單片機(jī)計(jì)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì).doc

沈陽(yáng)理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐周課程設(shè)計(jì) 摘 要近幾年單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展很快，其中，電子產(chǎn)品的更新速度迅猛。計(jì)算器是日常生活中比較常見(jiàn)的電子產(chǎn)品之一。如何才能使計(jì)算器技術(shù)更加的成熟，充分利用已有的硬件和軟件條件，設(shè)計(jì)出更出色的計(jì)算器。本設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為核心的計(jì)算器模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，輸入采用4*4矩陣鍵盤，可以進(jìn)行加、減、乘、除帶符號(hào)數(shù)字運(yùn)算，并在液晶顯示屏LCD1602上靜態(tài)顯示操作過(guò)程及結(jié)果。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 液晶顯示屏； 計(jì)算器； 矩陣鍵盤19 目 錄 1 背景與意義12 設(shè)計(jì)要求13 方案設(shè)計(jì)與選擇13.1 輸入模塊23.2 顯示模塊34 硬件電路設(shè)計(jì)44.1 系統(tǒng)組成及硬件框圖44.2 計(jì)算器硬件方案及硬件資源分配44.3 鍵盤電路的設(shè)計(jì)44.3 顯示電路的設(shè)計(jì)54.4 電路原理圖65 軟件設(shè)計(jì)75.1 計(jì)算器的軟件規(guī)劃75.2 主模塊的程序設(shè)計(jì)75.3 顯示模塊的程序設(shè)計(jì)85.4 鍵盤模塊的程序設(shè)計(jì)106 總結(jié)11參考文獻(xiàn)12附錄 軟件程序131 背景與意義隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，人們的生活水平在逐步地提高，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展猶如雨后春筍般的變化。電子產(chǎn)品的更新速度快就不足驚奇了。計(jì)算器在人們的日常中是比較常見(jiàn)的電子產(chǎn)品之一，如何使計(jì)算器技術(shù)更加的成熟，充分利用已有的軟件和硬件條件，設(shè)計(jì)出更出色的計(jì)算器，使其更好地為各個(gè)行業(yè)服務(wù)，成了如今電子領(lǐng)域重要的研究課題?，F(xiàn)如今，人們的日常生活中已經(jīng)離不開(kāi)計(jì)算器了，社會(huì)的各個(gè)角落都有它的身影，比如商店、辦公室、學(xué)校因此設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算器會(huì)有很大的實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)旨在進(jìn)一步掌握單片機(jī)理論知識(shí)，理解嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。通過(guò)本設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使我掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和微機(jī)接口應(yīng)用的基本方法，并能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)軟、硬件知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)題，提高解決畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題的能力，為單片機(jī)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。對(duì)字符液晶顯示模塊的工作原理，如初始化、清屏、顯示、調(diào)用及外特性有較清楚的認(rèn)識(shí)，并會(huì)使用LCD（液晶顯示模塊）實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的顯示；掌握液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)和編程，設(shè)計(jì)LCD和單片機(jī)的接口電路，以及利用單片機(jī)對(duì)液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)和操作；在充分分析內(nèi)部邏輯的概念，進(jìn)行軟件和調(diào)試，學(xué)會(huì)使用，并能夠以其為平臺(tái)設(shè)計(jì)出具有四則運(yùn)算能力簡(jiǎn)易計(jì)算器的硬件電路和軟件程序。2 設(shè)計(jì)要求 實(shí)現(xiàn)普通十進(jìn)制計(jì)算器的功能，按鍵采用實(shí)驗(yàn)箱上的44鍵盤，顯示采用LCD1602顯示器，鍵盤按鍵包括0-9、+、-、*、%和清除按鍵“C”按C后清除LCD屏幕上的顯示。 LCD的第一行顯示運(yùn)算式，第二行顯示運(yùn)算結(jié)果。比如要計(jì)算機(jī)12+34，在鍵盤上按下相應(yīng)鍵后，LCD的第一行顯示“12+34”，按下“=”號(hào)后，LCD的第二行末尾顯示“=46”。其 他功能同普通計(jì)算器相同。 3 方案設(shè)計(jì)與選擇3.1 輸入模塊 方案一：采用獨(dú)立式按鍵作為輸入模塊獨(dú)立式按鍵輸入模塊，其特點(diǎn)是：直接用I/O口構(gòu)成單個(gè)按鍵電路，接口電路配置靈活、按鍵識(shí)別和軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但是當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)，占用I/O口較多，比較浪費(fèi)資源。其原理圖如圖3-1所示。圖 3-1 獨(dú)立的功能按鍵 方案二：采用矩陣式鍵盤作為輸入模塊矩陣式按鍵輸入模塊，其特點(diǎn)是：電路和軟件稍復(fù)雜，但相比之下，當(dāng)鍵數(shù)越多時(shí)，越節(jié)約I/O口，比較節(jié)省資源。其原理圖如圖3-2所示。圖 3-2 矩陣鍵盤輸入本設(shè)計(jì)中的輸入模塊使用的是矩陣鍵盤輸入。鍵盤輸入預(yù)置用于計(jì)算，按鍵較多。若是采用獨(dú)立按鍵，需頻繁按鍵，為軟件設(shè)計(jì)增加負(fù)擔(dān)，且操作界面不友好；若是采用矩陣式按鍵，可以方便地輸入一個(gè)數(shù)值，使操作界面更具有人性化，且節(jié)約了寶貴的I/O口資源。通過(guò)對(duì)比，故采用方案二作為系統(tǒng)輸入模塊。3.2 顯示模塊 方案一：采用LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示采用LED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示，其特點(diǎn)是：其亮度較高；這種顯示方式接口，編程容易且管理簡(jiǎn)單；不足的是，占用的I/O的線資源較多。如果采用單片機(jī)或CPLD/FPGA來(lái)控制的話，勢(shì)必存在浪費(fèi)I/O口資源的問(wèn)題。如圖3-3所示。圖 3-3 4位數(shù)碼管靜態(tài)顯示 方案二：采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示采用LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，其特點(diǎn)是：其亮度比靜態(tài)顯示的亮度要差一些；但其電路比較簡(jiǎn)單，適合于顯示位數(shù)較多的情況。如圖3-4所示。圖 3-4 4位數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示 方案三：采用LCD1602液晶顯示采用LCD1602液晶顯示，其特點(diǎn)是：可以調(diào)節(jié)其背光亮度，這種顯示方式接口，編程雖然有些麻煩，但管理較方便，占用的I/O口資源線也不多。本設(shè)計(jì)中的顯示模塊使用的是LCD1602液晶顯示。在計(jì)算器運(yùn)算中，需顯示的數(shù)字、符號(hào)較多，按很據(jù)個(gè)方面的特點(diǎn)，而后可以發(fā)現(xiàn)LCD液晶顯示，雖然在價(jià)格上的確是稍貴于LED數(shù)碼管；但數(shù)碼管在硬件設(shè)計(jì)電路中，會(huì)因線太多、線路復(fù)雜而過(guò)于繁瑣，則舍棄LED數(shù)碼管，選擇LCD液晶顯示。通過(guò)對(duì)比，故采用方案三作為系統(tǒng)顯示模塊。4 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)組成及硬件框圖 圖4-1 系統(tǒng)組成及硬件框圖4.2 計(jì)算器硬件方案及硬件資源分配主要用到的硬件：?jiǎn)纹瑱C(jī)STC89C52 、液晶顯示屏LCD1602 、4*4按鍵鍵盤。硬件分配：1、P3口：作為輸入口，與鍵盤連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入；2、P0、P2口：作為輸出口（P2口為高位，P0口為低位），控制LCD液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)的結(jié)果；3、液晶顯示屏LCD1602顯示輸出。4.3 鍵盤電路的設(shè)計(jì)鍵盤可分為兩類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是較多按鍵（20個(gè)以上）和專用驅(qū)動(dòng)芯片的組合；當(dāng)按下某個(gè)按鍵時(shí)，它能夠處理按鍵抖動(dòng)、連擊等問(wèn)題，直接輸出按鍵的編碼，無(wú)需系統(tǒng)軟件干預(yù)。通用計(jì)算機(jī)使用的鍵盤就是編碼鍵盤。在智能儀器中，使用并行接口芯片8279或串行接口HD7279均可以組成編碼鍵盤，同時(shí)還可以兼顧數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)，其相關(guān)的接口電路和接口軟件均可在芯片資料中得到。當(dāng)系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，按鍵數(shù)量很多時(shí)，采用編碼鍵盤可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。非編碼鍵盤成本低廉。從成本角度出發(fā)，本設(shè)計(jì)選用的是非編碼鍵盤。如圖4-2所示。圖 4-2 鍵盤電路4.3 顯示電路的設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)需要顯示少量數(shù)據(jù)時(shí)，采用LCD液晶顯示屏進(jìn)行顯示是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。P0口作為液晶顯示的數(shù)據(jù)端口。最終顯示電路如圖4-3所示。 圖4-3 LCD液晶顯示屏顯示4.4 電路原理圖 圖4-4所示為簡(jiǎn)易計(jì)算器的電路原理圖。P3口用于鍵盤輸入，接4*4矩陣鍵盤，鍵值與鍵盤的對(duì)應(yīng)表如表-所示，p0口和p2口用于顯示，p2口用于顯示數(shù)值的高位，po口用于顯示數(shù)值的低位。圖4-4 簡(jiǎn)易計(jì)算器電路原理圖5 軟件設(shè)計(jì)5.1 計(jì)算器的軟件規(guī)劃 簡(jiǎn)易計(jì)算器的程序主要包括以下功能模塊：1、讀鍵程序、判鍵程序段、運(yùn)算操作子程序等部分；2、基于LCD液晶顯示屏的顯示模塊；3、主模塊，為系統(tǒng)的初始化。5.2 主模塊的程序設(shè)計(jì)主程序主要用來(lái)對(duì)LCD液晶顯示屏進(jìn)行初始化的。計(jì)算器流程圖（如圖5-1）。圖 5-1 主程序框圖void main() uchar i,j; init(); write_cmd(0x80); /將液晶指針定位在第一行第一個(gè)單元 key=15; i=flag1=0; while(1) write_cmd(0x80+0x40); /將液晶指針定位在第二行第一個(gè)單元 jscl(); flag1=0;在以上的程序中“write_cmd(0x80);”，被賦值為“0x80”，則是根據(jù)圖 2-2-6 DDRAM單元地址與顯示屏字符位的對(duì)應(yīng)關(guān)系中便能找到，第一行第一個(gè)單元的值為80H，則第二行第一個(gè)單元的值就為80H+40H，即得出“write_cmd(0x80+0x40);”。5.3 顯示模塊的程序設(shè)計(jì)顯示模塊程序首先要對(duì)顯示模塊進(jìn)行初始化；然后控制光標(biāo)的位置；定義液晶顯示的控制端口，用SBIT指令完成；然后設(shè)置清屏、關(guān)閉顯示、歸位、開(kāi)顯示、顯示位置的首地址等等。顯示模塊的流程圖如圖5-2所示。 圖 5-2 顯示程序框圖void jscl() /計(jì)算并顯示函數(shù) uchar i,j,n; for(j=0;jk1+1;j+) /存放第一操作數(shù) for(i=0;ik1-j;i+) for(j=k1+1;j0;i-) /在液晶上顯示結(jié)果 write_data(tablebi-1); 通過(guò)其顯示子程序，發(fā)現(xiàn)要顯示其最終結(jié)果，就必須先存放第一操作數(shù)、第二操作數(shù)，之后來(lái)判定使用四則運(yùn)算中的哪一種運(yùn)算，其后進(jìn)行運(yùn)算處理，最后便能在LCD液晶顯示屏上顯示其最終結(jié)果。5.4 鍵盤模塊的程序設(shè)計(jì)鍵盤掃描子程序，首先讀出P3口的低四位，然后讀出P3口的高四位。然后鍵值并顯示緩存。而后，將鍵盤上的值轉(zhuǎn)換為ASCII碼，最后就可以用軟件來(lái)設(shè)置硬件按鍵各個(gè)鍵所代表的內(nèi)容。系統(tǒng)中連接的是4*4行列式按鍵鍵盤，其中“0-9”為數(shù)字鍵；“+、-、*、/、=”為符號(hào)鍵；“C”為功能鍵（清屏鍵），在程序中會(huì)加入一個(gè)記憶功能鍵，而與其搭配的硬件按鍵為符號(hào)鍵中的“=”，以為求方便。數(shù)字鍵按下則將相應(yīng)的數(shù)字送入數(shù)字緩沖區(qū)；符號(hào)鍵按下則將送入符號(hào)緩沖區(qū)；功能鍵按下則執(zhí)行相應(yīng)的程序；最終進(jìn)行運(yùn)算后，綜合結(jié)果將送入結(jié)果緩沖區(qū)，并在LCD液晶顯示屏上顯示出來(lái)。鍵盤模塊程序也可相當(dāng)于一個(gè)中斷服務(wù)子程序，如圖5-3所示。圖 5-3 中斷服務(wù)程序框圖void keyscan() /鍵盤掃描程序 uchar temp,uu=0xf7; uint i; for(i=0;i4;i+) uu=_crol_(uu,1); /_crol_為左移函數(shù) case 0xee: key=0; break; case 0xde: key=1; break; case 0x77: key=15; break; 在以上的程序中，其中的“key=0key=15”是按鍵“0-9、+、-、*、/、=、C”16個(gè)鍵。而“case 0xee: key=0; break;”中，被賦值為“0xee”，則是因?yàn)樾行畔⑹荘3口的低四位，若是按鍵按下為“0”，則P3.0為“0”，P3.1-P3.3為“1”；同時(shí)，列信息是P3口的高四位，若是按鍵按下為“0”，則P3.4為“0”，P3.5-P3.7為“1”；由此可得，其被賦值為“0xee”。以此類推，之后一直到“case 0x77: key=15; break;”為止，都是采用相同的方法去賦值的。6 總結(jié) 按照原理圖進(jìn)行元件焊接后可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的+、-、*、%運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了課程設(shè)計(jì)的要求，但還有缺陷，如不能進(jìn)行連續(xù)的運(yùn)算，進(jìn)行一次運(yùn)算后不能對(duì)結(jié)果進(jìn)行二次運(yùn)算，有待改進(jìn)。另外，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算，不能進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算，有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。下圖為最終完成實(shí)物圖及運(yùn)算結(jié)果。 圖 6-1 最終實(shí)物圖參考文獻(xiàn)1 胡輝.單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京水利水電出版社,2007.2 郭天祥.新概念51單片機(jī)c語(yǔ)言教程.電子工業(yè)出版社,2009.3 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社,2006.4 傅豐林.陳健.低頻電子線路.高等教育出版社,2008.5 李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社,2010.附錄 軟件程序#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcden=P22;/這是LCD使能端sbit lcdrw=P21;/這是LCD讀寫(xiě)選擇端sbit lcdrs=P20;/這是LCD數(shù)據(jù)命令選擇端uchar code table=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, +,-,*,/,=,.;uchar key,flag1,js,k1,k2;uchar a20,b20;float jieguo=0;void delay(uchar z)/延時(shí)函數(shù) uchar x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);void write_cmd(uchar cmd)/LCD寫(xiě)命令函數(shù) lcdrs=0;/寫(xiě)指令控制端為低 P0=cmd; delay(5); lcden=1;/給個(gè)高脈沖結(jié)束 delay(4); lcden=0;void write_data(uchar date)/寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù) lcdrs=1;/寫(xiě)數(shù)據(jù)控制端高電平 P0=date; delay(5); lcden=1;/給個(gè)高脈沖結(jié)束 delay(5); lcden=0; void init()/液晶初始化函數(shù)lcdrw=0; lcden=0; write_cmd(0x38);/設(shè)置16*2顯示，8位數(shù)據(jù)接口 write_cmd(0x0c);/設(shè)置開(kāi)顯示，不顯示光標(biāo) （關(guān)顯示是0x08） write_cmd(0x06);/寫(xiě)一個(gè)字符后地址指針加1 write_cmd(0x01);/清屏void keyscan()/鍵盤掃描程序 uchar temp,uu=0xf7; uint i; for(i=0;i4;i+) uu=_crol_(uu,1);/_crol_為左移函數(shù) P3=uu; temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) delay(10); temp=P3;temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f) temp=P3; switch(temp) case 0xee: key=0; break; case 0xde: key=1; break; case 0xbe: key=2; break; case 0x7e: key=3; break; case 0xed: key=4; break; case 0xdd: key=5; break; case 0xbd: key=6; break; case 0x7d: key=7; break; case 0xeb: key=8; break; case 0xdb: key=9; break; case 0xbb: key=10; break; case 0x7b: key=11; break; case 0xe7: key=12; break; case 0xd7: key=13; break; case 0xb7: key=14; break; case 0x77: key=15; break; while(temp!=0x0f) temp=P3; temp=temp&0x0f; flag1=1; void jscl()/計(jì)算并顯示函數(shù) uchar i,j,n; float s,temp2; long int s1,s2,a1,b1,c1,temp1; a1=b1=1; s1=s2=0; s=0; if(k2!=0) for(j=0;jk1+1;j+)/存放第一操作數(shù) for(i=0;ik1-j;i+) a1=a1*10; s1=s1+aj*a1; a1=1; for(j=k1+1;jk2+