基于单片机简易计算机设计.docx

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基于单片机简易计算机设计

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬件结合，来加以完善。

计算机在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一。

可是它还在发展之中，以后必将出现功能更加强大的计算机，基于这样的理念，本次设计是用JHC-51单片机、LCD显示器、控制按键为元件来设计的计算器。

利用此设计熟悉单片机微控制器及C语言编程，对其片资源及各个I/O端口的功能和基本用途的了解。

掌握Microsoft应用程序开发环境，常用的LCD显示器的使用方法和一般键盘的使用方法。

本系统的设计说明重点介绍如下几方面的内容：

1）基于单片机简易计算器的基本功能，同时对键盘及数码管动态显示原理进行了简单的阐述；

2）介绍系统的总体设计、给出系统的整体流程框图，并对其进行功能模块划分及所采用的元器件进行了详细说明；

3）对系统各功能模块的软、硬件实现进行了详细的设计说明。

关键词：

51单片机；LCD；控制按键；计算机。

Sbstract

Summaryinrecentyears,withrapiddevelopmentofscienceandtechnology,aredeepeningtheapplicationofsingle-chip,drivingtraditionalcontroltechnologyincreasinglyupdates.Inreal-timedetectionandcontrolofsinglechipcomputerapplicationsystem,MCUisoftenusedasacorepart,butonlySCMknowledgeisnotenough,itshouldbeaccordingtothespecificcombinationofhardware,softwareandhardware,tobeperfect.Computersinpeople'severydaylifeisoneofthemorecommonelectronicproducts.Butit'sstillindevelopment,willoccurinthefuturemorepowerfulcomputer,basedontheconcept,thedesignisbyJHC-51single-chip,LCDmonitors,controlkeystodesignforthecomponentcalculator.Takeadvantageofthisdesignexperiencewithsingle-chipmicro-controllersandc-languageprogramming,onitsresourcesandthevariousfunctionsoftheI/Oportsandbasicunderstandingofthepurpose.MasteringMicrosoftapplicationdevelopmentenvironment,acommonusageoftheLCDmonitorandgeneralusageofthekeyboard.

Thissystemdesignspecificationfocusesonthefollowingcontents:

1）simplecalculatorbasedonsinglechipmicrocomputerbasicfunctions,keyboardandatthesametimethedigitaldynamicshowedasimpleexpositionofprinciples;

2）describestheoveralldesignofthesystem,givingoverallflowdiagramofthesystem,andfunctionmodulepartitionandusedbythecomponentsforadetaileddescription;

3）onallfunctionalmodulesofthesystemsoftwareandhardwareimplementationofadetaileddesignspecification.

Keywords:

51single-chipcomputer;LCD;controlkeys,computer.

1.单片机开发板概述

1.11单片机发展现状

单片机的发展趋势：

低功耗CMOS化；微型单片化；主流与多品种共存；单片机从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

1）低功耗CMOS化

MCS-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2）微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

3）主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。

而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

1.12计算器系统现状

计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设备及电子配件通过人工或机器设备组成。

低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电路实现简单的串行运算，其随机存储器只有一、二个单元，供累加存储用。

高档计算器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序，有较多的随机存储单元以存放输入程序和数据。

键盘是计算器的输入部件，一般采用接触式或传感式。

为减小计算器的尺寸，一键常常有多种功能。

显示器是计算器的输出部件，有发光二极管显示器或液晶显示器等。

除显示计算结果外，还常有溢出指示、错误指示等。

计算器电源采用交流转换器或电池，电池可用交流转换器或太阳能转换器再充电。

为节省电能，计算器都采用CMOS工艺制作的大规模集成电路（见互补金属-氧化物-半导体集成电路），并在内部装有定时不操作自动断电电路。

计算器可选用的外围设备有微型打印机、盒式磁带机和磁卡机等。

1.13简易计算器系统简介

本计算器是以MCS-51系列8051单片机为核心构成的简易计算器系统。

该系统通过单片机控制，实现对4*4键盘扫描进行实时的按键检测，并把检测数据存储下来。

整个计算器系统的工作过程为：

首先存储单元初始化，显示初始值和键盘扫描，判断按键位置，查表得出按键值，单片机则对数据进行储存与相应处理转换，之后送入数码管动态显示。

整个系统可分为三个主要功能模块：

功能模块一，实时键盘扫描；功能模块二，数据转换为了数码管显示；功能模块三，数码管动态显示。

1.2本款51单片机学习开发板，拥有丰富的资源和例程。

每个例程都做了详细的注释。

本板的单片机I/O口全部引出，拔去上面的跳线帽就是一个最小系统，方便再次开发使用。

本款51单片机开发板套件的标准配置为：

1、STCLY5A-L2A学习板一块

2、USB线一条

3、串口线一条

4、STC芯片一块

5、光盘一张

图1-151单片机开发板套件

板上资源列表

图1-2LY5A-V2单片机

1.10个5色环电阻（1k）

2.8个红色发光二极管（3mm）

3.7个5色环电阻（5.1k）

4.6个三极管S8550

5.5个独石电容105

6.2个瓷片电容104

7.3个短接帽

8.3个3p圆孔座

9.2个瓷片电容22P

10.2个双排针6P

11.1个单片机STC89C52

12.1个PCB板L2A

13.1个MAX232

14.1个IC锁紧座40P

15.2个晶阵（12M+11.0592M）

16.1个USB接口母座

17.1个ISP座10P

18.1个普通IC座16P

19.1个DC5V蜂鸣器

20.1个继电器DC5V

21.1个肖特基二极管1N5819

22.1个单排线16P

23.1个电解电容100uF

24.1个自锁开关6脚

图1-3汇编语言

图1-4C语言

二制作过程

焊接

2.1焊前准备：

1、对照电路图和元件清单仔细查对元器件。

（各元件图请看光盘内图片、）

2、仔细分析电路图，预设各个元器件的摆放位置和焊接顺序。

3、准备好制作工具，万用表、镊子、吸锡器、斜口钳、剥线钳、烙铁、焊锡等。

4、插上烙铁，预热。

并将烙铁头镀上焊锡以防止烙铁头氧化。

2.2焊接步骤：

2.21固定单片机插座。

最好安放在电路板的中心位置，以方便其它外围器件的安装。

焊接时，把插座稳定插入电路板中，贴紧。

焊接时，先焊两对角以固定插座，然后把其它针脚依次焊接好。

事先弄清楚焊好后单片机如何插放在插座上，以分清插座各脚序号。

单片机各脚序号如下图，针脚放在桌上，从半圆凹槽左端第一脚逆时针是1—40号脚。

2.22焊接插针。

插针的焊接在电路图中未表示出来，我们在这里安装插针，是为了方便扩展单片机的外围器件。

当我们做了其它功能模块时，只需在其它电路板上焊好模块，把需要连接到单片机上的端口用导线引出，然后插在插针上，岂不很方便！

这也大大提高了单片机的使用率。

在插座旁并排焊接三排插针。

第九脚，也就是你安放单片机时对应的第九脚不接插针，此脚是做复位开关用的。

除此之外，第18、19、20脚也不用焊插针，第18、19是接晶振用的，20脚接电源负极。

还有，第40脚旁焊一根（旁还有一根），40脚接电源正极，上方接负极，此种焊接有利于给其它功能模块供电。

焊盘面如图连接，直接用焊锡接上即可。

为了方便扩展功能，用插针帽可以选择片上和片外功能模块。

2.23焊接晶振

晶振在强力碰撞容易损坏，所以焊接时要注意。

晶振不分级，把晶振两脚直接和19、20脚连接。

再把两个瓷片电容按电路图接好。

注意：

两电容相接的脚要接地。

此时还没有焊电源模块，所以暂时搁置在那儿。

2.24焊接电源模块

看清电路图。

此电路才用的是双电源供电，一个是电池供电，另一个是电脑USB供电。

电池供电是四节5号电池串接，提供电压是1.5*4=6V，但单片机供电是标准的5V，所以要加7805稳压模块。

电脑USB供电就是5V，不需要7805进行稳压，但要买一根连接线。

，因为7805稳压方式是降压式的，对USB稳压时，输出电压是二点几伏，不能给单片机供电，一定要记住这一点。

JP2是开关，R10下的发光二极管是电源指示灯。

电池供电接口是两针2.54（2.54是两脚间距），注意公母口的正负极要对应。

USB正负极是固定的，把USB接口“四脚朝天”放置，并且口的朝向面对自己，中间四个脚从左到右是1234，1脚是负极（接地），4脚是正极。

注意：

由于USB针脚规格和此电路板不是很相符，所以在安装时要用螺丝刀把两旁孔扩大。

1、焊接流水灯

按电路图焊接，这个非常简单。

要注意的是要分清二极管的极性。

电阻的安装有图示两种，看情况自己选择。

二极管的阴极接在单片机插座1—8脚的第三排插针上。

电阻都是1K。

2、接复位开关

当单片机运行时，第9脚RST接收到高点位时，单片机就会无条件复位。

还有，当给单片机通电瞬间，电流在瞬间升高，电容对变化的电流导通，9脚（RST）是高电位，单片机复位。

即在给单片机上电时，单片机复位，叫做上电复位。

在焊接此电路时，注意电容极性。

电容值是22uF，电阻值是10K。

2.3焊接数码管

数码管管脚如图（四位共阴），正放着，从左下第一脚开始，逆时针依次为1—12。

对应的脚是1—E，2—D，3—DP，4—C，5—G，6—COM4，7—B，8—COM3，9—COM2，10—F，11—A,12—COM1。

在电路图中，数码管左下端有ABCDEFGDP字母，把它们所对应的数码管上的脚与单片机上32—39脚相连。

例如第一个39/G，就是把单片机39脚与数码管5脚相连。

数码管右下端有1234，它们就是COM1、2、3、4。

注：

都与第三排排针相连。

数码管的各个引脚可以自己用万用表测出。

单片机32—39脚右边有接VCC的9脚器件是470*8的阻排，阻排上一端有白点的脚接VCC，它与另外任一脚间阻值是470Ω。

注：

与第三排排针相连。

2.4其它元器件焊接

除上面数码管外，还有DS18B20数字温度传感器、蜂鸣器、两外部中断按键和四个按键。

还有31脚（EA）要接VCC，是单片机片内程序存储器选择输入信号端/编程电压输入端。

（详细请看光盘内单片机教程）经过上面的讲解，这些都可以自己按照电路图焊接完成。

但在焊接时要注意一下几点：

在焊DS18B20时，不要把它和7805焊在一起。

因为7805工作时会散热，

1对DS18B20测温会产生影响。

DS18B20的讲解请参看光盘资料——《常用电子元器件》。

2在焊蜂鸣器时，一定要注意蜂鸣器的正负极。

3在焊按键时，一定要把按键的四个脚分清，哪两组在内部是短接的。

这个可以用万用表直接测出来。

4所有和单片机相连的脚都连在第三排排针上。

2.5、简易串口通信的焊接

这个电路不是很复杂，但看起来让人眼花缭乱。

所以在焊接此电路时一定要细心再细心，一边焊一边用万用表检查，看几个节点是否连接真确。

左端

与单片机连接的端口是P3.0（10脚）和P3.1（11脚）。

右下角是三针2.54，它右边的235的意思是与DB9母头上的2、3、5针相连，数字在DB9母头上都有标示。

2.6、串口线的制作

①将DB9母头固定，把三根导线与母头上2、3、5针脚焊接在一起。

②将导线另一端剥皮2—3mm，并把铜芯弯折。

将导线卡在三针2.54母口的卡簧的卡槽里，用尖嘴钳压紧（见左图），最后把对应卡簧插入母口塑壳里。

最好先把三针2.54的公母口对应好，把导线顺序排好，这样做出来的串口线很美观。

③DB9母口塑壳的安装。

（见下图）

2.7、线路的检查

一切都做好后，把所有插针帽插在1、2排插针上，然后对线路进行检测。

1单片机测试。

给实验板接上电源（电池或USB供电），打开开关，看八位流水灯是否三个三个的依次亮灭（STC单片机在P1口有这样的自检程序）。

如果有，说明单片机基本接线正常（电源、晶振、复位）；如果没有，则要仔细从电源模块检查起，电源正负极性是否正确，每个模块中要接VCC的和接低的是否接上，特别是晶振和复位开关处。

单片机的20脚是否接地，四十脚是否接VCC。

2下载线测试。

把电源线和下载线连接好，按照光盘内“程序”文件夹里“STC|—ISP软件的使用”说明向单片机烧录光盘内的程序。

如能下载成功，说明下载线和下载电路做的不错！

恭喜！

否则要仔细检查电路和下载线了。

3单片机片上模块测试。

将光盘内的程序烧录到单片机里，看各模块能否正常运行。

3通信

3.1当我们把51单片机板焊接好之后，接下来就要给焊接板通电，首先连接好USB插口、MAX232电平转换插口，按下电源开关，红灯指示就会亮，其次右击我的电脑，左击管理（G），双击设备管理器，再右边框里寻找端口→USB-SER14LCH340（COM3）。

如下图所示：

图1-通讯端口

3.2打开桌面上的软件文件夹，双击STC-ISPT下载软件（STC51套餐）→STC芯片下载软件绿色版→STC-ISP-V480，左击→打开程序文件→桌面→JHC-51-A学习板→程序目录→简易计算机。

如下图所示：

图1-

3.3打开简易计算机之后，打开HEX文件，关闭焊接板电源，如下图所示：

3.4选择COM串口，关闭电源，点击Download/下载，如下图所示：

4原理

2.简易计算器设计基本原理

根据功能和指示要求，本系统选用以MCS-51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。

12.1MCS-51系列单片机简介

8051是MCS-51系列单片机的典型产品，以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，其内部结构如图2.1所示，现在分别加以说明：

图2.18051内部结构图

中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

数据存储器（RAM）：

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

程序存储器（ROM）：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

定时/计数器：

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断，用于控制程序转向。

并行输入输出（I/O）口：

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2和P3），用于对外部数据的传输。

全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

中断系统：

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

时钟电路：

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2.2。

图2.2MCS-51内部结构图

MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直插DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

现在对这些引脚的功能加以说明：

如图2.3所示。

图2.3双列直插式封装引脚图

Pin9:

RESET/Vpc复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。

如图1-7所示的电路图，

4.1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；

系统总框图

5程序源代码：

DISPBUFEQU30H;显示缓冲区首地址定义

54ORG0000H;主程序的入口地址

START:

MOVDISPBUF,#0C0H;4个数码管显示“0000”字形数据

MOVDISPBUF+1,#0C0H

MOVDISPBUF+2,#0C0H

MOVDISPBUF+3,#0C0H

MOV37H,#00H;数值初始化

MOV27H,#00H

MOV26H,#00H

MOV25H,#00H

MOV24H,#00H

MOV23H,#00H

MOVR3,#00H

MOVR5,#00H

MOVR4,#00H

LOOP:

LCALLKEY;调用键盘扫描子程序

MOVR6,27H

CJNER6,#00H,START;清除键判断

MOVR6,26H

CJNER6,#00H,FA;显示数据转换子程序选择

LCALLCONV;调用数码管显示数据转换子程序

FA:

LCALLDISPSCAN;调用数码管动态显示子程序

SJMPLOOP

KEY:

MOVP2,#0FH;键盘扫描子程序

MOVA,P2

ANLA,#0FH

CJNEA,#0FH,K10

RET

K10:

JBP2.0,K20

K11:

MOVP2,#0EFH

JBP2.0,K12

CJNER5,#00H,L1

MOVR4,#00H

INCR5

MOVR3,#1H

L1:

LJMPCEND

K12:

MOVP2,#0DFH

JBP2.0,K13

CJNER5,#00H,L2

MOVR4,#00H

INCR5

MOVR3,#2H

L2:

LJMPCEND

K13:

MOVP2,#0BFH

JBP2.0,K14

CJNER5,#00H,L3

MOVR4,#00H

INCR5

MOVR3,#3H

L3:

LJMPCEND

K14:

MOVP2,#7FH

JBP2.0,KIL

CJNER5,#00H,L4

MOVR4,#00H