinit_LCM();
voidwrite_data(charddata);
voidwrite_com(charcommand);
voidcheck_BF();
voidclearLCD();
voiddisplay(longa);
voiddealerror();
voiddataoverflow();
/******************定义变量和数组*****************/
longx=0,y=0,num=0;
intoperators,input,iny=0;
charkey;
charerror[5]="error";
charoverflow[8]="overflow";
sbitEN=P3^4;
sbitR_W=P3^5;
sbitRS=P3^6;
/******************主函数*****************/
main()
{
EA=1;
EX0=1;
IT0=1;
P2=0xff;
display(0);
init_LCM();
write_data(0x30);
while
(1)
{
}
}
2、分块程序设计:
(1)、键盘输入检测程序设计:
有键按下时,单片机响应外部中断0,转入外部中断0中断处理函数,在中断处理函数中完成对按键的判断,以进行下一步的程序处理。
/**********键值转化为键盘上按键值函数*************/
chartranslate(intkeycode)
{
switch(keycode)
{
case0:
return'7';
break;
case1:
return'4';
break;
case2:
return'1';
break;
case3:
return'c';
break;
case4:
return'8';
break;
case5:
return'5';
break;
case6:
return'2';
break;
case7:
return'0';
break;
case8:
return'9';
break;
case9:
return'6';
break;
case10:
return'3';
break;
case11:
return'=';
break;
case12:
return'/';
break;
case13:
return'*';
break;
case14:
return'-';
break;
case15:
return'+';
break;
}
}
/***********外部中断0处理函数*************/
voidINT_0(void)interrupt0using0
{
key=translate(P2&0x0f);
if(key<='9'&&key>='0')//判断按下的键是否为数值
{
num=num*10+(key-'0');
if(operators>0)
{
y=num;
iny=1;
}
else
x=num;
if(num<8&&num>-8)//当前数值是否超出限定范围
{
display(num);
}
else
dataoverflow();
}
else
{
switch(key)
{
case'c':
x=0;
y=0;
num=0;
iny=0;
operators=0;
display(num);
break;
case'=':
arithmetic();
iny=0;
operators=0;
num=0;
break;
case'+':
if(operators)
arithmetic();
operators=1;
num=0;
break;
case'-':
if(operators)
arithmetic();
operators=2;
num=0;
break;
case'*':
if(operators)
arithmetic();
operators=3;
num=0;
break;
case'/':
if(operators)
arithmetic();
operators=4;
num=0;
break;
}
}
}
(2)、算术运算程序设计:
/**********算术运算函数*************/
voidarithmetic()
{
if(iny)
{
switch(operators)
{
case1:
x=x+y;
num=x;
if(num<8&&num>-8)
{
display(num);
}
else
dataoverflow();
break;
case2:
x=x-y;
num=x;
if(num<8&&num>-8)
{
display(num);
}
else
dataoverflow();
break;
case3:
x=x*y;
num=x;
if(num<8&&num>-8)
{
display(num);
}
else
dataoverflow();
break;
case4:
if(y==0)
dealerror();
else
{
x=x/y;
num=x;
if(num<8&&num>-8)
{
display(num);
}
else
dataoverflow();
}
break;
}
y=0;
}
}
(3)、LCD显示程序设计:
利用LCD静态显示,通过程序向LCD写指令字或数据使LCD完成不同功能或显示相应数据。
/**************LCD初始化函数*************/
voidinit_LCM()
{
write_com(0x30);
write_com(0x30);
write_com(0x30);
write_com(0x38);
write_com(0x08);
write_com(0x01);
write_com(0x06);
write_com(0x0e);
}
/***********LCD写数据函数*************/
voidwrite_data(charddata)
{
RS=1;/*写指令*/
R_W=0;
EN=1;/*使能信号开*/
P1=ddata;/*将数据送入p1口*/
EN=0;/*使能信号关*/
check_BF();
}
/***********LCD写指令函数*************/
voidwrite_com(charcommand)
{
RS=0;/*写指令*/
R_W=0;
EN=1;/*使能信号开*/
P1=command;/*将数据送入p1口*/
EN=0;/*使能信号关*/
check_BF();
}
/************LCD检查忙碌函数***********/
voidcheck_BF()
{
chari,x=0x80;
P1=0xff;
while(x&0x80)
{
RS=0;
R_W=1;
EN=1;
x=P1;
EN=0;
for(i=0;i<10;i++);
}
EN=0;/*关闭使能信号*/
}
/**********LCD清屏函数**********/
voidclearLCD()
{
write_com(0x01);
}
/**********LCD显示函数**********/
voiddisplay(longa)
{
longtemp,b,c=-1;
intlenth=1,i,j;
clearLCD();
if(a<0)
{
a=a*c;
write_data('-');
}
temp=a;
while((temp=temp/10)!
=0)
{
lenth++;
}
for(i=lenth;i>0;i--)
{
b=1;
for(j=0;j{
b=b*10;
}
write_data(0x30+a/b);
a=a%b;
}
}
(4)、错误处理及提示程序设计:
/**********除数为处理函数**********/
voiddealerror()
{
inti=0;
clearLCD();
for(i=0;i<5;i++)
write_data(error[i]);
}
/*********数值溢出处理函数**********/
voiddataoverflow()
{
inti=0;
clearLCD();
for(i=0;i<8;i++)
write_data(overflow[i]);
}
、联机调试:
在联机调试的过程中,一开始没有做数值溢出方面的控制,导致LCD显示的输入数据或计算结果与实际不相符。
后来经过计算得到有符号长整型的表示范围为-8—7,遂取2的27次方8为本计算器的最大表示范围,以此来控制数值溢出,修改后,LCD显示正确。
4、结束语:
(自己写,组员之间不能相同,写完后将红字删除,排版时注意对齐)
由于本次课程设计使用软件仿真,在没有硬件设备的情况下,我们走了很多的弯路,我们组充分按照日常安排(如前所述),分工明确,每个人都参与设计,*****************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************再次感谢我亲爱的组员,我们坚信我们是一个优秀的团队,也由衷感谢我们的答辩老师。
5、参考文献:
(自己写,组员之间不能相同,写完后将红字删除,排版时注意对齐)
【1】《*****************》**********编着*************出版社
【2】
【3】
【4】
【5】