基于51单片机的计算器设计

目录

第一章引言 (3)

1、1 简述简易计算器、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

3

1、2 本设计主要任务、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

3

1、3 系统主要功能、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

4

第二章系统主要硬件电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、4

2、1 系统的硬件构成及功能、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

4

2、2 键盘电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

5

2、3 显示电路设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

6

第三章系统软件设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、7

3、1 计算器的软件规划、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

7

3、2 键盘扫描的程序设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

7

3、3 显示模块的程序设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

8

3、4 主程序的设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

9

3、5 软件的可靠性设计、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

9

第四章调试、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、9 第五章结束语、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、10参考文献、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、11 附录源程序、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、11

第一章引言

1、1 简述简易计算器

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。计算器就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与硬件条件,设计出更出色的计算器呢?

本设计就是以AT89S52单片机为核心的计算器模拟系统设计,输入采用4×6矩阵键盘,可以进行加、减、乘、除9位带符号数字运算,并在LCD1602上显示操作过程。

科技的进步告别了以前复杂的模拟电路,一块几厘米平方的单片机可以省去很多繁琐的电路。现在应用较广泛的就是科学计算器,与我们日常所用的简单计算器有较大差别,除了能进行加减乘除,科学计算器还可以进行正数的四则运算

与乘方、开方运算,具有指数、对数、三角函数、反三角函数及存储等计算功能。计算器的未来就是小型化与轻便化,现在市面上出现的使用太阳能电池的计算器,

使用ASIC设计的计算器,如使用纯软件实现的计算器等,未来的智能化计算器将就是我们的发展方向,更希望成为应用广泛的计算工具。

1、2 本设计主要任务

以下就是初步设定的矩阵键盘简易计算器的功能:

1、扩展4*6键盘,其中10个数字,5个功能键,1个清零

2、强化对于电路的焊接

3、使用五位数码管接口电路

4、完成十进制的四则运算(加、减、乘、除);

5、实现结果低于五位的连续运算;

6、使用keil 软件编写程序,使用汇编语言;

7、最后用ptoteus模拟仿真;

8、学会对电路的调试

1、3 系统主要功能

本设计就是一个实现加减乘除的计算器,它的硬件主要由四部分构成,一个8051单片机芯片,两个八段共阴极数码管,一个4*4键盘,它可以实现一位数的加减乘除运算。

显示部分:采用LED动态显示。

按键部分:采用4*4键盘。采用软件识别键值,并执行相应的操作。

第二章系统主要硬件电路设计

2.1系统的硬件构成及功能

主要用到的硬件:AT89S52 LCD液晶显示屏编码键盘

硬件分配:

1、P0、P3口:做为输出口,控制LCD液晶显示屏显示数据的结果。

2、P1口:做为输入口,与键盘连接,实现数据的输入。

3、LCD液晶显示屏显示输出。

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;但就是,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,在满足可靠性与实时性的前提下,尽可能的通过软件来实现硬件功能。

2、可靠性及抗干扰设计

根据可靠性设计理论,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,地址与数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越小。因此,系统的设计思想就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

功能扩展就是否灵活就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,通过修改软件程序与少量硬件完成。对于本系统而言,就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,完成功能的升级与扩展。

根据第提出的系统设计方案,结合以上三条原则,确定了系统硬件的设计。计算器主要由以下一些功能模块构成:非编码键盘模块、LCD液晶显示屏模块等。

该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。AT89S52 单片机与LCD液晶显示屏显示电路就是整个电路的核心,它们实现系统的功能要求。

简易计算器主要包括:键盘电路,显示电路。

下图为总体硬件结构。(如图2-1 所示为整个系统的原理图)

图2-1 计算器原理图

前面叙述了该系统的设计说明,系统采用了比较简单的设计方案,所以该系统的硬件设计的总外围电路不会产生过多的干扰。在下面的阐述中,对系统的外围电路分别予以介绍。键盘部分采用编码键盘,显示部分采用LCD液晶显示屏完全能够很好的实现显示方面的要求。

2、2 键盘电路的设计

键盘可分为两类:编码键盘与非编码键盘。编码键盘就是较多按键(20个以上)与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,其相关的接口电路与接口软件均可在芯片资料中得到。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,本设计选用的就是非编码键盘。如图2-2

图2-2 编码键盘电路

2、3 显示电路的设计

当系统需要显示少量数据时,采用LCD液晶显示屏进行显示就是一种经济实用的方法。P0口作为液晶显示的数据端口,P3、5-P3、7口作为其控制端口,控制LCD液晶显示屏显示输出数据。

最终电路如图2、3所示:

图2、3 LCD液晶显示屏显示

第三章系统软件设计

3、1计算器的软件规划

简易计算器的程序主要包括以下功能模块:

1、定时查键模块,分为读键程序、判键程序段、运算操作子程序等部分;

2、基于LCD液晶显示屏的显示模块;

3、主模块,为系统的初始化。

3、2 键盘扫描的程序设计

键盘扫描子程序,首先读出P1的低四位,然后读出P1口的高四位。然后键值并显示缓存。然后将键如的值转换为ASCII码然后就可以软件来设置硬件按键各个键代表的内容。

读键程序使用的就是反转法读键,不管键盘矩阵的规模大小,均进行两次读键。第一次所有行线均输出低电平,从所有读入键盘信息(列信息);第二次所有列线均输出低电平,从所有行线读入键盘信息(行信息)。

数字键按下则将相应的数字送入缓存区,功能键按下则执行相应的程序。3、3 显示模块的程序设计

显示模块程序首先要对显示模块进行初始化;然后控制光标的位置;定义液晶显示的控制端口,用SBIT指令完成;然后设置清屏、关闭显示、归位、开显示、显示位置的首地址等等。

显示模块的流程图如图3、3所示:

图5、3模块的流程

3、4 主程序的设计

主程序主要就是用来对LCD液晶显示屏进行初始化的。

3、5 软件的可靠性设计

提高本仪器其可靠性措施主要有:

1、为防止程序跑飞,软件中设置了软件陷阱。

2、为防止程序死循环,软件中使用了瞧门狗技术。

第四章调试

Keil调试与仿真

KEIL C51标准C编译器就是众多单片机应用开发的优秀软件之一,它集编辑、编

译、仿真于一体,支持汇编、PLM 语言与 C 语言的程序设计。

1、启动KEIL C51 进入编辑界面建立一个新工程:单击Project菜单,在弹出的下拉菜单中选中New Project选项。选择保存路径,输入工程文件名。

2、工程文件保存完毕之后,提示选择单片机的型号。KEIL支持近乎所有51核的单片机。单击File菜单,选择New。

3、文件保存:使用汇编编写,文件后缀名为、asm或a51。完成后,单击“保存”按钮保存文件。

4、在Source Group 上单击右键,找到刚才保存的源文件,然后添加ADD

5、在编辑完成之后,需要进行程序的编译。点开Project选项,单击Build target;或就是利用快捷键F7。

6、在程序调试的时候,点击Debug 选项,选择Start/Stop Debug Session。

7、以上就是使用KEIL建立一个完整工程文件的过程。下载到单片机之中,则需要生成HEX 文件。单击“Project” 菜单, 再在下拉菜单中单击出现选项对话框。在选项对话框的“Output”页面对话框中,单击“Create HEX File” 选项,使程序编译后产生HEX 代码,供下载器软件使用。

4、2、调试过程

在Debug调试下,如有错误时,下面窗口将有提示说明错误个数与具体哪一行有错,还有对于错误的说明,大多数格式使用不当,此时在那一行前后仔细检查,要考虑格式,语法等基本性错误。

即使调试没错时,程序也不就是代表完全正确,需要结合硬件来确定改程序的功能就是否完全实现了。

图4-1keil调试图

图4-1keil调试图

第五章结束语

选择这个课题的时候,完全就是由于兴趣,因为觉得这个课题比较的有意思,比较贴近生活。参考了一些范文与参考书后,作出了这篇设计报告。在期间,感觉自己的视野与对于单片机的应用都有了新的认识与拓展。

在硬件的制作过程中我走了好多的弯路,主要就是在系统还没有设计很有

把握就开始动手制作了。后来发现与设计的要求还有偏差,反复的改过了几次,

浪费了大量的时间与体力。感受到设计人员要有耐心,要认真的从要求开始研究。软件的编写过程中费了很大的力气,因为软件的编写要求很高,要很细心,一不小心就会调用错误,很深刻的体会到作为软件编程人员就是绝不能粗心大意的。一个程序的完成的速度与质量高低与细心与否有着很大联系。编程时,我充分使用了结构化的思想。这样因为语句较少,程序调试比较方便,功能模块可以逐一的调试,充分体现了结构化编程的优势。当每个模块都完成时,将其功能加到一起就完成了整体的设计。

参考文献

【1】张靖武,周灵杉、单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M]、北京:北京电子工业出版社

【2】靳达、求就是科技、单片机应用系统开发实例导航[M]、:人民邮电出版社,2006 【3】刘守义、单片机应用技术[M]、:西安电子科技大学出版社,2001

【4】林志琦、基于PROTEUS的单片机可视化软硬件仿真[M]、北京:北京航空航天大学出版社,2006

【5】胡汉才、单片机原理及接口技术、清华大学出版社,1996

【6】徐江海、单片机实用教程[M]、北京:机械工业出版社,2007、

【7】肖洪兵、跟我学用单片机、北京:北京航空航天大学出版社,2002、8【8】夏继强、单片机实验与实践教程、北京:北京航空航天大学出版社, 2001【9】谭浩强、C语言程序设计[M]、北京:清华大学出版社,2000、

【11】张磊、C语言程序设计[M]、北京:高等教育出版社,2005、

【12】严桂兰、C语言程序设计[M]、厦门:厦门大学出版社,2006

附录源程序

/*-----------------------------------------------

名称:液晶显示计算器

日期:2012、11、30

内容:整数之间运算,没有小数所有除法得出的结果不正确,有负号运算,

------------------------------------------------*/

#include //包含头文件,一般情况不需要改动,头文件包含特殊功能寄存器的定义#include

#define KeyPort P1

#define DataPort P0 //定义数据端口程序中遇到DataPort 则用P0 替换

sbit LATCH1=P2^2;//定义锁存使能端口段锁存

sbit LATCH2=P2^3;// 位锁存

unsigned char code dofly_DuanMa[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};// 显示段码值0~9 unsigned char code dofly_WeiMa[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};//分别对应相应的数码管点亮,即位码

unsigned char TempData[8]; //存储显示值的全局变量

extern unsigned char TempData[8]; //存储显示值的全局变量

extern unsigned char code dofly_DuanMa[10];

/*------------------------------------------------

显示函数,用于动态扫描数码管

输入参数FirstBit 表示需要显示的第一位,如赋值2表示从第三个数码管开始显示如输入0表示从第一个显示。

Num表示需要显示的位数,如需要显示99两位数值则该值输入2

------------------------------------------------*/

/*------------------------------------------------

按键扫描函数,返回扫描键值

------------------------------------------------*/

unsigned char KeyScan(void); //键盘扫描函数,使用行列反转扫描法

/*------------------------------------------------

按键值处理函数,返回扫键值

------------------------------------------------*/

unsigned char KeyPro(void);

void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num);

/*------------------------------------------------

定时器初始化子程序

------------------------------------------------*/

void Init_Timer0(void);

/*------------------------------------------------

uS延时函数,含有输入参数unsigned char t,无返回值

unsigned char 就是定义无符号字符变量,其值的范围就是

0~255 这里使用晶振12M,精确延时请使用汇编,大致延时

长度如下T=tx2+5 uS

------------------------------------------------*/

void DelayUs2x(unsigned char t);

/*------------------------------------------------

mS延时函数,含有输入参数unsigned char t,无返回值

unsigned char 就是定义无符号字符变量,其值的范围就是

0~255 这里使用晶振12M,精确延时请使用汇编

------------------------------------------------*/

void DelayMs(unsigned char t);

/*------------------------------------------------

主程序

------------------------------------------------*/

main()

{

unsigned char num,i,sign;

unsigned char temp[8]; //最大输入8个

bit firstflag;

int a=0,b=0;

unsigned char s;

Init_Timer0(); //初始化定时器0

while (1) //主循环

{

num=KeyPro(); //扫描键盘

if(num!=0xff) //如果扫描就是按键有效值则进行处理

{

if(i==0) //输入就是第一个字符的时候需要把改行清空,方便观瞧

{

for(s=0;s<8;s++) //赋值完成后把缓冲区清零,防止下次输入影响结果

TempData[s]=0;

}

if(('+'==num)|| (i==8) || ('-'==num) || ('x'==num)|| ('/'==num) || ('='==num))//输入数字最大值8,输入符号表示输入结束

{

i=0; //计数器复位

if(firstflag==0) //如果就是输入的第一个数据,赋值给a,并把标志位置1,到下一个数据输入时可以跳转赋值给b

{

sscanf(temp,"%d",&a);//从一个字符串输入到变量

firstflag=1;

}

else

sscanf(temp,"%d",&b);

for(s=0;s<8;s++) //赋值完成后把缓冲区清零,防止下次输入影响结果

temp[s]=0;

if(num!='=') //判断当前符号位并做相应处理

sign=num; //如果不就是等号记下标志位

else

{

firstflag=0; //检测到输入=号,判断上次读入的符合

switch(sign)

{

case '+':a=a+b;

break;

case '-':a=a-b;

break;

case 'x':a=a*b;

break;

case '/':a=a/b;

break;

default:break;

}

sprintf(temp,"%d",a); //打印十进制到临时缓冲区

for(s=0;s<8;s++) //由于打印的就是ASCII码值

{

if(temp[s]==0) //所以需要转换,如果为0表示null 数码管上则不能显示,所以赋值0

TempData[s]=0;

else if(temp[s]==0x2d)//表示负号,数码管显示负号0x40

TempData[s]=0x40;

else

TempData[s]=dofly_DuanMa[temp[s]-'0'];//其她0-9负号则进行ASCII 到数字处理,如当前就是'3',用'3'-'0'=3

//'3'的16进制就是0x33,'0'的16进制就是0x30

}

sign=0;a=b=0; //用完后所有数据清零

for(s=0;s<8;s++)

temp[s]=0;

}

}

else if(i<16)

{

temp[i]=num+'0';

TempData[i]=dofly_DuanMa[num];//输出数据

i++; //输入数值累加

}

}

}

}

/*------------------------------------------------

按键扫描函数,返回扫描键值

------------------------------------------------*/

unsigned char KeyScan(void) //键盘扫描函数,使用行列反转扫描法

unsigned char cord_h,cord_l;//行列值中间变量KeyPort=0x0f; //行线输出全为0 cord_h=KeyPort&0x0f; //读入列线值

if(cord_h!=0x0f) //先检测有无按键按下

{

DelayMs(10); //去抖

if((KeyPort&0x0f)!=0x0f)

{

cord_h=KeyPort&0x0f; //读入列线值

KeyPort=cord_h|0xf0; //输出当前列线值

cord_l=KeyPort&0xf0; //读入行线值

while((KeyPort&0xf0)!=0xf0);//等待松开并输出

return(cord_h+cord_l);//键盘最后组合码值

}

}return(0xff); //返回该值

}

/*------------------------------------------------

按键值处理函数,返回扫键值

可以根据需要改变返回值

| 1 | 2 | 3 | + |

| 4 | 5 | 6 | - |

| 7 | 8 | 9 | * |

| 0 | 、| = | / |

------------------------------------------------*/

unsigned char KeyPro(void)

{

switch(KeyScan())

case 0x7e:return 1 ;break;//0 按下相应的键显示相对应的码值

case 0x7d:return 2 ;break;//1

case 0x7b:return 3 ;break;//2

case 0x77:return '+';break;//3

case 0xbe:return 4 ;break;//4

case 0xbd:return 5 ;break;//5

case 0xbb:return 6 ;break;//6

case 0xb7:return '-';break;//7

case 0xde:return 7 ;break;//8

case 0xdd:return 8 ;break;//9

case 0xdb:return 9 ;break;//a

case 0xd7:return 'x';break;//b

case 0xee:return 0 ;break;//c

case 0xed:return '、';break;//d

case 0xeb:return '=';break;//e

case 0xe7:return '/';break;//f

default:return 0xff;break;

}

}

/*------------------------------------------------

显示函数,用于动态扫描数码管

输入参数FirstBit 表示需要显示的第一位,如赋值2表示从第三个数码管开始显示如输入0表示从第一个显示。

Num表示需要显示的位数,如需要显示99两位数值则该值输入2

------------------------------------------------*/

void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num)

{

static unsigned char i=0;

DataPort=0; //清空数据,防止有交替重影

LATCH1=1; //段锁存

LATCH1=0;

DataPort=dofly_WeiMa[i+FirstBit]; //取位码

LATCH2=1; //位锁存

LATCH2=0;

DataPort=TempData[i]; //取显示数据,段码

LATCH1=1; //段锁存

LATCH1=0;

i++;

if(i==Num)

i=0;

}

/*------------------------------------------------

定时器初始化子程序

------------------------------------------------*/

void Init_Timer0(void)

{

TMOD |= 0x01; //使用模式1,16位定时器,使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响

//TH0=0x00; //给定初值

//TL0=0x00;

EA=1; //总中断打开

ET0=1; //定时器中断打开

TR0=1; //定时器开关打开

}

/*------------------------------------------------

定时器中断子程序

------------------------------------------------*/

void Timer0_isr(void) interrupt 1

{

TH0=(65536-2000)/256; //重新赋值2ms

TL0=(65536-2000)%256;

Display(0,8);

}

/*------------------------------------------------

uS延时函数,含有输入参数unsigned char t,无返回值unsigned char 就是定义无符号字符变量,其值的范围就是0~255 这里使用晶振12M,精确延时请使用汇编,大致延时长度如下T=tx2+5 uS

------------------------------------------------*/

void DelayUs2x(unsigned char t)

{

while(--t);

}

/*------------------------------------------------

mS延时函数,含有输入参数unsigned char t,无返回值unsigned char 就是定义无符号字符变量,其值的范围就是0~255 这里使用晶振12M,精确延时请使用汇编

------------------------------------------------*/

void DelayMs(unsigned char t)

{

while(t--)

{

//大致延时1mS

DelayUs2x(245);

DelayUs2x(245);

}

}