简易计算器课程设计论文.docx
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简易计算器课程设计论文
51单片机简易计算器设计
一、设计任务和要求.................................2
1、设计要求......................................2
2、设计方案的确定.................................2
二、硬件设计.......................................2
1、单片机最小系统...................................2
2、键盘电路的设计.................................3
3、显示电路的设计.................................3
4、系统硬件电路图.................................4
三、软件设计.......................................5
1系统设计......................................5
2显示电路的设计.................................6
3、程序清单......................................8
四、调试与仿真.....................................14
五、试验箱实物图...................................14
六、心得体会.......................................15
1、设计任务和要求
1、设计要求
利用单片机设计并制作简易计算器。
具体要求如下：
1、4*4按键用于0~9的数字输入、加减乘除、等于、清零功能；
2、能实现简单的加减乘除运算；
3、输入数字及计算结果通过LED或LCD显示器显示。
2、设计方案的确定
按照设计要求，本课题需要使用数码管显示和扩展4*4键盘，由于AT89C51芯片的I口不够多，而且为了硬件电路设计的简单化，故选择串行动态显示和用P1口扩展4*4键盘，扩展的4*4键盘定义十个数字键，六个功能键，使用串行动态显示显示运算结果。
主程序进行初始化，采用行列扫描进行查表得出键值，每次按键后调用显示子程序。
二、硬件设计
简易数字计算器系统硬件设计主要包括：
键盘电路，显示电路以及其他辅助电路。
下面分别进行设计。
1.单片机最小系统
单片机最小系统就是支持主芯片正常工作的最小部分，包括主控芯片、复位电路和晶振电路。
（1）、复位电路
复位电路
本设计采用上电与手动复位电路，电阻分别选取100和10K，电容选取10uF，系统一上电，芯片就复位，或者中途按按键也可以进行复位。
（2）、晶振电路
图三晶振电路
晶振电路是单片机的心脏，它用于产生单片机工作所需要的时钟信号。
单片机的晶振选取11.0592MHz，晶振旁电容选取30pF。
2.键盘电路的设计
键盘可分为两类：
编码键盘和非编码键盘。
编码键盘是较多按键（20个以上）和专用驱动芯片的组合，当按下某个按键时，它能够处理按键抖动、连击等问题，直接输出按键的编码，无需系统软件干预。
通用计算机使用的标准键盘就是编码键盘。
当系统功能比较复杂，按键数量很多时，采用编码键盘可以简化软件设计。
但大多数智能仪器和电子产品的按键数目都不太多（20个以内），为了降低成本和简化电路通常采用非编码键盘。
非编码键盘的接口电路有设计者根据需要自行决定，按键信息通过接口软件来获取。
本课题需要的是16个按键，故选择用非编码键盘。
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五所示：
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。
具体电路连接如图所示：
4*4键盘接口电路
3.显示电路的设计
当系统需要显示少量数据时，采用LED数码管进行显示是一种经济实用的方法。
数码管显示有静态显示和动态显示两种方法。
为了减少端口的使用，故选择动态显示。
电路如下图所示：
4、系统硬件电路图
总电路原理图
三、软件设计
在十进制计算器的软件规划要求下，简易计算器的程序主要包括以下功能模块：
（1）主模块，为系统的初始化。
（2）显示与读键模块，分为判键程序段、运算操作子程序、显示子程序等部分；
1.系统设计
（一）系统模块图
图六系统模块图
此系统包括输入、运算和显示模块，由单片机控制。
其中通过输入键盘模块将数字0~9和运算符号“+”、“-”、“*”、“/”输入单片机进行运算；运算模块分别根据输入的运算符进行加减乘除运算；显示模块将运算后的数值通过动态扫描使之在数码管上输出。
（2）系统总流程图
主程序主要是用来进行初始化的，调用其他子程序，清空各个标志位，清空缓存区，读取键码，判断功能，在LED上作出回应，主程序流程图如图六所示。
（1）数字送显示缓冲程序设计
简易计算器所显示的数值最大位三位。
要显示数值，先判断数值大小和位数，如果是超过三位或大于255，将不显示数字。
可重新输入数字，再次计算。
（2）运算程序的设计
首先初始化参数，送LED三位显示“0”，其它位不显示。
然后扫描键盘看是否有键输入，若有，读取键码。
判断键码是数字键、清零键还是功能键，是数值键则送LED显示并保存数值，是清零键则做清零处理，是功能键则又判断是“=”还是运算键，若是“=”则计算最后结果并送LED显示，若是运算键则保存相对运算程序的首地址。
图七主程序流程图
2、显示与按键设计
（1）LED显示程序设计
LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也称为七段LED显示器。
为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。
七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。
简易计算器用到的数字0~9的共阳极字形代码如下表：
显示字型
g
f
e
d
c
b
a
段码
0
0
1
1
1
1
1
1
0c0h
1
0
0
0
0
1
1
0
0f9h
2
1
0
1
1
0
1
1
0a4h
3
1
0
0
1
1
1
1
0b0h
4
1
1
0
0
1
1
0
99h
5
1
1
0
1
1
0
1
92h
6
1
1
1
1
1
0
1
82h
7
0
0
0
0
1
1
1
0f8h
8
1
1
1
1
1
1
1
80h
9
1
1
0
1
1
1
1
90h
表一共阳极数码管段码对照表
（2）读键子程序设计
为了实现键盘的数据输入功能和命令处理功能，每个键都有其处理子程序，为此每个键都对应一个码——键码。
为了得到被按键的键码，现使用行扫描法识别按键。
其程序框图如图八：
读键程序使用的是反转法读键，不管键盘矩阵的规模大小，均进行两次读键。
第一次所有列线均输出低电平，从所有读入键盘信息（行信息）；第二次所有行线均输出低电平，从所有行线读入键盘信息（列信息）。
将两次读键信息进行组合就可以得到按键的特征编码，然后通过查表得到按键的顺序编码。
将各特征编码按希望的顺序排成一张表，然后用当前读得的特征码来查表。
当表中有该特征码时，它的位置就是对应的顺序编码；当表中没有该特征码时，说明这是一个没有定义的键码，与没有按键（0FFH）同等看待。
图八计算键值子程序流程图
3、程序清单
YJEQU50H;结果存放
YJ1EQU51H;中间结果存放
GONGEQU52H;功能键存放
ORG00H
START:
MOVR3,#0;初始化显示为空
MOVGONG,#0
MOV32H,#00H
MOV33H,#00H
MOV34H,#00H
MLOOP:
CALLDISP;调显示子程序
WAIT:
CALLTESTKEY;判断有无按键
JZWAIT
CALLGETKEY;读键
INCR3;按键个数
CJNEA,#0,NEXT1;判断是否数字键
LJMPE1;转数字键处理
NEXT1:
CJNEA,#1,NEXT2
LJMPE1
NEXT2:
CJNEA,#2,NEXT3
LJMPE1
NEXT3:
CJNEA,#3,NEXT4
LJMPE1
NEXT4:
CJNEA,#4,NEXT5
LJMPE1
NEXT5:
CJNEA,#5,NEXT6
LJMPE1
NEXT6:
CJNEA,#6,NEXT7
LJMPE1
NEXT7:
CJNEA,#7,NEXT8
LJMPE1
NEXT8:
CJNEA,#8,NEXT9
LJMPE1
NEXT9:
CJNEA,#9,NEXT10
LJMPE1
NEXT10:
CJNEA,#10,NEXT11;判断是否功能键
LJMPE2;转功能键处理
NEXT11:
CJNEA,#11,NEXT12
LJMPE2
NEXT12:
CJNEA,#12,NEXT13
LJMPE2
NEXT13:
CJNEA,#13,NEXT14
LJMPE2
NEXT14:
CJNEA,#14,NEXT15
LJMPE2
NEXT15:
LJMPE3;判断是否清除键
E1:
CJNER3,#1,N1;判断第几次按键
LJMPE11;为第一个数字
N1:
CJNER3,#2,N2
LJMPE12;为第二个数字
N2:
CJNER3,#3,N3
LJMPE13;为第三个数字
N3:
LJMPE3;第四个数字转溢出
E11:
MOVR4,A;输入值暂存R4
MOV34H,A;输入值送显示缓存
MOV33H,#00H
MOV32H,#00H
LJMPMLOOP;等待再次输入
E12:
MOVR7,A;个位数暂存R7
MOVB,#10
MOVA,R4
MULAB;十位数
ADDA,R7
MOVR4,A;输入值存R4
MOV32H,#00H;输入值送显示缓存
MOV33H,34H
MOV34H,R7
LJMPMLOOP
E13:
MOVR7,A
MOVB,#10
MOVA,R4
MULAB
JBOV,E3;输入溢出
ADDA,R7
JBCY,E3;输入溢出
MOVR4,A
MOV32H,33H;输入值送显示缓存
MOV33H,34H
MOV34H,R7
LJMPMLOOP
E3:
MOVR3,#0;按键次数清零
MOVR4,#0;输入值清零
MOVYJ,#0;计算结果清零
MOVGONG,#0;功能键设为零
MOV32H,#00H;显示清空
MOV33H,#00H
MOV34H,#00H
LJMPMLOOP
E2:
MOV34H,#00H
MOV33H,#00H
MOV32H,#00H
MOVR0,GONG;与上次功能键交换
MOVGONG,A
MOVA,R0
CJNEA,#10,N21;判断功能键
LJMPJIA;"＋"
N21:
CJNEA,#11,N22
LJMPJIAN;"－"
N22:
CJNEA,#12,N23
LJMPCHENG;"*"
N23:
CJNEA,#13,N24
LJMPCHU;"/"
N24:
CJNEA,#0,N25
LJMPFIRST;首次按功能键
N25:
LJMPDEN;"="
N4:
LJMPE3
FIRST:
MOVYJ,R4;输入值送结果
MOVR3,#0;按键次数清零
LJMPDISP1;结果处理
JIA:
MOVA,YJ;上次结果送累加器
ADDA,R4;上次结果加输入值
JBCY,N4;溢出
MOVYJ,A;存本次结果
MOVR3,#0;按键次数清零
LJMPDISP1
JIAN:
MOVA,YJ
SUBBA,R4;上次结果减输入值
JBCY,N4;负数溢出
MOVYJ,A
MOVR3,#0
LJMPDISP1
CHENG:
MOVA,YJ
MOVB,A
MOVA,R4
MULAB;上次结果乘输入值
JBOV,N4;溢出
MOVYJ,A
LJMPDISP1
CHU:
MOVA,R4
MOVB,A
MOVA,YJ
DIVAB;上次结果除输入值
MOVYJ,A
MOVR3,#0
LJMPDISP1
DEN:
MOVR3,#0
LJMPDISP1
DISP1:
MOVB,#10
MOVA,YJ;结果送累加器
DIVAB;结果除10
MOVYJ1,A;暂存"商"
MOVA,B;取个位数
MOV34H,A;个位数送显示缓存
MOVA,YJ1
JZDISP11;结果是否为一位数
MOVB,#10
MOVA,YJ1
DIVAB
MOVYJ1,A
MOVA,B
MOV33H,A;十位送显示缓存
MOVA,YJ1
JZDISP11;结果是否为二位数
MOV32H,A;百位数送显示缓存
DISP11:
LJMPMLOOP
DISP:
MOVR0,#34H
DIR1:
MOVDPTR,#SEGTAB
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
CJNER0,#34H,DIR2
SETBP2.0
CALLD1MS
CLRP2.0
DECR0
SJMPDIR1
DIR2:
CJNER0,#33H,DIR3
SETBP2.1
CALLD1MS
CLRP2.1
DECR0
SJMPDIR1
DIR3:
SETBP2.2
CALLD1MS
CLRP2.2
RET
D1MS:
MOVR7,#02H
DMS:
MOVR6,#0F0H
DJNZR6,$
DJNZR7,DMS
RET
SEGTAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H
DB99H,92H,82H,0F8H
DB80H,90H,88H,83H
DB0C6H,0A1H,86H,8EH
TESTKEY:
ACALLDISP
MOVP1,#0FH;读入键状态
MOVA,P1
CPLA
ANLA,#0FH;高四位不用
RET
KEYTABLE:
DB0EEH,0EDH,0DDH,0BDH;键码定义
DB0EBH,0DBH,0BBH,0E7H
DB0D7H,0B7H,0DEH,0BEH
DB07EH,07DH,07BH,077H
GETKEY:
MOVR6,#10;读键子程序
ACALLDELAY
MOVP1,#0FH
MOVA,P1
CJNEA,0FH,K12
LJMPMLOOP
K12:
MOVB,A
MOVP1,#0EFH
MOVA,P1
CJNEA,#0EFH,K13
MOVP1,#0DFH
MOVA,P1
CJNEA,#0DFH,K13
MOVP1,#0BFH
MOVA,P1
CJNEA,#0BFH,K13
MOVP1,#07FH
MOVA,P1
CJNEA,#07FH,K13
LJMPMLOOP
K13:
ANLA,#0F0H
ORLA,B
MOVB,A
MOVR1,#16
MOVR2,#0
MOVDPTR,#KEYTABLE
K14:
MOVA,R2
MOVCA,@A+DPTR
CJNEA,B,K16
MOVP1,#0FH
K15:
MOVA,P1
CJNEA,#0FH,K15
MOVR6,#10
ACALLDELAY
MOVA,R2
RET
K16:
INCR2
DJNZR1,K14
AJMPMLOOP
;10ms延时子程序
DELAY:
MOVR7,#10
TS1:
MOVR6,#0FFH
TS2:
NOP
NOP
DJNZR6,TS2
DJNZR7,TS1
RET
END
4、调试与仿真
在Proteus中将硬件电路全部接好以后，将Keil中生成的.hex文件导入到单片机中，点击开始仿真按钮，电路开始仿真。
可以观察到：
数码管显示“000”。
分别依次按下按键“9”、“*”、“9”和“=”，可以看到数码管显示“81”；也可以分别调试其它功能键，结果发现调试结果与预期的理论值相吻合，即本次课程设计已成功。
5、试验箱实物图
6、心得体会
为期两周的单片机课程设计结束了，在老师的指导下，终于完成了我们的设计任务-简易计算器。
总的来说，这次课程设计是比较成功的。
当然，这其中也经历了许多坎坷，但是在我的坚持不懈下，在老师的细心指导下，在同学们的热情帮助下，最终克服了种种困难，取得了成功。
刚开始接到这个计算器的课程设计任务时，由于缺乏编写大量程序的经验，不能如行云流水般的将全部的各部分代码写出，于是去网上查找相关资料，了解计算器的输入控制原理、运算处理以及显示的原理。
了解之后自己尝试编写程序，在此过程中，其中键盘扫描和动态扫描显示扫描程序困扰了我很久，经过八九天的辛苦工作，终于初步把所需要的程序编好了，于是就用Keiluversion2进行仿真，在仿真期间也发现了许多错误，经过反复的编译差错，仿真编译通过后，于是开始在Proteus中连硬件电路，全部接完电路之后将Keil生成的.Hex文件导入进行仿真，发现软件与硬件不能够对应协调工作，于是分别对软件和硬件进行检查，经过反复的仿真调试，并且在同学的帮助和自己对每个子程序进行仿真观察下，终于在课设快结束时成功的调试出结果了。
这就是我这两周课程设计的经过，看似简单，过程却曲折艰辛。
通过这次课程设计，我进一步加深了对电子自动控制的了解。
并进一步熟练了对Keil和Proteus软件的操作。
在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发现自己以前学习上存在的不足，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对单片机汇编语言掌握得不够好。
通过请教老师，终于把问题都解决了，并加深了对计算器工作的原理的了解。
同时也掌握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。
做课程设计时，先查阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。
学会了怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。
总之，通过这次的设计，进一步了解了单片微型计算机及应用原理，收获很大，对软件编程、排错调试、查阅资料等方面得到较全面的锻炼和提高。
同时通过本次课程设计的学习，掌握了一种系统的研究方法，可以进行一些简单的编程，我还深深的体会到设计课的重要性和目的性所在。
为了完成项目，在网络上找到了许多相关的资料，大大扩充自己的知识面，使许多以前想解决却无法解决的困难迎刃而解。
将书本上的理论知识和实际有机地结合起来，从理论中得出结论。
锻炼了实际分析问题和解决问题的能力，提高了适应实际的能力，为今后的学习和实践打下了良好的基础。
此次课设还巩固和综合运用所学过的原理知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
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