4位加法器单片机课程设计文档格式.docx

1、1、 设计任务和要求1.1 设计要求 本次课程设计，我选择的课题是单片机十进制加法计算器软硬件设计 ，设计任务为：设计一键盘显示装置，键盘上除需定义10个十进制数字键外还要相应的功能键，其它键不定义无响应。利用此系统可分别可输入十进制被加数与加数，实现两数相加并将结果以十进制形式显示出来。（扩展:多位10进制数相加）1.2 性能指标 本课程设计的十进制加法计算器的计算范围为0255，计算结果全为整数，计算结果溢出结果不显示。 1、加法：三位加法，计算结果超过255溢出不显示 2、减法：三位减法，计算结果若小于零溢出不显示 3、乘法：三位数乘法 4、除法：整数除法 5、有清零功能1.3 设计方案

2、的确定 按照1.1的设计要求，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、 单片机简要原理在该课程设计中，主要用到一个AT89C51芯片和串接的共阴数码管。作为该设计的主要部分，下面将对它们的原理及功能做详细介绍和说明。2.1 AT89C51的介绍： 图一 AT89C51外形结构和引脚分布图芯片AT89C51的外形结构和引脚图如图一所示。

3、AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.2 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。 （一） 复位电路 图二

4、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。2.3 七段共阳极数码管 图四 七段共阳数码管图为七段共阳数码管的引脚图，从左到右数码管的段码分别为a,b,c,d,e,f,g和小数点dp，低电平时点亮，最右边为位选端。三、 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。3.1 键盘电路的设计 键盘可

5、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

6、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44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。具体电路连接如图五所示： 图五 4*4键盘接口电路3.2 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

7、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。 电路如下图六所示： 图六 三位数码管的显示电路四、 软件设计在十进制加法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；4.1 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09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

8、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

9、运算键则保存相对运算程序的首地址。 图七 主程序流程图4.2 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09的共阳极字形代码如下表：显示字型gfedcba段码10c0h0f9h20a4h30b0h499h592h682h70f8h880h990h 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

10、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五、 调试

11、与仿真下面用KEIL uVision3与 proteus仿真软件介绍十进制加法计算器的仿真与调试。5.1 Keil C51单片机软件开发系统（一） 系统的整体结构C51工具包的整体结构中，其中uVision是C51 for Windows的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tS

12、cope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。（二） 采用KEIL 开发的89c51单片机应用程序步骤：1. 在uVision 集成开发环境中创建新项目（Project），扩展文件名为.UV2,并为该项目选定合适的单片机CPU器件（本设计采用ATMEL 公司下的AT89C51） 2. 用uVision 的文本编辑器编写源文件，可以是汇编文件（.ASM）,也可以使C语言文件（扩展名.C），并将该文件添加到项目中去。一个项目文件可以包含多个文件，除了源程序文件外，还可以是库文件、头文件或文本说明文件。 3. 通过uVision 3

13、的相关选择项，配置编译环境、连接定位器以及Debug调试器的功能。 4. 对项目中的源文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件，如果出现编译连接错误则返回到第2步，修改源文件中的错误后重构整个项目。 5. 对没有语法错误的程序进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的ROM中。5.2 proteus的操作 （一）硬件电路图的接法操作 1.放置选择（删除）元器件2.移动元器件3.缩放视图4.连接导线5.仿真，调试 （二） 单片机系统PROTEUS设计与仿真过程Proteus强大的单片机系统设计与仿真功能，使它可成为单片机系统应用开发和改进手段之一。全部过程都是在计算机

14、上通过Proteus来完成的。其过程一般也可分为三步：1.在ISIS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等，简称Proteus电路设计。2.在Keil平台上进行单片机系统程序设计、编辑、汇编编译、代码级调试，最后生成目标代码文件（*.hex）。简称Proteus源程序设计和生成目标代码文件。3.在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。它在相当程度上反映了实际单片机系统的运行情况。简称Proteus仿真。（三） Proteus中课程设计的仿真结果在Proteus中将硬件电路全部接好以后，将Keil中生成的.hex文件

15、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“5”、“+”、“6”和“=”，可以看到数码管显示“11”；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，即本次课设已成功。总的仿真原理电路图见附录1图九。6、心得体会 为期一周的单片机课程设计终于结束了，通过紧张的工作，完成了我们的设计任务-十进制加法计算器。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，因为以前做过类似的题

16、目，于是在脑海中初步构建了编写程序的一些控制程序。但是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，经过三四天的辛苦工作，终于初步把所需要的程序编好了，于是就用Keil uversion3进行仿真，在仿真期间也发现了许多错误，基本上都是平日容易犯的错误，比如忘记了子程序标号、死循环程序、标点符号的漏写等。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.H

17、ex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。这就是我这一周课设的经过，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。通过与同学探讨和请教老师，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

18、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

19、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。 参考文献1周航慈.单片机应用程序设计技术（修订版）.北京航空大学出版社2 张志良.单片机原理与控制技术.第2版. 机械工业出版社3 康华光.电子技术基础（第5版）. 高等教育出版社出版，20064 蒋力培.单片微机系统实用教程（第1版）.机械工业出版社5 姜志海、刘连鑫.单片微型计算机原理及应用.电子工业出版社，2011 附录1 系

20、统硬件电路图 图九 总电路原理图附录2 程序清单YJ EQU 50H ;结果存放YJ1 EQU 51H ;中间结果存放GONG EQU 52H ;功能键存放 ORG 00HSTART: MOV R3,#0 ;初始化显示为空 MOV GONG,#0 MOV 32H,#00H MOV 33H,#00H MOV 34H,#00HMLOOP: CALL DISP ;调显示子程序WAIT: CALL TESTKEY ;判断有无按键 JZ WAIT CALL GETKEY ;读键 INC R3 ;按键个数 CJNE A,#0,NEXT1 ;判断是否数字键 LJMP E1 ;转数字键处理NEXT1: CJN

21、E A,#1,NEXT2 LJMP E1NEXT2: CJNE A,#2,NEXT3NEXT3: CJNE A,#3,NEXT4NEXT4: CJNE A,#4,NEXT5NEXT5: CJNE A,#5,NEXT6NEXT6: CJNE A,#6,NEXT7NEXT7: CJNE A,#7,NEXT8NEXT8: CJNE A,#8,NEXT9NEXT9: CJNE A,#9,NEXT10NEXT10: CJNE A,#10,NEXT11 ;判断是否功能键 LJMP E2 ;转功能键处理NEXT11: CJNE A,#11,NEXT12 LJMP E2NEXT12: CJNE A,#12,

22、NEXT13 LJMP E2NEXT13: CJNE A,#13,NEXT14NEXT14: CJNE A,#14,NEXT15NEXT15: LJMP E3 ;判断是否清除键E1: CJNE R3,#1,N1 ;判断第几次按键 LJMP E11 ;为第一个数字N1: CJNE R3,#2,N2 LJMP E12 ;为第二个数字N2: CJNE R3,#3,N3 LJMP E13 ;为第三个数字N3: LJMP E3 ;第四个数字转溢出E11: MOV R4,A ;输入值暂存R4 MOV 34H,A ;输入值送显示缓存 LJMP MLOOP ;等待再次输入E12: MOV R7,A ;个位数暂

23、存R7 MOV B,#10 MOV A,R4 MUL AB ;十位数 ADD A,R7 MOV R4,A ;输入值存R4 MOV 32H,#00H ; MOV 33H,34H MOV 34H,R7 LJMP MLOOPE13: MOV R7,A MUL AB JB OV,E3 ;输入溢出 JB CY,E3 ; MOV R4,A MOV 32H,33H ;E3: MOV R3,#0 ;按键次数清零 MOV R4,#0 ;输入值清零 MOV YJ,#0 ;计算结果清零 MOV GONG,#0 ;功能键设为零 显示清空E2: MOV R0,GONG ;与上次功能键交换 MOV GONG,A MOV

24、A,R0 CJNE A,#10,N21 ;判断功能键 LJMP JIA ;N21: CJNE A,#11,N22 LJMP JIAN ;N22: CJNE A,#12,N23 LJMP CHENG ;*N23: CJNE A,#13,N24 LJMP CHU ;/N24: CJNE A,#0,N25 LJMP FIRST ;首次按功能键N25: LJMP DEN ;=N4: LJMP E3FIRST: MOV YJ,R4 ;输入值送结果 LJMP DISP1 ;结果处理JIA: MOV A,YJ ;上次结果送累加器 ADD A,R4 ;上次结果加输入值 JB CY,N4 ;溢出 MOV YJ,A ;存本次结果 MOV R3,#0 ; LJMP DISP1JIAN: MOV A,YJ SUBB A,R4 ;