简易计算器的设计与实现文档格式.docx

1、 通过以上两种方案论证和比较，从设计的实用性，方便性和成本出发，选择了以STC89C51单片机作为中央处理单元进行计算器的设计，这样设计能够实现对四位加减乘除和除法四位小点数的运算。2.系统设计为了更好的实现系统得功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则：（1）优化硬件电路采用软件设计与硬件设计相结合的方法；尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器（MCU）的时间；但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。所以，在设计本系统得时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能的通过软件来实现硬件功能8。（2）可靠实用性根据可靠性及实用性

2、设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。（3）灵活的功能扩展功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下，能够通过修改软件程序，完成功能的升级和扩展7。2.1系统组成及总体框图计算器主要由STC89C51单片机组成的最小系统、1602LCD液晶显示屏

3、及编码键盘构成。P1、P3口：做为输出口，控制LCD液晶显示屏显示数据的结果；P2口：做为输入口，与键盘连接，实现数据的输入LCD液晶显示屏显示输出，总体框图如下。 STC89C51最小系统控制模块电源模块LCD液晶显示屏模块4X4键盘模块图2-1 系统组成及总体框图2.2硬件原理硬件设计是整个计算器的设计基础，只有在硬件设计完成后，才能给整个电路下载程序，从而完成该作品的完整设计。2.2.1.单片机最小系统最小系统的设计即单片机最小系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图。图2-2 单片机最小系统（1）复位电路：由一

4、个按键开关和一个10uf的电容并联而成，一端接+5v电源，另一端接单片机的引脚9（即RST）复位键，,如图2-2所示。一、复位电路的用途：单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。二、复位电路的工作原理在书本上有介绍，51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制

5、其复位。（2）晶振电路：一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，两个电容分别接到晶振的两端 每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容 请注意一般IC的引脚都有等效输入电容 ，一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF 如果再考虑元件引脚的等效输入电容 则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择，晶振是给单片机提供工作信号脉冲的 这个脉冲就是单片机的工作速度，比如，12M晶振单片机工作速度就是每秒12M 当然，单片机的工作频率是有范围的，不能太大 一般24M就不上去了，不然不稳定。晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生

6、偕波（也就是不希望存在的其他频率的波） 这个波对电路的影响不大 但会降低电路的时钟振荡器的稳定性 为了电路的稳定性起见 ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响 所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的 。此晶振电路由两个30uf的电容并联后，两端分别接一个12MHz的晶振，而晶振两端又分别接引脚18（XTAL2）、19（XTAL1）。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。XTAL1，XTAL2接石英晶体振荡器。如图2-2所示外接晶体引脚图。（3）STC89C51

7、RC图2-3 单片机STC89C51A. 主要性能： 8051 CPU与MCS-51 兼容 8K字节可编程FLASH存储器（寿命：1000写/擦循环） 全静态工作：0Hz-33MHz 三级加密程序存储器 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 片内振荡器和时钟电路 STC89C51 单片机为40 引脚芯片见图2-4B.管脚说明：VCC：供电电压。vss：接地。口线：P0、P1、P2、P3 共四个八位口。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O

8、口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平，对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外

9、部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。图2-4 STC89C51引脚图引脚第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作

10、为输入口使用。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。P3口是STC89C51特殊功能（第二功能）使用，如表2-5所示。 表2-5 P3口管脚 备选功能：端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口

11、）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）在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。其他引脚说明：RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高

12、电平有效。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的11。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问允许，欲

13、使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。 31脚EA/Vpp接电源：STC89C51/52或其他51系列兼容单片机特别注意：对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行，当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。2.2.2键盘电路键盘可分为两类：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

14、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。在智能仪器中，使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以组成编码键盘，同时还可以兼顾数码管的显示驱动，其相关的接口电路和接口软件均可在芯片资料中得到12。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。非编码键盘成本低廉。从成本角度出发，本设计选用的是非编码键盘。如图2-6图2-6编码键盘电路此键盘采用4*4矩阵排列，将每一行的一端接在一起构成四行，将另一端连在一起构成四列，正好与单片机的P3口的8个IO口相连，即由低位到高位依次链接P3.0-P3.7，作为单片机电路的输

15、入端。确定矩阵式键盘上任何一个键被按下通常采用行扫描法。行扫描法又称为逐行查询法它是一种最常用的多按键识别方法。因此，本设计采用以行扫描法实现按键识别操作。其工作原理为：首先，不断循环地给低四位独立的低电平，然后判断键盘中有无键按下。将低位中其中一列线（P3.0P3.3中其中一列）置低电平然后检测行线的状态（高4位，即P3.4P3.7,由于线与关系，只要与低电平列线接通，即跳变成低电平），只要有一行的电平为低就延时一段时间以消除抖动，然后再次判断，假如依然为低电平，则表示键盘中真的有键被按下而且闭合的键位于低电平的4个按键之中任其一,若所有行线均为高电平则表示键盘中无键按下。再其次，判断闭合键

16、所在的具体位置。在确认有键按下后 ,即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是: 依次将列线置为低电平，即在置某一根列线为低电平时,其它列线为高电平。同时再逐行检测各行线的电平状态 ；若某行为低，则该行线与置为低电平的列线交叉处的按键就是闭合的按键。2.2.3显示电路（1）1602LCD液晶显示器简介1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，丰富的指令可以完成液晶的时序控制、工作方式式设置和数据显示等6。采用的LCD1602液晶模块是标准16针插座，接口电路如图所示：关于LCD1602的详细资料见图2-7和表2-8。图2-7 LCD接口电路 表2-8 LCD1602引脚说明第1脚VSS接地第

17、2脚Vcc接5V正电源第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。实际电路中采用2K电阻到地，比较理想。第4脚RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时 （00）可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平RW为高电平时（01）可以读入盲信号；当RS为高电平RW为低电平时（10）可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位

18、双向数据线。第1516脚阳极和阴极。（2）与单片机的连接：单片机的P1.0-P1.7依次与LCD1602的7-14引脚相连，将从键盘读到的数据通过LCD1602显示出来。（3）工作原理：本次实训采用1602两行16个字的DM-1602液晶显示模块DM-162采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R

19、W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。D0D7为8位双向数据线2.3.软件流程通过软件调用，让单片机将键盘与LCD1602液晶显示器结合起来2.3.1主程序控制流程当主程序载入单片机时，开始进行判断各电路初始化程序，在单片机开始检查有没有键按下，如遇键盘按下，则执行延时程序，继续判断有无按键按下，然后进行按键识别，最后调用计算机延时子程序，实现系统初始化和其他的子程序模块的调用操作。图2-9按键流程图2.3.2键盘扫描子程序由于本设计采用行扫描方式识别按键，通过硬件电路连接及工作原理知每个按键的键码：应为用P3口的高四位输出低电平，即P3.4P3.7为输出口。低四

20、位输出高电平，即P3.0P3.3为输入口。读P3口的低四位状态为“0111”，其值为“07H”。再从P1口的高四位输出高电平，即P1.4P1.7为输入口。低四位输出低电平，即P10P13为输出口，读P1口的高四位状态为“0111”，其值为“07H”。将两次读出的P0口状态值进行逻辑或运算就得到其按键的特征编码为“77H”，其余的依次类推。键盘按键说明如下：- | 1 | 2 | 3 | + | - - - - - - - - - - - - - | 4 | 5 | 6 | - | | 7 | 8 | 9 | * | | C | 0 | = | / | -*/操作简介/ 按第一个数，再按+-*/

21、,再按=显示出结果，然后按C清屏/ 加最大9999+9999=19998/ 减最大9999-0 =9999/ 乘最大9999*9999=99980001/ 除 1/9=0.1111 保留小数点后4位想要计算器能够准确计算结果，需要按键对应相应的程序（c语言），所以我先给每个按键定义如下地址含义：case 0x77 :a=0x0d;break;/ 按键/ case 0x7b :a=0x0e; break;/ 按键= case 0x7d :a=0;/ 按键0 case 0x7e :a=0x0f;/ 按键CE case 0xb7 :a=0x0c;/ 按键 * case 0xbb :a=0x9; /

22、按键 9 case 0xbd :a=0x8; / 按键 8 case 0xbe :a=0x7; / 按键7 case 0xd7 :a=0x0b;/ 按键 - case 0xdb :a=0x6; / 按键6 case 0xdd :a=0x5; / 按键5 case 0xde :a=0x4; / 按键4 case 0xe7 :a=0x0a;/ 按键 + case 0xeb :a=3; / 按键3 case 0xed :a=2; / 按键2 case 0xee :a=1; / 按键1 default :a=0xff; return a; /* 返回按键值 */2.3.3LCD1602显示控制流程指令

23、1清显示 指令码01H, 光标复位到地址00H位置；指令2光标复位 指令码02H, 光标返回到地址00H位置 ；指令3光标和显示模式设置 I/D位 光标移动方向，高电平右移，低电平左移；S 位 屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平有效，低电平无效；指令4显示开关控制 D 位 控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C 位 控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标； B 位 控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 ；指令5光标或显示移位S/C位 高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指令6功能命令设置DL位-高电平时为4位数据总线，低电平时为8位总线；N位低

24、电平时为单行显示，高电平时为双行显示；F位低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时为5x10的点阵字符；指令7字符发生器RAM地址设置指令8DDRAM地址设置指令9读忙信号和光标地址BF位 为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据指令10写数据指令11读数据（1）指令操作 表2-10指令编码（2）子程序流程：同样而言，LCD1602显示器在与单片机连接时，也需要单片机输出程序，而此程序则为1602液晶显示需要初始化显示：void init_lcd（void） /初始化液晶，及画面初始化 wela=0; /写液晶 lcden=0; /使能1602 write_（0x38）; /8 位

25、总线,双行显示,5X7 的点阵字符 LCD_Delay_us（100）; /延时100us write_（0x0c）; /开显示，无光标，光标不闪烁 write_（0x06）; /光标右移动 write_（0x01）; /清屏 write_（0x80）; /DDRAM 地址归01602写指令函数：void write_（uchar ） /1602液晶写指令 rs=0; /写指令 /使能1602 P0=; /写入指令com LCD_Delay_ms（1）; /延时1ms lcden=1; LCD_Delay_ms（2）; /延时2ms 1602写数据函数：void write_date（uchar date） /1602液晶写数据 rs=1; /写数据 P0=date