課程設(shè)計 簡易計算器設(shè)計與實現(xiàn)VIP

1、長江職業(yè)學(xué)院工學(xué)院畢業(yè)實踐報告課題名稱：簡易計算器設(shè)計與實現(xiàn) 專業(yè)班級：計算機控制技術(shù)081班 學(xué)生姓名： 黃 楊 學(xué) 號： 20082940 班級序號 6 實踐性質(zhì)： 校內(nèi)畢業(yè)實踐 實踐成績： 指導(dǎo)老師： 杜 力 2011年2月25日目錄一、緒論1.1 計算器的歷史41.2 電子計算器的特殊鍵41.3 單片機概述51.4 設(shè)計要求51.5 我做簡易模擬計算器的過程說明51.6 系統(tǒng)的基本功能6二、課題設(shè)計的分析與思路的確定6三、芯片簡介73.1 MSC-51芯片簡介73.2 MCS-51的引腳說明9四、計算器程序設(shè)計114.1存儲單元分配114.2 主程序設(shè)計114.3 數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子

2、程序CONV124.4 數(shù)碼管動態(tài)顯示子程序12五、 連接知識125.1鍵盤的連接125.2、顯示器的連接13六、仿真過程15八、參考文獻17一、緒 論本課題擬定以MCS-51系列單片機為控制中心，采用模塊化的設(shè)計方案，運用液晶顯示器或LED顯示數(shù)據(jù)/鍵盤輸入數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)能夠完成加、減、乘、除、數(shù)據(jù)存儲等運算的簡易計算器。系統(tǒng)的功能是：（1）模擬的計算器能顯示10位數(shù)字，開機運行時，只顯示最低位為“0”，其余不顯示；（2）4×4鍵盤分別表示：0到9，+，-，×，/，CL；（3）第一次按下，顯示“D1”,第二次按下，顯示“D1D2”，第三次按下，顯示“D1D2D3”8個全顯示

3、完畢，再次按下按鍵時，給出 “嘀”的提示音；（4）可以對計算結(jié)果小于256的兩個無符號數(shù)進行加、減、乘、除運算。 單片機程序用匯編語言編寫，經(jīng)過Wave軟件調(diào)試，生成HEX文件，再用Proteus軟件進行計算機仿真。 程序中鍵盤部分使用行列式掃描原理，若無鍵按下則調(diào)用動態(tài)顯示程序，并繼續(xù)檢測鍵盤；若有鍵按下則得其鍵值，并通過查表轉(zhuǎn)換為數(shù)字09和功能鍵與清零鍵的代號。 動態(tài)顯示程序，是先建立待顯示緩沖區(qū)地址指針和共陰極數(shù)碼管的段代碼表；緩沖區(qū)內(nèi)容通過查表得相應(yīng)的段代碼，再用位選信號動態(tài)掃描顯示。 主程序在初始化后調(diào)用鍵盤程序，再判斷返回的值。若為數(shù)字09，則根據(jù)按鍵的次數(shù)進行保存和顯示的處理，當(dāng)

4、按鍵次數(shù)超過八時，喇叭位置一；若為功能鍵，則先判斷上次的功能鍵，根據(jù)代號執(zhí)行不同功能，并將按鍵次數(shù)清零，然后進入BCD碼程序，將計算結(jié)果拆分成個、十、百位，再返回主程序繼續(xù)檢測鍵盤并顯示；若為清零鍵，則返回主程序的最開始。1.1 計算器的歷史說起計算器，值得我們驕傲的是，最早的計算工具誕生在中國。中國古代最早采用的一種計算工具叫籌策，又被叫做算籌。這種算籌多用竹子制成，也有用木頭，獸骨充當(dāng)材料的。約二百七十枚一束，放在布袋里可隨身攜帶。直到今天仍在使用的珠算盤，是中國古代計算工具領(lǐng)域中的另一項發(fā)明，明代時的珠算盤已經(jīng)與現(xiàn)代的珠算盤幾乎相同。17世紀初，西方國家的計算工具有了較大的發(fā)展，英國數(shù)學(xué)

5、家納皮爾發(fā)明的"納皮爾算籌"，英國牧師奧卻德發(fā)明了圓柱型對數(shù)計算尺，這種計算尺不僅能做加減乘除、乘方、開方運算，甚至可以計算三角函數(shù)，指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)，這些計算工具不僅帶動了計算器的發(fā)展，也為現(xiàn)代計算器發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代社會應(yīng)用廣泛的計算工具。1.2 電子計算器的特殊鍵在使用電子計算器進行四則運算的時候，一般要用到數(shù)字鍵，四則運算鍵和清除數(shù)據(jù)鍵。除了這些按鍵，還有一些特殊鍵，可以使計算更加簡便迅速。1.3 單片機概述 單片機是現(xiàn)代電子設(shè)備中使用最廣泛的電子元件。它的價格低廉，功能強大，條件小，性能穩(wěn)定。目前在各類產(chǎn)品中都能看到單片機的身影，如門鈴、報警器、玩具

6、以及各類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 單片機又稱為微處理器，它是把中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器、IO接口、定時器計數(shù)器及其其他通信接口等全部集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機。但隨著大規(guī)模集成電路和計算機的技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在有些單片機本身就帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和串行接口等功能部件，使其更符合多功能控制技術(shù)要求。 單片機在電路中作為一個控制器，在外部必然加一些硬件系統(tǒng)（如驅(qū)動電路、輸入設(shè)備及執(zhí)行機構(gòu)等）和軟件設(shè)計（流程圖、程序）,這樣就是一個實用的控制系統(tǒng)，以滿足各個應(yīng)用領(lǐng)域的需要。 單片機廠商很多，但目前在我國使用最為廣泛的單片機系列Intel公司生產(chǎn)的MCS-5

7、1系列單片機。1.4 設(shè)計要求 1設(shè)計4*4的鍵盤，其中10個數(shù)字鍵09，其余6個為“+” “-” “*”“/” “=”和“C” 2設(shè)計2位LED接口電路 3實現(xiàn)1位數(shù)的簡單運算1.5 我做簡易模擬計算器的過程說明 計算器是數(shù)字電路系統(tǒng)中最基本的功能模塊之一。設(shè)計十進制計算器，要求計算器有計數(shù)允許和復(fù)位輸入及進位輸出功能。計數(shù)時鐘可以用2Hz信號，用LED顯示計數(shù)值。 本設(shè)計要求用仿真和測試兩種手段來驗證計數(shù)器的功能。1.6 系統(tǒng)的基本功能它具有計數(shù)允許，復(fù)位和預(yù)置數(shù)據(jù)功能。二、課題設(shè)計的分析與思路的確定首先本次課程設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個簡單的能進行六位無符號整數(shù)的加減乘除運算的計算器，首先考慮

8、畫原理圖，所用CPU可以選擇AT89C51或AT89C52，我選擇了后者。顯示設(shè)備，因為是六位數(shù)，所以可以選擇一個六位LED液晶顯示屏作顯示器，顯示屏有共陽極的和共陰極的兩種，在這里我選擇了共陽極顯示屏，輸入數(shù)據(jù)低電平有效?？刂贫烁唠娖接行?。程序設(shè)計首先考慮鍵盤，程序要一直不斷地掃描鍵盤，看是否有按鍵按下，當(dāng)按鍵按下時就會執(zhí)行相應(yīng)的程序。鍵盤只需要八個接口就可以完全控制，因此使用AT89C52的一個并行口就可實現(xiàn)，用p1口控制鍵盤實現(xiàn)鍵盤的掃描。用p2口傳送數(shù)據(jù)顯示數(shù)字，用p3口的低六位控制六個數(shù)碼管的顯示。掃描到按鍵就要處理按鍵，顯示09十個數(shù)字，用到按鍵數(shù)據(jù)顯示函數(shù)，數(shù)據(jù)顯示需要一個動態(tài)顯

9、示的過程，計算器要處理第一個數(shù)和運算符，因此還要編寫運算符處理函數(shù)。加減乘除運算的結(jié)果不能在數(shù)碼管上顯示，需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讓六個數(shù)碼管分別顯示各個位上的數(shù)據(jù)。這就需要編寫LED顯示函數(shù)。當(dāng)按下加減乘除運算符處理完相應(yīng)的運算后，要將數(shù)碼顯示管清零以便顯示系一個數(shù)據(jù)，因此又需要編寫清零函數(shù)。整個程序采用函數(shù)思想，將整個程序化整為零。編寫各個函數(shù)然后調(diào)用函數(shù)就可實現(xiàn)計算器功能。程序的整體流程為：1、主函數(shù)調(diào)用鍵盤掃描函數(shù)，2、如果有按鍵且是09十個數(shù)字則調(diào)用按鍵顯示函數(shù)顯示數(shù)字，3、如果是開關(guān)按鍵則調(diào)用清零函數(shù)。4、如果是加減乘除運算符，調(diào)用第一個數(shù)及運算符處理函數(shù)。5、如果是等號按鍵，則調(diào)用運算結(jié)

10、果運算函數(shù)，運算結(jié)果函數(shù)再調(diào)用LED顯示函數(shù)顯示結(jié)果。程序的整體設(shè)計思路就出來了，程序中還會用到延時程序，因此添加完延時程序后，整個程序就編寫完了。三、芯片簡介 3.1 MSC-51芯片簡介MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)   8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。    8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器   &

11、#160;中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)    8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。圖1程序存儲器(ROM)：8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或

12、表格。定時/計數(shù)器(ROM)：8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需

13、外置振蕩電容。單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖5。3.2 MCS-51的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位

14、共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：MCS-51的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：如圖3Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H

15、，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)。8051的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，見下圖4。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。Pin30:ALE/當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當(dāng)訪問外部程序存

16、儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。在編程時，EA/Vpp腳還需加上2

17、1V的編程電壓。四、計算器程序設(shè)計4.1存儲單元分配30H單元:數(shù)值個位顯示單元；31H單元：數(shù)值十位顯示單元；32H單元：數(shù)值百位顯示單元；33H單元：數(shù)值千位顯示單元；23H單元：第一操作數(shù)存儲單元；24H單元：第二操作數(shù)存儲單元；25H單元：鍵值暫存單元；27H單元：清除鍵狀態(tài)；34H-37H單元：結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換暫存單元；38H-39H單元：結(jié)果高低8位暫存單元；R5單元：操作數(shù)計數(shù)單元；R4單元：操作數(shù)數(shù)值位數(shù)計數(shù)單元；R3單元：運算符號存儲單元。4.2 主程序設(shè)計主程序進行程序中用到的一些存儲單元的初始化，數(shù)值顯示和4*4鍵盤掃描。首先，進行存儲單元初始化，給數(shù)碼管顯示單元30H-33

18、H賦予“0000”字形數(shù)據(jù)，將數(shù)值計數(shù)單元，存儲單元，23H-25H,34H-37H,38H,39H,3AH,3BH,3CH,賦予初值零。之后，調(diào)用鍵盤掃描子程序，和數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，數(shù)碼管動態(tài)顯示子程序。主程序不斷進行鍵盤掃描，數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序和動態(tài)顯示子程序。4.3 數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序CONV由于數(shù)值單元存放的是二進制數(shù)，而用戶熟悉的是十進制數(shù)，所以應(yīng)將數(shù)值單元中的二進制轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，即BCD碼。要通過數(shù)碼管顯示出當(dāng)前數(shù)值，還必須將BCD碼進一步轉(zhuǎn)換為七段碼，轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果數(shù)據(jù)存放于顯示緩沖區(qū)30H-33H單元中，其中30H單元存放數(shù)值的個位七段碼，31H單元存放數(shù)值

19、的十位七段碼，32H單元存放數(shù)值的百位七段碼，33H單元存放數(shù)值的千位七段碼。4.4 數(shù)碼管動態(tài)顯示子程序本任務(wù)由P1口輸出字形碼，P0口輸出字位碼。先將存放于30H單元的數(shù)值個位七段碼由P1口輸出，同時P0口輸出使數(shù)值個位顯示數(shù)碼管點亮的字位碼。由于采用的是共陽數(shù)碼管，所以只有該位數(shù)碼管對應(yīng)的P0.0為1，其他位位0，點亮延時10MS。然后P1口輸出數(shù)值十位七段碼，P0.1位1，數(shù)值十位數(shù)碼管點亮，延時10MS。接著P1口輸出數(shù)值百位七段碼，P0.2為1，數(shù)值百位數(shù)碼管點亮，延時10MS。最后P1口輸出數(shù)值千位七段碼，P0.3為1，數(shù)值千位數(shù)碼管點亮，延時10MS。五、 連接知識5.1鍵盤的

20、連接鍵盤由4*4共16個按鍵組成，10個數(shù)字鍵（由0-9組成）5個運算符號（加減乘除等于）組成，1個清除鍵（作用相當(dāng)于整體復(fù)位）。鍵盤只需要八個接口就可以完全控制，因此使用AT89C52的一個并行口就可實現(xiàn)，用p1口控制鍵盤實現(xiàn)鍵盤的掃描。用p2口傳送數(shù)據(jù)顯示數(shù)字，用p3口的低六位控制六個數(shù)碼管的顯示。監(jiān)測是否有鍵按下，有鍵按下時，在無硬件去抖的動電路時，應(yīng)用軟件延時方法消除按鍵抖動影響；當(dāng)有多個鍵同時按下時，只處理一個按鍵，不管一次按鍵持續(xù)多長時間，僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。鍵盤連接圖如下。5.2、顯示器的連接 在本任務(wù)中用6位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前數(shù)值的十萬，萬，千，百，十，個，由于數(shù)碼管個數(shù)

21、多，如采用靜態(tài)顯示方式，則占用單片機的I/O口線太多，如果用定時器/計數(shù)器的串行移位寄存器工作方式及外接串入并出移位寄存器74LS164的方式，則電路復(fù)雜。所以，在數(shù)碼管個數(shù)較多時，常采用動態(tài)顯示方式。顯示屏有共陽極的和共陰極的兩種，這這里我們選擇共陽極顯示屏，輸入數(shù)據(jù)低電平有效，控制端高電平有效。6位數(shù)碼管的相同段并聯(lián)在一起，由一個8位I/O（P1口）輸出字形碼控制顯示某一字形，每個數(shù)碼管的公共端由另外一個I/O口（P2口)輸出的字位碼控制，即數(shù)碼管顯示的字形是由單片機I/O口輸出的字形碼確定，而哪個數(shù)碼管點亮是由單片機I/O口輸出的字位碼確定的。6個數(shù)碼管分時輪流循環(huán)點亮，在同一時刻只有1

22、個數(shù)碼管點亮， 本此硬件連接的系統(tǒng)總框圖如下： 六、仿真過程程序編寫完成后，編譯、連接、運行程序，生成hex文件。如果程序有錯進行調(diào)試，按f10進行單步調(diào)試，調(diào)試無誤后會生成hex文件，右鍵單擊cpu后添加hex文件，將軟件與硬件結(jié)合起來進行仿真，輸入數(shù)據(jù)檢測加減乘除運算。當(dāng)然程序運行無誤并不等于完成任務(wù)，如果硬件不能實現(xiàn)預(yù)設(shè)的功能，還需要檢查源程序采用單步調(diào)試，選取變量，觀察變量值是否符合。多次調(diào)試直到與預(yù)想功能符合時，仿真成功。調(diào)試過程中最主要的難點就是程序運行正確，硬件卻不能實現(xiàn)其功能,語法邏輯錯誤好檢查，但功能錯誤卻難檢查，這需要認真檢查程序的每一步，全局縱觀程序。在功能上找出錯誤。當(dāng)然在本程序中我采用了結(jié)構(gòu)化的程序結(jié)構(gòu)，以減輕工作復(fù)雜度和難度，在單步調(diào)試的過程中，可以每個函數(shù)分開調(diào)試，單個函數(shù)比較短小，調(diào)試起來就比整個程序調(diào)試簡單的多。把一項復(fù)雜的工作分成多個簡單工作去做會大大提高工作效率。七、