计算器系统设计

目录1.功能要求

2.方案论证

3.系统硬件电路的设计

3.1运算模块

3.2主控器AT89S52

3.3输入模块4*4矩阵键盘

3.4显示模块LCD1602

3.5错误警报提示语音电路

3.6切换模块

4.系统程序的设计

4.1运算主程序设计

4.2显示程序设计

4.3读键输入存储设计

5.调试及性能分析

5.1硬件调试

5.2软件调试

5.3性能分析

6.控制源程序清单

7.实物显示

8.总结

9.参考文献

摘要

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AT89S52单片机、LCD显示器、4*4矩阵键盘、蜂鸣器以及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keil的应用程序开发环境，常用的LCD 显示器的使用方法和一般键盘的使用方法。

关键字：AT89S52 LCD 控制按键

正文

1.功能要求

计算器模拟系统设计要求模拟的计算器至少显示8位数字，开机运行时，最低位显示为“0”，其余位全部不显示；设计4*4键盘，分别表示0~9、+、—、*、/、=和清零键CL，输入的数字从设计的键盘输入；可以对计算结果小于256的两个无符号数进行加、减、乘、除运算，并且显示计算结果。2.总体方案设计以及论证

根据功能和指标要求，本系统选用AT89S52单片机为主控机，LCD1602为显示器。通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计。具体设计考虑如下：

①由于要设计的是简单的计算器，可以进行四则运算，对数字的大小范围

要求至少显示8位数字，开机运行时，最低位显示为“0”，其余位全部

不显示，但扩展程序可以实现任意位数的无符号数的算法，所以选用

LCD1602显示数据和结果，而不采用数码管来显示。

②设计4*4键盘，分别表示0~9、+、—、*、/、=和清零键CL，输入的数

字从设计的键盘输入；可以对计算结果小于256的两个无符号数进行加、减、乘、除运算，并且显示计算结果。当结果超出该范围时，发出错误

警报。按一下切换键，计算范围无限制，结果显示也无限制，再按一下

切换键，计算器回到限制状态。因此总的按键需要17个键。

按照系统功能设计的要求，确定系统由5个模块组成：主控制器、显示电路、4*4矩阵键盘、切换电路和语音模块。

计算机系统总体电路结构框图如下所示：

3.系统硬件电路的设计

硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必

须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。本设计选用以AT89S52单片机为主控单元。显示部分：采用LCD 静态显示。按键部分，采用4*4键盘。硬件电路原理图如下图所示：

3.1运算模块

MCS-51 单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机作为计算器的主要功能部件，可以进行很快地实现运算功能，如图所示：

3.2主控制器AT89S52，

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工

作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

引脚结构如下：

3.3输入模块4*4矩阵键盘

计算机输入数字和其他功能按键时要用到很多按键，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样的方式，而是采用矩阵键盘的方式。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。这样键盘上按键的数量就为4*4个。这样行列式键盘结构能有效的提高单片机系统中I/O 口的利用率。如图所示：

计算器的键盘布局如下图所示：一般有16个键组成，在单片机中正好有一个P端口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中最常用。

图：矩阵键盘内部电路

3.4显示模块LCD1602

本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据。LCD的特性有：1、+5V电压，对比可调度；2、内含复位电路；3、提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；4、有80字节显示数据存储器DDRAM;5、内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM;6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。以下是我们采用的LCD液晶显示器（实物）。

本设计通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应的数据。其接口电路如下图所示：

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口

编号符号引脚说明编号符号引脚说明

1 VSS 电源地9 D

2 数据

2 VDD 电源正极10 D

3 数据

3 VL 液晶显示偏压11 D

4 数据

4 RS 数据/命令选择12 D

5 数据

5 R/W 读/写选择13 D

6 数据

6 E 使能信号14 D

7 数据

7 D0 数据15 BLA 背光源正极

8 D1 数据16 BLK 背光源负极

计算器设计采用蜂鸣器来实现报警。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

本次设计中我们采用的是电磁式蜂鸣器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

3.6切换模块

由于切换键只有一个，所以用普通按键接上拉电阻来完成读键功能。

4.系统软件程序设计

在程序设计方法上，模块化程序设计是单片机应用中最常用的程序设计方法。设计的中心思想是把一个复杂应用程序按整体功能划分成若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后组合起来。这种方法便于设计和调试，容易实现多个程序共存，但各个模块之间的连接有一定的难度。根据需要我们可以采用自上而下的程序设计方法，此方法先从主程序开始设计，然后再编制各从属程序和子程序，层层细化逐步求精，最终完成一个复杂程序的设计。

程序流程图如下图所示：

4.1运算主程序设计

首先初始化参数，送LED低位显示“0”，高位不显示。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LCD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LCD显示，若是运算键则保存相对运算程序的首地址。运算主程序框图如下图所示：

4.2显示程序设计

显示程序的过程为：显示开始时，先进行LCD的初始化，即调用了LCD初始化子程序，次程序只在开机后调用一次，主要负责LCD液晶屏的初始化，显示“0”。初始化后，由矩阵键盘输入相应的数字，LCD进行相应功能的设置，然后进行显示，显示完就返回。

4.3读键输入程序设计

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。键盘扫描初始时要先进行清屏，然后若有键按下，则判断键号，然后释放，若释放按键完毕，则返回，若没有释放按键，则返回继续释放。

5.调试及性能分析

调试主要以程序调试为主

5.1硬件调试

常见故障：

1、逻辑错误：它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等。

2、元器件失效：有两方面的原因：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、集成电路安装方向错误等。

3、可靠性差：因其可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会

造成系统时好时坏，经不起振动；走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。

4、电源故障：若样机由电源故障，则加电后很容易造成器件损坏。电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对，功率不足，负载能力差等。

本次调试主要通电检查LED显示器的点亮情况，并检查键盘是否对应相应的功能键。

5.2软件调试

软件调试一般分为以下四个阶段：1、编写程序并查错；2、在C语言的编译系统中编译源程序3、对程序进行编译连接，并及时发现程序中存在的错误。

本程序采用C语言编写，在Keil编译器下进行源程序编译并以子程序为单位逐个进行编译检查。

5.3性能分析

简易的计算机系统计算的是结果小于256的两个无符号数之间的加减乘除，因此非常准确，而经过扩展后的该系统，可以对任意两个无符号数进行加减乘除，能满足一般的计算要求。

6.控制源程序清单

#include

#include

#include

#include "delay.h"

#include "1602.h"

#include "yinyue.h"

#define ui int

#define uc char

unsigned char code User[]={0x00,0x0A,0x15,0x0A,0x04,0x00,0x00,0x00}; #define fuhao_1 -1 //'/"除符号

#define fuhao_2 -2 //乘符号

#define fuhao_3 -3 //减符号

#define fuhao_4 -4 //加符号

sbit fmq=P3^6; //蜂鸣器引脚,将fmq位定义为P3.6引脚

sbit key=P3^5; //功能选择

int arry_1[]={0x52,0x4f,0x52,0x52,0x45}; //“ERROR’

ui m; //输入新表达式的标志

float arry[20];

long G; //结果

long D; // 结果的绝对数

ui er; //错误标志

ui ok_flag; //输入完毕的标志

ui fuhao; //符号标志

ui f;

//*******************选择键盘处理************************//

void key_s()

{

if(key==0)

{

while(!key);//f=0,简运算；f=1，显示温度；f=2,复杂元算；

f++;

if(f>=2) f=0;

}

}

//********************蜂鸣器处理函数***********************// void Beep(ui i) //产生1KHZ频率声音的函数

{

ui t;

while(i--)

{for(t=0;t<1000;t++)

{fmq=0;

delay500us();

fmq=1;

delay500us();

}

fmq=1;

delay(100);

}

}

//*******************清0***********************//

void CLK()

{ uc i;

for(i=0;i<20;i++)

{arry[i]=0;}

er=0;

ok_flag=0;

G=0;

D=0; //结果

fuhao=0; // fuhao表征按下的是哪个符号

}

/**************************************************

以下是计算器扫描、运算处理程序

*************************************************/

//*****************键盘扫描程序**********************//

void keyscan(void)// 键盘扫描程序

{uc temp,i,num;

if (m==1)

{

Write_com(0x01); //清屏命令

for(i=0;i<4;i++)

{arry[i]=0;}

m=0;

ok_flag=0;

fuhao=0;

}

P1=0xfe;

if(P1!=0xfe)

{

delay(20);//20ms

if(P1!=0xfe)

{

temp=P1&0xf0;

switch(temp)

{

case 0xe0:num=0;

break;

case 0xd0:num=1;

break;

case 0xb0:num=2;

break;

case 0x70:num=3;

break;

}

}

while(P1!=0xfe);

if(num==0)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+7;Write_data(0x30+7);} //按键等于7

if(num==1)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+8;Write_data(0x30+8);} //按键等于8

if(num==2)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+9;Write_data(0x30+9);} //按键等于9

if(num==3)

{arry[2*fuhao+1]=fuhao_1;fuhao++;Write_data(0x2f);}

// 除号‘/’

}

P1=0xfd;

if(P1!=0xfd)

{

delay(20);

if(P1!=0xfd)

{

temp=P1&0xf0;

switch(temp)

{

case 0xe0:num=4;

break;

case 0xd0:num=5;

break;

case 0xb0:num=6;

break;

case 0x70:num=7;

break;

}

}

while(P1!=0xfd);

if(num==4)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+4;Write_data(0x30+4);} //按键等于4

if(num==5)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+5;Write_data(0x30+5);} //按键等于5

if(num==6)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+6;Write_data(0x30+6);} //按键等于6

if(num==7)

{arry[2*fuhao+1]=fuhao_2;fuhao++;Write_data(0x2a);}

// 乘号'*'

}

P1=0xfb;

if(P1!=0xfb)

{

delay(20);

if(P1!=0xfb)

{

temp=P1&0xf0;

switch(temp)

{

case 0xe0:num=8;

break;

case 0xd0:num=9;

break;

case 0xb0:num=10;

break;

case 0x70:num=11;

break;

}

}

while(P1!=0xfb);

if(num==8)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+1;Write_data(0x30+1);} //按键等于1

if(num==9)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+2;Write_data(0x30+2);} //按键等于2

if(num==10)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao])+3;Write_data(0x30+3);} //按键等于3

if(num==11)

{arry[2*fuhao+1]=fuhao_3;fuhao++;Write_data(0x2d);} // 减号‘-’

}

P1=0xf7;

if(P1!=0xf7)

{

delay(10);

if(P1!=0xf7)

{

temp=P1&0xf0;

switch(temp)

{

case 0xe0:num=12;

break;

case 0xd0:num=13;

break;

case 0xb0:num=14;

break;

case 0x70:num=15;

}

}

while(P1!=0xf7);

if (num==12) //按键清0

{

Write_com(0x01);

for(i=0;i<20;i++)

{arry[i]=0;}

fuhao=0;

ok_flag=0;

}

if(num==13)

{arry[2*fuhao]=10*(arry[2*fuhao]);Write_data(0x30);} //按键等于0

if(num==14)

{ok_flag=1;m=1;} //等于号

if(num==15)

{arry[2*fuhao+1]=fuhao_4;fuhao++;Write_data(0x2b);} // 加号‘+’

}

P1=0xf0;

}

//***********************条件运算条件*********************//

void stop(void)

{uc k,h;

h=2*fuhao;

if((arry[3]==fuhao_1)|(arry[3]==fuhao_2)|(arry[3]==fuhao_3)|(arry[3]= =fuhao_4))

er=1;

if(arry[0]==0) er=1;

for (k=0;k<=h;k++)

{

if((arry[k])<0)

{if((arry[k+1])==0)

if(arry[k+2]<0) er=1;}

if (arry[k]==fuhao_1)

{if(arry[k+1]==0) er=1;}

}

}

//************************输入错误处理***************************// void error_process(void)

Write_ads(0x4f);

//按下等于键，光标前进至第二行最后一个显示处//

Write_com(0x04);

//设置从后住前写数据，每写完一个数据，光标后退一格//

for(i=0;i<5;i++)

{ Write_data(arry_1[i]);

}

Beep(2);

er=0;

for(i=0;i<20;i++)

{arry[i]=0;}

}

//************************运算*********************//

void process(void)

{ uc h,k,i;

h=fuhao;

for(k=1;k<=h;k++)

{ if(arry[1]==fuhao_1) //除符号//

{arry[0]=arry[0]/arry[2];

fuhao=fuhao-1;

for(i=1;i<=(2*fuhao);i++)

{arry[i]=arry[i+2];}

if(f==0)

{ if(arry[0]>256) //结果大于256为计算错误液晶显示‘ERROR’

{error_process();fuhao=1;}

} }

if(arry[1]==fuhao_2) //乘符号//

{arry[0]=arry[0]*arry[2];

fuhao=fuhao-1;

for(i=1;i<=(2*fuhao);i++)

{arry[i]=arry[i+2];}

if(f==0)

{if((arry[0]>256)|(arry[0]<-256)) //结果大于256为计算错误液晶显示‘ERROR’

{error_process();fuhao=1;} }

}

if(arry[1]==fuhao_3) //减符号//

{arry[0]=arry[0]-arry[2];

fuhao=fuhao-1;

for(i=1;i<=(2*fuhao);i++)

{arry[i]=arry[i+2];}

if(f==0)

{ if((arry[0]>256)|(arry[0]<-256)) //结果大于256为计算错误液晶显示‘ERROR’

{error_process();fuhao=1;}

} }

if(arry[1]==fuhao_4) //加符号//

{arry[0]=arry[0]+arry[2];

fuhao=fuhao-1;

for(i=1;i<=(2*fuhao);i++)

{arry[i]=arry[i+2];}

if(f==0)

{ if(arry[0]>256) //结果大于256为计算错误液晶显示‘ERROR’

{error_process();fuhao=1;}

} }

}

//*******显示运算结果****************/

if(fuhao==0)

{G=(long)arry[0]; //小位数取三位//

Write_ads(0x4f);

//按下等于键，光标前进至第二行最后一个显示处//

Write_com(0x04);

//设置从后住前写数据每写完一个数据，光标后退一格//

if(G<0)

D=0-G;

if(G>=0)

D=G;

if(D>=1000)

{i=0;

while(D!=0)

{

Write_data(0x30+D%10);

D=D/10;

i++;

//Write_date(0x2e); //写小数符号“.”

}

}

else

{i=0;

while(i<3)

{ Write_data(0x30+D%10);

D=D/10;

if(D>0) i++;

else i=3;

}

//Write_date(0x2e); //写小数符号“.”

//Write_date(0x30); //再写“0”

}

if(G<0)

Write_data(0x2d); //写"-"符号

Write_data(0x3d); //再写“=”符号

}

ok_flag=0;

}

//**************************主函数************************// void main(void)

{ uc i;

f=0;

init();

CLK();

key_s();

P1=0xf0;

while (1)

{key_s();

if(P1!=0xf0)//是否有键按下

{ keyscan();}

if(ok_flag==1)

{

stop();

if(er==1) //出错处理

{error_process();}

else

{ process(); //运算处理

for(i=0;i<20;i++)

{arry[i]=0;}

}

ok_flag=0;

}

}

}

7.实物显示

加法（未扩展的256范围内的计算）

加法（未扩展超过256显示错误，并且发出报警）

减法（未扩展的-256~+256范围内的计算）

减法（未扩展超过-256显示错误，并且发出报警）