簡易計(jì)算器設(shè)計(jì)說明書課件

1、塔里木大學(xué)摘 要單片機(jī)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)制造技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，它是嵌入式控制系統(tǒng)的核心。如今，它已廣泛的應(yīng)用到我們生活的各個領(lǐng)域，電子、科技、通信、汽車、工業(yè)等。計(jì)算器的出現(xiàn)給我們的生活帶來了巨大的便利，計(jì)算器在我們的生活中隨處可見，也是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚墓ぞ?。本設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)來進(jìn)行的數(shù)字計(jì)算器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以完成計(jì)算器的鍵盤輸入，進(jìn)行加、減、乘、除簡單的基本四則運(yùn)算，并在LCD上顯示相應(yīng)的結(jié)果。設(shè)計(jì)電路采用AT89C51單片機(jī)為主要控制電路，利用按鍵作為計(jì)算器的鍵盤的輸入。顯示采用字符LCD靜態(tài)顯示。軟件方面使用C語言編程，并用PROTUES仿真。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)。它是在

2、一塊芯片上集成中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時/計(jì)數(shù)器及I/O接口電路等部件，構(gòu)成一個完整的微型計(jì)算機(jī)。它的特點(diǎn)是：高性能，高速度，體積小，價格低廉，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛。單片機(jī)比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。本文介紹了單片機(jī)的產(chǎn)生發(fā)展、功能特點(diǎn)、應(yīng)用開發(fā)等內(nèi)容?！娟P(guān)鍵詞】 簡單計(jì)算器 單片機(jī) LCD 應(yīng)用發(fā)展背景近年來，單片機(jī)以其體積小、價格廉、面向控制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)控制、儀器儀表、設(shè)備、產(chǎn)品的自動化、智能化方面獲得了廣泛的應(yīng)用。與此同時，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性成為人們越來越關(guān)注的重要課題。影響可靠性的因素是多方面的

3、，如構(gòu)成系統(tǒng)的元器件本身的可靠性、系統(tǒng)本身各部分之間的相互耦合因素等。其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用80c51 芯片，實(shí)現(xiàn)了利用單片機(jī)進(jìn)行了一個簡單計(jì)算器設(shè)計(jì)。允許對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加減乘除運(yùn)算及LCD 顯示如果設(shè)計(jì)對象是更為復(fù)雜的計(jì)算器系統(tǒng)，其實(shí)際原理與方法與本設(shè)計(jì)基本相同。LCD液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動方向，從而達(dá)到控制每個像素點(diǎn)偏振光出射與否而達(dá)到顯示目的?，F(xiàn)在

4、LCD已經(jīng)替代CRT成為主流，價格也已經(jīng)下降了很多，并已充分的普及。故采用LCD設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，必須非常熟悉單片機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)，同時還要對整個設(shè)計(jì)流程有很好的把握，將單片機(jī)和其他模塊完整的銜接。本設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)來進(jìn)行的數(shù)字計(jì)算器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以完成計(jì)算器的鍵盤輸入，進(jìn)行加、減、乘、除基本四則運(yùn)算，并在LCD上顯示相應(yīng)的結(jié)果；設(shè)計(jì)電路采用AT89C51單片機(jī)為主要控制電路，顯示采用字符LCD靜態(tài)顯示；軟件方面使用C語言編程，并用PROTUES仿真。塔里木大學(xué)目錄摘要背景1.緒論11.1設(shè)計(jì)的目的意義11.2.設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求11.3 計(jì)算器設(shè)計(jì)所用的方法12. 方案設(shè)計(jì)22.1 方案論述

5、22.2 方案論證33.整體設(shè)計(jì)34.硬件系統(tǒng)框架44.1 Lcd1602顯示器44.2單片機(jī)64.3復(fù)位電路74.4 按鍵電路75. 軟件設(shè)計(jì)程序框圖85.1程序流程圖85.2 程序模塊化編寫95.3主函數(shù)程序設(shè)計(jì)106軟件仿真與調(diào)試126.1 Proteus 仿真軟件的介紹126.2 Proteus 電路仿真圖126.3 軟件調(diào)試136.4 測試分析13總結(jié)14【參考文獻(xiàn)】附錄1.緒論1.1設(shè)計(jì)的目的意義隨著社會的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，人們的生活水平在逐步的提高，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, 單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)越來越貼近生活，電子計(jì)算器在我們的

6、生活中隨處可見，給我們的生活帶來了巨大的便利，隨著技術(shù)的不斷更新，用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)一些電子設(shè)計(jì)也變得容易起來。通過本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)，應(yīng)用所學(xué)相關(guān)知識資料，來完成簡易計(jì)算器的設(shè)計(jì)，以達(dá)到理論與實(shí)際更好相結(jié)合進(jìn)一步提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識和設(shè)計(jì)能力的目的。通過本次設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，可以使我在基本思路和基本方法上對基于51 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)有一個比較感性的認(rèn)識，并具備一定程度的設(shè)計(jì)能力。1.2.設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求為了滿足計(jì)算器的基本要求，可以基本的運(yùn)算（加減乘除），數(shù)據(jù)歸零和出錯警告提示，我們采用基于單片機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算器，并用LCD字符液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，4*4 的矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入分別對鍵盤輸入檢測模塊；LCD顯示

7、模塊；算術(shù)運(yùn)算模塊；按鍵處理及提示模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用設(shè)計(jì)了系統(tǒng)方框圖，同時使用了KeiluVision4與Proteus軟件進(jìn)行了仿真分析其設(shè)計(jì)結(jié)果1.3 計(jì)算器設(shè)計(jì)所用的方法 以單片機(jī)為控制器件，采用c語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)智能控制，結(jié)合外圍電子電路，可以進(jìn)行“加、減、乘、除”四則運(yùn)算。 使用單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算器系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為主控單元， 借助Proteus軟件，進(jìn)行仿真，對設(shè)計(jì)原理、檢測方法進(jìn)行驗(yàn)證。 借助了KeiluVision4軟件對程序進(jìn)行了調(diào)試和修改。 在基于51單片機(jī)的開發(fā)板上進(jìn)行了測試。2.方案設(shè)計(jì) 2.1 方案論述 方案一 根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)選用MCS-

8、51系列單片機(jī)AT89C51為主控機(jī)。通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對計(jì)算器的設(shè)計(jì)。計(jì)算器電路包括三個部分：顯示電路、4*4鍵掃描電路、單片機(jī)微控制電路。用七段數(shù)碼管作為顯示電路，矩陣鍵盤作為輸入電路。模塊圖如圖1.1所示。 圖2.1.1 方案一模塊圖 方案二根據(jù)計(jì)算器的功能要求，選擇AT89C51為主控機(jī)，通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對計(jì)算器的設(shè)計(jì)。外部主要由4*4按鍵鍵盤和一個液晶顯示屏構(gòu)成，內(nèi)部由一塊AT89C51單片機(jī)構(gòu)成。計(jì)算器電路包括四個部分：選用LCD作為顯示部分，鍵盤作為輸入部分，運(yùn)算模塊，單片機(jī)控制部分。模塊圖如圖2.2所示。 圖2.1.2 方案二模塊圖2.2 方案論證

9、方案一： 這種方案功能簡單，在生活中使用較少，缺乏實(shí)際于運(yùn)用價值，用數(shù)碼管顯示，不能顯示字符，所以不能顯示運(yùn)算過程。方案二： 此種方案較為經(jīng)濟(jì)，方便，具有模塊化的特點(diǎn)，因?yàn)閷⒂?jì)算運(yùn)算電路全部集成在了51單片機(jī)上，具有高效率，運(yùn)算功能強(qiáng)大。lcd1602字符液晶顯示器可以顯示運(yùn)算過程，便于計(jì)算，隨著價格的下降，已經(jīng)成為了生活中計(jì)算器的主流配置。綜上所述：所以我們小組采用方案二，采用89c51單片機(jī)為運(yùn)算處理模塊，使用lcd1602字符液晶顯示器來做顯示模塊，矩陣鍵盤為輸入模塊，這種設(shè)計(jì)便于觀看，大大提升了我們使用計(jì)算器的便利度。3.整體設(shè)計(jì)根據(jù)簡易計(jì)算器的功能和指標(biāo)要求，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用MCS-5

10、1系列單片機(jī)AT89C51為主控機(jī)。通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對簡易計(jì)算器的設(shè)計(jì)。計(jì)算器電路包括三個部分：顯示電路、4*4按鍵電路、單片機(jī)微控制電路。具體設(shè)計(jì)如下：（1）由于要設(shè)計(jì)的是簡單的計(jì)算器，可以進(jìn)行四則運(yùn)算，為了得到較好的顯示效果，采用lcd1602字符液晶顯示器,顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果。（2）另外鍵盤包括數(shù)字鍵（09）、符號鍵（+、-、×、÷）、.和等號鍵，故只需要16 只按鍵即可。（3）執(zhí)行過程：開機(jī)顯示零，等待鍵入數(shù)值，當(dāng)鍵入數(shù)字，通過LCD顯示出來，當(dāng)鍵入+、-、*、/運(yùn)算符，計(jì)算器在內(nèi)部執(zhí)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和存儲，并等待再次鍵入數(shù)值，當(dāng)再鍵入數(shù)值后將顯示鍵入的數(shù)值，

11、按等號就會在LCD上輸出運(yùn)算結(jié)果。（4）數(shù)據(jù)溢出或出現(xiàn)錯誤，會進(jìn)行出錯提示。整體設(shè)計(jì)框圖如下圖所示圖1.3 線路原理框圖4.硬件系統(tǒng)框架4.1 Lcd1602顯示器4.1.1 LCD1602顯示器LCD1602已很普遍了，具體介紹我就不多說了，市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的。字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。如下圖： 圖 4.1.1 LCD1602顯示器4.1.2 引腳功能圖4.1.2 引腳功能圖液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性

12、， 通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。4.1.3 LCD1602的指令說明及時序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如下表所示：序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址00

13、01字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 圖4.1.3 控制指令4.14 液晶顯示模塊液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙判別標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖4.1.4是1602的內(nèi)部顯示地址。圖4.1.4 1602LCD內(nèi)部顯示地址4.2單片機(jī)AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flas

14、h 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、更有效的解決方案。引腳結(jié)構(gòu)如下圖 圖4.2 引腳結(jié)構(gòu)4.3復(fù)位電路當(dāng)單片機(jī)工作于內(nèi)部時鐘模式的時候，只需在XTAL1和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或者陶瓷振蕩器，并接兩個電容后接地即可，在使用時對于電容的選擇有一定的要求：當(dāng)外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=30+10pF或30-10pF；當(dāng)外接陶瓷振蕩

15、器的時候，電容值一般選擇C1=C2=40+10pF或40-10pF； 圖 4.3 復(fù)位電路4.4 按鍵電路在按鍵輸入方面，我們采用4*4的矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)，具體連接電路如圖4.4所示。通過基于狀態(tài)機(jī)的按鍵掃描程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)4*4矩陣鍵盤的按鍵監(jiān)控。 圖4.4 按鍵輸入電路5. 軟件設(shè)計(jì)程序框圖 5.1程序流程圖5.1.1主流程圖和算術(shù)運(yùn)算流程圖圖5.1.1 (1 )主流程圖圖5.1.1 (2) 算術(shù)運(yùn)算流程5.1.2 鍵盤輸入流程圖 圖5.1.2 鍵盤輸入流程圖5.2 程序模塊化編寫Keil uVision4是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近

16、于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項(xiàng)目開發(fā)周期程序采用模塊化編寫，分為了主程序模塊、lcd1602顯示模塊、鍵盤程序模塊和延時程序模塊。如下圖所示： 圖 5.2 程序模塊化5.3 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)#include<reg52.h> /包含頭文件，一般情況不需要改動，頭文件包含特殊功能寄存器的定義#include<stdio.h>#include"1602.h"#include"delay.h"#include"keyboar

17、d.h"sbit beep=P20;sbit led=P21;/*-主程序-*/main () unsigned char num,i,sign; unsigned char temp16; /最大輸入16個 bit firstflag; float a=0,b=0; unsigned char s; LCD_Init(); /初始化液晶屏 DelayMs(10); /延時用于穩(wěn)定，可以去掉 LCD_Clear(); /清屏 LCD_Write_String(0,0,"Welcome to use!"); /寫入第一行信息，主循環(huán)中不再更改此信息，所以在while

18、之前寫入 LCD_Write_String(0,1,"cxk,wxx,zyc"); /寫入第二行信息，提示輸入 for(s=0;s<25;s+)/延時5s DelayMs(40); LCD_Clear(); LCD_Write_String(0,0," LCD calculator"); /寫入第一行信息，主循環(huán)中不再更改此信息LCD_Write_String(0,1,"press butten."); /寫入第二行信息，提示輸入while (1) num=KeyPro(); /掃描鍵盤 if(num!=0xff) /如果掃描是

19、按鍵有效值則進(jìn)行處理 beep=0; led=0; DelayMs(500); beep=1;led=1; if(i=0) /輸入是第一個字符的時候需要把改行清空，方便觀看 LCD_Clear();if('+'=num)| (i=16) | ('-'=num) | ('x'=num)| ('/'=num) | ('='=num)/輸入數(shù)字最大值16，輸入符號表示輸入結(jié)束 i=0; if(firstflag=0) /如果是輸入的第一個數(shù)據(jù)，賦值給a，并把標(biāo)志位置1，到下一個數(shù)據(jù)輸入時可以跳轉(zhuǎn)賦值給b sscanf(t

20、emp,"%f",&a); firstflag=1; else sscanf(temp,"%f",&b); for(s=0;s<16;s+) /賦值完成后把緩沖區(qū)清零，防止下次輸入影響結(jié)果 temps=0; LCD_Write_Char(0,1,num); / if(num!='=') /判斷當(dāng)前符號位并做相應(yīng)處理 sign=num; /如果不是等號記下標(biāo)志位 else firstflag=0; /檢測到輸入=號，判斷上次讀入的符合 switch(sign) case '+':a=a+b;break;

21、case '-':a=a-b;break;case 'x':a=a*b;break;case '/':a=a/b;break;default:break; sprintf(temp,"%g",a); /輸出浮點(diǎn)型，無用的0不輸出 LCD_Write_String(1,1,temp);/顯示到液晶屏 sign=0;a=b=0; /用完后所有數(shù)據(jù)清零 for(s=0;s<16;s+) temps=0; elseif(i<16) if(1=i)&& (temp0='0') )/如果第一個字

22、符是0，判讀第二個字符 if(num='.') /如果是小數(shù)點(diǎn)則正常輸入，光標(biāo)位置加1 temp1='.'LCD_Write_Char(1,0,num);/輸出數(shù)據(jù)i+; /這里沒有判斷連續(xù)按小數(shù)點(diǎn)，如0.0.0 else temp0=num; /如果是1-9數(shù)字，說明0沒有用，則直接替換第一位0 LCD_Write_Char(0,0,num);/輸出數(shù)據(jù) else tempi=num; LCD_Write_Char(i,0,num);/輸出數(shù)據(jù) i+; /輸入數(shù)值累加 6軟件仿真與調(diào)試6.1 Proteus 仿真軟件的介紹Proteus軟件是英國Labcent

23、er electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺。6.2 Proteus 電路仿真圖本設(shè)計(jì)選用AT89C51單片機(jī)為主控單元； 顯示部分：采用LCD靜態(tài)顯示；按鍵部分：采用4*4鍵盤，據(jù)有按鍵指示燈和提示聲；讀取輸入的鍵值?？傮w設(shè)計(jì)效果如下圖：

24、 圖 6.2 計(jì)算器的總體仿真圖6.3 軟件調(diào)試?yán)梅抡孳浖ROTEUS的仿真功能可以有效地檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的原理圖是否在理論上正確合理。分別進(jìn)行“加、減、乘、除”計(jì)算，來進(jìn)行測試。運(yùn)行Proteus按下按鍵進(jìn)行死則計(jì)算，即可在顯示器中觀測到顯示結(jié)果。在聯(lián)機(jī)調(diào)試的過程中，一開始沒有做數(shù)值溢出方面的控制，導(dǎo)致LCD顯示的輸入數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不相符。后來經(jīng)過計(jì)算得到有符號長整型的表示范圍為-21474836482147483647為本計(jì)算器的最大表示范圍，以此來控制數(shù)值溢出。 加法計(jì)算 減法計(jì)算 乘法計(jì)算 除法計(jì)算 圖 6.3 測試過程6.4測試分析 優(yōu)點(diǎn): 通過仿真測試，我們發(fā)現(xiàn)，我們編寫的計(jì)算機(jī)c語言程序，只要在程序里修改端口，鍵盤可以接在單片機(jī)的任意I/O口，進(jìn)行輸入；利用LCD1602自負(fù)液晶顯示器，顯示效果更加清晰，運(yùn)算過程更加明顯；在運(yùn)算過程方面，可以計(jì)算小數(shù)，使用起來更加方便。 不足：通過不端的調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)輸出的結(jié)果不能接著進(jìn)行下一次計(jì)算，也就是輸出結(jié)果不能作為輸入使用，這是需要我們改進(jìn)的地方；設(shè)計(jì)屬于簡易計(jì)算器范圍，不能進(jìn)行乘方和開方的運(yùn)算。 總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，