基于单片机计算器系统设计报告.docx

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基于单片机计算器系统设计报告

单片机原理及应用设计

题目：

基于单片机的计算器设计

学院：

信息工程学院

专业：

计算机科学与技术

班级：

中软3班

姓名：

聂丽霞

学号：

2011051339

指导老师：

杜俊

基于单片机的计算器设计

摘要：

近几年单片机技术的发展很快，其中电子产品的更新速度迅猛。

计算器是日常生活中比较的常见的电子产品之一。

如何才能使计算器技术更加的成熟，充分利用已有的软件和硬件条件，设计出更出色的计算器呢。

本设计是以AT89C51单片机为核心的计算器模拟系统设计，可以进行加、减、乘、除9位带符号数字运算，并在7SEG-MPX6-CA-BLUE上显示操作过程，但是计算的结果只能在六位数允许的范围内。

本设计采用单片机作为控制芯片，用C语言对其进行编程实现，输出采用人性化的7SEG-MPX6-CA-BLUE显示实现。

对于计算这个部分我采用的是键盘，10个数字键，一个小数点键，四个符号键，一个多功能键，通过判别该多功能键连续按的次数来决定该键此时的命令。

由于C语言库函数繁多，所以我采用调用C语言库函数来解决多种运算类型，这样编程更简单，运行起来也更可靠。

关键字：

单片机，AT89C51，C语言函数。

引言说起计算器，最早的计算工具诞生在中国。

中国古代最早采用的一种计算工具叫筹策，又被叫做算筹。

这种算筹多用竹子制成，也有用木头，兽骨充当材料的。

约二百七十枚一束，放在布袋里可随身携带。

直到今天仍在使用的珠算盘，是中国古代计算工具领域中的另一项发明，明代时的珠算盘已经与现代的珠算盘几乎相同。

17世纪初，西方国家的计算工具有了较大的发展，英国数学家纳皮尔发明的"纳皮尔算筹"，英国牧师奥却德发明了圆柱型对数计算尺，这种计算尺不仅能做加减乘除、乘方、开方运算，甚至可以计算三角函数，指数函数和对数函数，这些计算工具不仅带动了计算器的发展，也为现代计算器发展奠定了良好的基础，成为现代社会应用广泛的计算工具。

1系统设计

1.1功能介绍

1.1.1基本功能

根据所学知识，自行设计一个计算器，要求自行设计供电电源，该计算器能够实现加减乘除四则混合运算，能够实现连续计算。

1.1.2功能介绍

（1）该计算器能够实现6位数以内的运算（其最大值为99999）。

（2）该计算器不能加减乘除以外的其他运算。

（3）该计算器只能进行自然数的运算。

1.2总体设计方案

1.2.1总体设计思路

本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。

1.2.2方案论证与比较

（1）控制部分的设计方案论证与选择

根据设计要求，控制器主要用于红外信号的接收和辨认、控制步进电机的动作，控制显示步进电机的转速等。

对于控制器的选择有以下二种方案。

方案一：

采用计算器专用芯片实现。

用计算器专用芯片进行设计并编程实现。

这种设计方案计算效率高、速度快、而且成本也相对较低，是厂家做计算器的最佳方案。

但是本人对计算器专用芯片掌握的不够，还不足以实现设计计算器，所以这个方案不可去。

方案二、用单片机实现。

由于单片机集成了运算器电路、控制电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等，所以用单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。

由于单片机是可编程芯片，并且它可以运用C语言编写，对于一些复杂的计算功能，可以调用C语言库函数。

使编写程序变得非常简单。

所以该课题用单片机实现，不仅功能易于实现，而且精确度高，稳定性好，抗干扰能力强。

并且由于其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，且技术比较成熟。

性价比也相当高。

更重要的是本人经过几年的学习，对单片机已有深刻的理解，并且可以灵活运用。

综上所述，并通过各个方面综合比较为达到最佳效果。

我们采用方案二利用

单片机控制器。

（2）显示电路的设计方案论证与选择

方案一：

数码管显示方案。

数码管显示使用两个四位一体动态数码管显示方案，此设计电路如图1-1所示。

采用动态数码管显示，具有程序简单，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，精确可靠，操作简单。

显示直观的特点。

但只能显示数字和一些代码，不能显示汉字及一些常用的符号，且硬件设计比较复杂。

图1-1两个四位一体数码电路图

方案二：

采用7SEG-MPX6-CA-BLUE显示方案。

7SEG-MPX6-CA-BLUE显示模块，可显示输入的数字并对其进行计算。

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。

综上所叙，7SEG-MPX6-CA-BLUE的显示效果好、功能齐全，所以我们选用7SEG-MPX6-CA-BLUE显示。

其与单片机的接口电路如图1-2所示。

图1-27SEG-MPX6-CA-BLUE与单片机的接口电路

（3）单片机电源部分的设计方案论证与选择

由于本次设计中单片机工作电源为5V，所以需要稳压，对于5V电源这里有以下两种方案。

方案一：

用固定式三端稳压器7805。

如图1-5，7805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，则电容要比图中数值增加10倍。

图1-3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1-4所示，该电路由稳压管VD3、电阻R3和晶闸管VS组成。

另外由于7805的最大输出电流为1.5A，可以通过在7805的1脚与VT1的基极相连，7805的2脚与VT1的集电极相连，这样就可输出1.6A～2A的电流。

如需更大的电流，可再并联几个大功率三极管。

图1-4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，再加上第二种方案所用元件较多，性能价格比不高，所以我们选择方案一。

（4）键盘设计方案与选择

方案一：

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，但是寻求设计方便，适合本次设计，其电路图如下所示。

图1-5独立键盘电路图

方案二：

4*4矩阵式键盘。

其电路图如图图1-5所示，这种键盘的硬件简单，使用的I/O口也不多。

其电路图如图

图1-64*4矩阵式键盘电路图

1.2.3系统组成

经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1-7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。

图1-7系统组成方框图

2重要器件的知识介绍

2.1单片机的知识介绍

由于ATMEL公司生产的AT89C51型单片机是即便于下载又好用，而且能够满足本设计的要求。

所以我选择AT89C51型单片机。

2.1.1单片机的主要性能

（1）与MCS-51单片机产品兼容

（2）8K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-33Hz

（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

（8）八个中断源

（9）全双工UART串行通道

（10）低功耗空闲和掉电模式

（11）掉电后中断可唤醒

（12）看门狗定时器

（13）双数据指针

（14）掉电标识符

2.1.2单片机的功能特性描叙

AT89C51是一种低功耗，高性能CMO58位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用ATMEL公司高密度非易使性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，迹适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89C51具有以下标准功能：

8K字节Flash、256字节RAM、32位I\O口线、看门狗定时器、2个数据指针、三个16位定时器\计数器、一个6向量2级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。

另外，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2钟软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM定时器\计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.1.3单片机的内部结构方框图及芯片引脚图

图2-1单片机的内部结构方框图

2.1.4单片机各引脚功能说明

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AT89C51的一些特殊功能口，如图表2.1。

表2.1AT89C51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）

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。

2.1.5单片机时钟电路

时钟电路用于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，电路应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。

此电路采用12MHz的石英晶体。

时钟电路如下：

图2-2时钟电路

2.1.6单片机复位电路

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12MHz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。

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

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。

在本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如下图2-3。

图2-3复位电路

2.1.7计算器的使用说明

单片机下载口电路本程序有LCD动态显示，键盘输入显示功能，以及1s计数功能。

共有2种工作状态。

程序启动时默认为计算器状态。

（1）计算器状态下：

A：

按“0”～“9”，显示相应数字；

按“ON/C”，切换到计时模式；

按其他键，显示两位数，高位是行号，低位是列号。

（2）在计时器模式下：

在停止状态按“=”则切换到计算器模式，按“ON/C”则开始计时；

在暂停状态，按“=”或“ON/C”则恢复计时；

在即计时状态，按“=”则暂停计时，按“ON/C”则停止计时，恢复到初始状态，计数为0.