《自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的簡(jiǎn)單計(jì)算器設(shè)計(jì)與仿真

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 姓名： 設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易計(jì)算器設(shè)計(jì)與仿真 一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件：地 點(diǎn)：自動(dòng)化系實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備：pc機(jī)（ 裝有keil；protues；word ；visio ）二、設(shè)計(jì)任務(wù)：本系統(tǒng)選用at89c51單片機(jī)為主控機(jī)。通過(guò)擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算器的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)如下：（1）由于設(shè)計(jì)的計(jì)算器要進(jìn)行四則運(yùn)算，為了得到較好的顯示效果，經(jīng)綜合分析后，最后采用lcd 顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果。（2）采用鍵盤輸入方式，鍵盤包括數(shù)字鍵（09）、符號(hào)鍵（+、-、）、清除鍵(onc)和等號(hào)鍵（=），故只需要16 個(gè)按鍵即可，設(shè)計(jì)中采用集成的計(jì)算鍵盤。（3）

2、在執(zhí)行過(guò)程中，開機(jī)顯示零，等待鍵入數(shù)值，當(dāng)鍵入數(shù)字，通過(guò)lcd顯示出來(lái)，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(chǔ)，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，按等號(hào)就會(huì)在lcd上輸出運(yùn)算結(jié)果。（4）錯(cuò)誤提示：當(dāng)計(jì)算器執(zhí)行過(guò)程中有錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)在lcd上顯示相應(yīng)的提示,如：當(dāng)輸入的數(shù)值或計(jì)算得到的結(jié)果大于計(jì)算器的表示范圍時(shí)，計(jì)算器會(huì)在lcd上提示overflow；當(dāng)除數(shù)為0時(shí)，計(jì)算器會(huì)在lcd上提示error。設(shè)計(jì)要求：分別對(duì)鍵盤輸入檢測(cè)模塊；lcd顯示模塊；算術(shù)運(yùn)算模塊；錯(cuò)誤處理及提示模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用visio畫系統(tǒng)方框圖，keil與protues仿真分析其設(shè)計(jì)結(jié)果。三

3、、設(shè)計(jì)時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間安排：1、設(shè)計(jì)時(shí)間：6月27日7月8日2、設(shè)計(jì)時(shí)間安排： 熟悉課題、收集資料： 3天（6月27日 6月29日) 具體設(shè)計(jì)（含上機(jī)實(shí)驗(yàn)）： 6天（6月30日 7月5日)編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書： 2天（7月6日 7月7日)答辯： 1天（7月8日）四、設(shè)計(jì)說(shuō)明書的內(nèi)容：1、前言：(自己寫，組員之間不能相同，寫完后將紅字刪除，排版時(shí)注意對(duì)齊）本設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)來(lái)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，利用mm74c922作為計(jì)算器4*4鍵盤的掃描ic讀取鍵盤上

4、的輸入；顯示采用字符lcd靜態(tài)顯示；軟件方面使用c語(yǔ)言編程，并用protues仿真。2、設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)：現(xiàn)實(shí)生活中人們熟知的計(jì)算器，其功能主要如下：（1）鍵盤輸入；（2）數(shù)值顯示；（3）加、減、乘、除四則運(yùn)算；(4)對(duì)錯(cuò)誤的控制及提示。針對(duì)上述功能，計(jì)算器軟件程序要完成以下模塊的設(shè)計(jì)：(1)鍵盤輸入檢測(cè)模塊；（2）lcd顯示模塊；（3）算術(shù)運(yùn)算模塊；（4）錯(cuò)誤處理及提示模塊。3、主體設(shè)計(jì)部分：（1）、系統(tǒng)模塊圖：（2）、算術(shù)運(yùn)算程序流程圖：（3）、系統(tǒng)總流程圖：（4）、硬件設(shè)計(jì)：（一）、總體硬件設(shè)計(jì)：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

5、*4鍵盤；用mm74c922為4*4鍵盤掃描ic，讀取輸入的鍵值?？傮w設(shè)計(jì)效果如下圖：（二）、單片機(jī)接口電路說(shuō)明：1、手動(dòng)上電復(fù)位電路：當(dāng)vcc上電時(shí)，c充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后，c充滿，10k電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下s，c放電。s松手，c又充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 2、內(nèi)部時(shí)鐘模式電路：當(dāng)單片機(jī)工作于內(nèi)部時(shí)鐘模式的時(shí)候，只需在xtal1和xtal2引腳連接一個(gè)晶體振蕩器或者陶瓷振蕩器，并接兩個(gè)電容后接地即可，在使用時(shí)對(duì)于電容的選擇有一定的要求：當(dāng)外接晶體振蕩器的時(shí)

6、候，電容值一般選擇c1=c2=30+10pf或30-10pf；當(dāng)外接陶瓷振蕩器的時(shí)候，電容值一般選擇c1=c2=40+10pf或40-10pf；3、at89c51單片機(jī)引腳介紹：vcc： 供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流

7、。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。

8、p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口：p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入） p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） p3.7 /rd（外部

9、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ale/prog：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí)， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。

10、如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無(wú)效。 /psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。4、單片機(jī)與復(fù)位、時(shí)

11、鐘電路連接電路圖：（三）、鍵盤接口電路：計(jì)算器輸入數(shù)字和其他功能按鍵要用到很多按鍵，如果采用獨(dú)立按鍵的方式，在這種情況下，編程會(huì)很簡(jiǎn)單，但是會(huì)占用大量的i/o 口資源，因此在很多情況下都不采用這種方式，而是采用矩陣鍵盤的方案。矩陣鍵盤采用四條i/o 線作為行線，四條i/o 線作為列線組成鍵盤，在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個(gè)數(shù)就為44個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中i/o 口的利用率。矩陣鍵盤的工作原理：計(jì)算器的鍵盤布局如圖1所示：一般有16個(gè)鍵組成，在單片機(jī)中正好可以用一個(gè)p口實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵功能，這種形式在單片機(jī)系統(tǒng)中也最常用。圖 1 矩陣鍵盤布局圖矩

12、陣鍵盤內(nèi)部電路圖如圖2所示：為了進(jìn)一步節(jié)省單片機(jī)i/o口資源，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用了mm74c922芯片。mm74c922是一款4*4鍵盤掃描ic，它可檢測(cè)到與之相連的4*4鍵盤的按鍵輸入，并通過(guò)數(shù)據(jù)輸出口將按鍵相應(yīng)的編碼輸出。其引腳圖如圖3所示：圖3 mm94c22硬件圖mm74c922引腳說(shuō)明：(1) y1y4（腳1腳4）：4*4鍵盤第一列至第四。(2) x1x4（腳11、10、8、7）：4*4鍵盤第一行至第四行。(3) doa dod（dataout ad，腳1417）：按鍵之bcd碼輸出，其中doa為lsb，dod為msb。(4) vcc（腳18）：電源腳，+3v+15v。ab126計(jì)算公

13、式大全(5) gnd（腳9）：接地管腳。新藝圖庫(kù)(6) osc（oscillator，腳5）：鍵盤掃描電路之頻率所需外加電容的連引腳。(7) kbm（keyboard mask，腳6）：內(nèi)部消除開關(guān)彈跳電路所外加電容的引腳。(8) oe（output enable，腳13）：芯片使能腳，接低電位可使芯片使能。(9) da（data available，腳12）：數(shù)據(jù)有效輸出腳。任一按鍵按下時(shí)，此腳位會(huì)輸出高電位，按鍵釋放后此腳又會(huì)恢復(fù)為低電位。mm74c922對(duì)各按鍵的響應(yīng)如下表所示：如下圖4所示，在本設(shè)計(jì)中，計(jì)算器輸入鍵盤的4條行線、列線分別連接到mm74c922的x1-x4、y1-y4引腳

14、，mm74c922的數(shù)據(jù)輸出口與單片機(jī)的p2口相連，mm74c922的da引腳經(jīng)過(guò)一個(gè)非門連接到單片機(jī)的/int0腳，當(dāng)mm74c922檢測(cè)到鍵盤輸入時(shí)，da產(chǎn)生高電平，與之相連的/int0檢測(cè)到低電平，給單片機(jī)一個(gè)中斷，單片機(jī)從p2口的低四位讀入鍵盤上按下的鍵的值。圖4 鍵盤接口電路圖 （四）、lcd顯示模塊：本設(shè)計(jì)采用lcd液晶顯示器來(lái)顯示輸出數(shù)據(jù)。通過(guò)d0-d7引腳向lcd寫指令字或?qū)憯?shù)據(jù)以使lcd實(shí)現(xiàn)不同的功能或顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。圖5 lcd 模塊（五）運(yùn)算模塊（單片機(jī)控制）：mcs-51 單片機(jī)是在一塊芯片中集成了cpu、ram、rom、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能i/o等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基

15、本功能部件。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器（cpu）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）、程序存儲(chǔ)器（rom/eprom）、并行i/o 口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（sfr）。單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，通過(guò)使用單片機(jī)編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！因此我們采用單片機(jī)作為計(jì)算器的主要功能部件，可以很快地實(shí)現(xiàn)運(yùn)算功能。3.5、軟件編程：1、主函數(shù)設(shè)計(jì)：/*函數(shù)聲明*/#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsig

16、ned intchar translate(int keycode);void arithmetic();void init_lcm();void write_data(char ddata);void write_com(char command);void check_bf();void clearlcd();void display(long a);void dealerror(); void dataoverflow();/*定義變量和數(shù)組*/long x=0,y=0,num=0;int operators,input,iny=0;char key;char error5=error;

17、char overflow8=overflow;sbit en=p34;sbit r_w=p35;sbit rs=p36;/*主函數(shù)*/main()ea=1;ex0=1;it0=1;p2=0xff;display(0);init_lcm();write_data(0x30);while(1)2、分塊程序設(shè)計(jì)：（1）、鍵盤輸入檢測(cè)程序設(shè)計(jì)：有鍵按下時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷0，轉(zhuǎn)入外部中斷0中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)中完成對(duì)按鍵的判斷，以進(jìn)行下一步的程序處理。/*鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值函數(shù)*/char translate(int keycode)switch(keycode)case 0:retu

18、rn 7;break;case 1:return 4;break;case 2:return 1;break;case 3:return c;break;case 4:return 8;break;case 5:return 5;break;case 6:return 2;break;case 7:return 0;break;case 8:return 9;break;case 9:return 6;break;case 10:return 3;break;case 11:return =;break;case 12:return /;break;case 13:return *;break

19、;case 14:return -;break;case 15:return +;break; /*外部中斷0處理函數(shù)*/void int_0(void) interrupt 0 using 0key=translate(p2&0x0f);if(key=0) /判斷按下的鍵是否為數(shù)值num=num*10+(key-0);if (operators0)y=num;iny=1;elsex=num;if(num-134217728) /當(dāng)前數(shù)值是否超出限定范圍display(num);elsedataoverflow();elseswitch(key)case c:x=0;y=0;num=0;iny

20、=0;operators=0;display(num);break;case =:arithmetic();iny=0;operators=0;num=0;break;case +: if (operators)arithmetic();operators=1;num=0;break;case -: if (operators)arithmetic();operators=2;num=0;break;case *: if (operators)arithmetic();operators=3;num=0;break;case /:if (operators)arithmetic();opera

21、tors=4;num=0;break;（2）、算術(shù)運(yùn)算程序設(shè)計(jì)：/*算術(shù)運(yùn)算函數(shù)*/void arithmetic()if (iny)switch(operators)case 1:x=x+y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 2:x=x-y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 3:x=x*y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();

22、break;case 4:if (y=0)dealerror();elsex=x/y;num=x; if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;y=0;（3）、lcd顯示程序設(shè)計(jì)：利用lcd靜態(tài)顯示，通過(guò)程序向lcd寫指令字或數(shù)據(jù)使lcd完成不同功能或顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。/*lcd初始化函數(shù)*/void init_lcm()write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x38);write_com(0x08);write_com(0x01);write_com(0

23、x06);write_com(0x0e);/*lcd寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/void write_data(char ddata)rs=1;/*寫指令*/r_w=0;en=1;/*使能信號(hào)開*/p1=ddata;/*將數(shù)據(jù)送入p1口*/en=0;/*使能信號(hào)關(guān)*/check_bf();/*lcd寫指令函數(shù)*/void write_com(char command)rs=0;/*寫指令*/r_w=0;en=1;/*使能信號(hào)開*/p1=command;/*將數(shù)據(jù)送入p1口*/en=0;/*使能信號(hào)關(guān)*/check_bf();/*lcd檢查忙碌函數(shù)*/void check_bf()char i,x=0x80;p1=0xff;while(x&0x80)rs=0;r_