基于MCS51單片機的簡易計算器的設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計論文

1、基于mcs-51單片機的簡易計算器的設(shè)計與實現(xiàn)【摘要】當今社會，隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，電子產(chǎn)品已經(jīng)走進了家家戶戶，無論是生活或?qū)W習，還是娛樂和消遣幾乎樣樣都離不開電子產(chǎn)品，大型復(fù)雜的計算能力是人腦所不能勝任的，而且比較容易出錯。計算器作為一種快速通用的計算工具方便了用戶的使用，可是它還在發(fā)展之中，以后必將出現(xiàn)功能更加強大的計算器，所以本次設(shè)計是基于51單片機來設(shè)計的計算器，實現(xiàn)基本功能加減乘除，采用lcd顯示結(jié)果數(shù)據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】mcs-51；mm74c922；protues；矩陣鍵盤；計算器design and implementation of a simple calculator

2、based on mcs-51 single chip microcomputer【abstract】nowadays, with the continuous improvement of people's living, electronic products have already walked into each and every family, whether life or learning, or entertainment and recreation almost everything cannot do without the electronic produc

3、ts, computing capability of large and complex is the human brain are not competent, and relatively easy to go wrong. the calculator as a fast general-purpose computing tools are easy to use, but it is still in development, later will appear a calculator function more powerful, so this design is to d

4、esign based on 51 single chip computer, the realization of the basic functions of add, subtract, multiply and divide, uses lcd to display the results of data.【keywords】mcs-51；mm74c922；protues；matrix keyboard ；calculator目 錄第一章 緒論11.1 設(shè)計背景11.2 設(shè)計內(nèi)容11.3 設(shè)計意義1第二章 設(shè)計方案及技術(shù)基礎(chǔ)12.1 設(shè)計方案12.2 方案論證及設(shè)計12.3 mcs-5

5、1單片機及開發(fā)環(huán)境介紹22.3.1 mcs-51系列單片簡介22.3.2 mm74c922芯片3第三章 硬件設(shè)計43.1 硬件電路設(shè)計43.1.1 電路設(shè)計原理43.1.2 硬件電路設(shè)計53.2 時鐘電路53.3 復(fù)位電路63.4 輸入模塊：鍵盤接口電路6第四章 軟件設(shè)計84.1 主程序設(shè)計84.2 外部中斷0處理程序84.2.1 鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值程序94.2.2 算術(shù)運算程序104.3 lcd顯示程序10第五章 開發(fā)體會135.1 keil軟件調(diào)試135.2 protues軟件仿真14第六章 總結(jié)15參考文獻16致 謝17附 錄18第一章 緒論1.1 設(shè)計背景隨著社會的發(fā)展，科學(xué)的進步

6、，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, 單片機的應(yīng)用已經(jīng)越來越貼近生活。計算器在人們的日常中就是比較的常見的電子產(chǎn)品之一?？墒撬€在發(fā)展之中，以后必將出現(xiàn)功能更加強大的計算器，基于這樣的理念，本次設(shè)計是用單片機來設(shè)計一個簡易計算器。1.2 設(shè)計內(nèi)容本次設(shè)計是基于mcs-51單片機來設(shè)計的計算器。計算器將完成的功能有加，減，乘，除等功能。設(shè)計的關(guān)鍵所在，必須非常熟悉單片機的原理與結(jié)構(gòu)，同時還要對整個設(shè)計流程有很好的把握，將單片機和其他模塊完整的銜接。1.3 設(shè)計意義此次論文的價值和核心在于倡導(dǎo)自己把所學(xué)知識運用到現(xiàn)實生活，為

7、現(xiàn)實生活服務(wù)，把自己的知識轉(zhuǎn)化為實物哪怕是很簡單的物件，很簡單的功能，但真真切切的讓自己感受到創(chuàng)造的快樂，為自己今后的工作做好鋪墊，往后通過更多的學(xué)習，更多的嘗試，把知識的作用真正發(fā)揮出來，改變大家的生活。第二章 設(shè)計方案及技術(shù)基礎(chǔ)2.1 設(shè)計方案為了滿足計算器的基本要求，可以基本的運算（加減乘除），數(shù)據(jù)歸零和出錯警告提示，我們采用基于51單片機，結(jié)合mm74c922芯片設(shè)計一個簡易的計算器，用4*4的矩陣鍵盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)基本功能加減乘除，并用lcd顯示數(shù)據(jù)。設(shè)計仿真和調(diào)試要用到keil、protues等軟件。2.2 方案論證及設(shè)計根據(jù)功能與要求，本系統(tǒng)選用mcs-51單片機為主控機。通

8、過擴展必要的外圍接口電路，實現(xiàn)對計算器的設(shè)計。具體設(shè)計如下：（1）由于要設(shè)計的是簡單的計算器，可以進行四則運算，為了得到較好的顯示效果，采用lcd 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（+、-、×、÷）、清除鍵和等號鍵，故只需要16個按鍵即可，設(shè)計中采用集成的計算鍵盤。（3）執(zhí)行過程：開機顯示零，等待鍵入數(shù)值，當鍵入數(shù)字，通過lcd顯示出來，當鍵入+、-、*、/運算符，計算器在內(nèi)部執(zhí)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和存儲，并等待再次鍵入數(shù)值，當再鍵入數(shù)值后將顯示鍵入的數(shù)值，按等號就會在lcd上輸出運算結(jié)果。（4）錯誤提示：當計算器執(zhí)行過程中有錯誤時，會在lcd上顯示相應(yīng)的提示

9、,如：當輸入的數(shù)值或計算得到的結(jié)果大于計算器的表示范圍時，計算器會在lcd上提示溢出；當除數(shù)為0時，計算器會在lcd上提示錯誤。2.3 mcs-51單片機及開發(fā)環(huán)境介紹2.3.1 mcs-51系列單片簡介mcs-51單片機較之前的單片機相比，功能增強許多，就其指令和運行速度而言，超過了intel8085的cpu和z80的cpu，成為工業(yè)控制系統(tǒng)中較為理想的機種。目前與mcs-51單片機兼容的一些單片機的時鐘頻率達到40mhz甚至更高。51系列單片機的特點：（1）8位cpu；（2）片內(nèi)帶振蕩器，頻率范圍為1.2mhz12mhz；（3）片內(nèi)帶128m 的數(shù)據(jù)存儲器；（4）片內(nèi)帶4kb的程序存儲器；

10、（5）程序存儲器的尋址空間為64kb；（6）片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間為64kb；（7）128個用戶位尋址空間；（8）21個字節(jié)特殊功能寄存器；（9）4個8位的i/o并行接口：p0、p1、p2、p3；（10）兩個16位定時、計數(shù)器；（11）兩個優(yōu)先級別的五個中斷源；（12）一個全雙工的串行i/o接口，可多機通信；（13）111條指令，包含乘法指令和除法指令；（14）片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；（15）有較強的位處理能力；（16）采用單一+5v電源圖2-1 mcs-51結(jié)構(gòu)圖2.3.2 mm74c922芯片為了進一步節(jié)省單片機i/o口資源，我們在設(shè)計中使用了mm74c922芯片。mm74c922是一款4*

11、4鍵盤掃描ic，它可檢測到與之相連的4*4鍵盤的按鍵輸入，并通過數(shù)據(jù)輸出口將按鍵相應(yīng)的編碼輸出。其引腳圖如圖2-2所示：圖2-2 mm94c922硬件圖mm74c922引腳說明：(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。(5) gnd（腳9）：接地管腳。(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

12、（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，此腳位會輸出高電位，按鍵釋放后此腳又會恢復(fù)為低電位。mm74c922對各按鍵的響應(yīng)如下表所示：圖2-3 mm74c922對各按鍵的響應(yīng)第三章 硬件設(shè)計3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1 電路設(shè)計原理單片機采用at89c51單片機，它能夠滿足數(shù)據(jù)的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需求。結(jié)合時鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤輸入完成簡易計算器總電路設(shè)計。單片機輸入模塊lcd顯示

13、電源電路時鐘電路復(fù)位電路圖3-1 電路設(shè)計原理3.1.2 硬件電路設(shè)計圖3-2 總電路設(shè)計3.2 時鐘電路時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在mcs51單片機片內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，它的的輸入端為引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時鐘電路一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式，晶振頻率均為30pf。根據(jù)硬件電路的不同，單片機的時鐘連接方式可分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。我們采用內(nèi)部時鐘方式。在內(nèi)部方式時鐘電路中，必須在xtal1和xtal2引腳兩端跨接石英晶體振蕩器和兩個微調(diào)電容構(gòu)成振蕩電路。圖3-3 時鐘電路連接圖3.3

14、復(fù)位電路單片機復(fù)位是使cpu和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。無論是單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。所以，必須弄清楚mcs-51單片機復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后的狀態(tài)。復(fù)位信號從單片機的rst引腳輸入，高電平有效，其有效電平應(yīng)維持至少2個機器周期。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位與按鍵手動復(fù)位兩種方式，為了方便系統(tǒng)的硬件初始化，我們采用按鍵手動復(fù)位。圖3-4 復(fù)位電路連接圖3.4 輸入模塊：鍵盤接口電路計算器輸入數(shù)字和其他功能按鍵要用到很多按鍵，如果采用獨立按鍵的方式，在這種情況下，編程會很簡單，但是會占用大量的i/o口資源，因此在很多情況

15、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交叉點上設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4*4個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機系統(tǒng)中i/o口的利用率。計算器的鍵盤布局如圖3-5與圖3-6所示：一般有16個鍵組成，在單片機中正好可以用一個p口實現(xiàn)16個按鍵功能，這種形式在單片機系統(tǒng)中也最常用。圖3-5 矩陣鍵盤布局圖圖3-6 矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖如下圖3-7所示，在本設(shè)計中，計算器輸入鍵盤的4條行線、列線分別連接到mm74c922的x1x4、y1y4引腳，mm74c922的數(shù)據(jù)輸出口與單片機的p2口相連，

16、mm74c922的da引腳經(jīng)過一個非門連接到單片機的/int0腳，當mm74c922檢測到鍵盤輸入時，da產(chǎn)生高電平，與之相連的/int0檢測到低電平，給單片機一個中斷，單片機從p2口的低四位讀入鍵盤上按下的鍵的值。圖3-7 鍵盤接口電路圖第四章 軟件設(shè)計本設(shè)計主要包含主程序、外部中斷0程序。4.1 主程序設(shè)計開始允許中斷初始化鍵盤接口初始化lcd顯示初始化lcd初始化lcd輸入數(shù)據(jù)函數(shù)主程序函數(shù)表示：允許中斷；初始化鍵盤接口連接、lcd顯示、lcd、lcd輸入數(shù)據(jù)函數(shù)。圖4-1 主程序流程圖4.2 外部中斷0處理程序有鍵按下時，單片機響應(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)

17、中完成對按鍵的判斷，以進行下一步的程序處理。其中調(diào)用鍵值轉(zhuǎn)化函數(shù)、算術(shù)運算函數(shù)。鍵值轉(zhuǎn)化是否為數(shù)字鍵將當前輸入值*10+輸入值當前輸入值是否為第一個算術(shù)值y=當前輸入值x=當前輸入值當前輸入值是否超出范圍規(guī)定lcd顯示當前輸入值數(shù)值溢出是否為清除鍵數(shù)值清0是否為“=”是否為“+”是否為“-”是否為“*”是否為“/”調(diào)用運算函數(shù)ynnynynnnnnyy圖4-2 外部中斷0函數(shù)流程圖4.2.1 鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值程序該程序函數(shù)的作用是將輸入的鍵值轉(zhuǎn)化為數(shù)值或符號。開始輸入鍵值讀取鍵碼轉(zhuǎn)化為數(shù)值或符號數(shù)值送顯示緩沖圖4-3 鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值流程4.2.2 算術(shù)運算程序在外部中斷函數(shù)對鍵值

18、進行判斷后，進行加、減、乘、除運算，運算后的數(shù)值如果超出范圍規(guī)定，則數(shù)值溢出處理。運算符號是否為“+”n開始yy進行加號運算運算后數(shù)值是否超出范圍規(guī)定運算符號是否為“-”進行減號運算運算符號是否為“/”進行乘號運算運算符號是否為“*”yn進行除號運算ylcd顯示數(shù)值n溢出ny圖4-4 算術(shù)運算程序4.3 lcd顯示程序利用lcd靜態(tài)顯示，通過程序向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_

19、com(0x08);write_com(0x01);write_com(0x06);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; /*使能信號開*/p1=ddata; /*將數(shù)據(jù)送入p1口*/en=0; /*使能信號關(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; /*使能信號開*/p1=command; /*將數(shù)據(jù)送入p1口*/en=0; /*使能信號關(guān)*/check_bf

20、();/*lcd檢查忙碌函數(shù)*/void check_bf()char i,x=0x80;p1=0xff;while(x&0x80)rs=0;r_w=1;en=1;x=p1;en=0;for (i=0;i<10;i+);en=0; /*關(guān)閉使能信號*/*lcd清屏函數(shù)*/void clearlcd()write_com(0x01);/*lcd顯示函數(shù)*/void display(long a)long temp,b,c=-1;int lenth=1,i,j;clearlcd();if(a<0)a=a*c;write_data('-'); temp=a;whi

21、le(temp=temp/10)!=0)lenth+;for(i=lenth;i>0;i-)b=1;for(j=0;j<i-1;j+)b=b*10;write_data(0x30+a/b);a=a%b;第五章 開發(fā)體會5.1 keil軟件調(diào)試1.首先在電腦上正確的下載keil軟件。2.在keil 集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建新項目（project），擴展文件名為.uv2,并為該項目選定合適的單片機cpu器件（本設(shè)計采用atmel公司下的at89c51）。3.用keil的文本編輯器編寫源文件，可以是匯編語言，也可以為c語言，完成后將該文件添加到項目中去。注意保存的時候如果是c語言編寫程序必須在

22、后面加.c。4.通過keil 的相關(guān)選擇項，配置編譯環(huán)境、連接定位器以及debug調(diào)試器的功能。5.對項目中的源文件進行編譯連接，生成絕對目標代碼和可選的hex文件，如果出現(xiàn)編譯連接錯誤則返回到第2步，根據(jù)軟件中的錯誤提示進行修改源文件，切記不要浮躁，一步一步修改直到最后提示沒有差錯最終生成hex文件。6.對沒有語法錯誤的程序進行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后將hex文件寫入到單片機應(yīng)用系統(tǒng)的rom中。5.2 protues軟件仿真1首先在電腦里下載正確的軟件，此軟件主要是對硬件部分進行模擬。2進入軟件后藍色框內(nèi)就是工作區(qū)域，可以在里面隨意選擇元器件，移動元器件。正確的進行導(dǎo)線連接。3完成所有連接后，雙

23、擊單片機把生成的hex文件進行導(dǎo)入。4最后如果程序和連圖都沒有問題就可以進行仿真了。圖5-1 系統(tǒng)仿真總圖第六章 總結(jié)通過這次的畢業(yè)論文設(shè)計我學(xué)習到了很多知識，平時在學(xué)校覺得自己好像對專業(yè)知識還是比較了解的?？墒怯龅竭@次設(shè)計完全沒有思緒，找不到切入點。然后我就通過詢問老師與跑圖書館查資料、確定基本設(shè)計方案、對所用芯片功能進行查找、調(diào)試、上機仿真等，經(jīng)歷了一次次的困難，卻積累了很多寶貴的經(jīng)驗。在整個設(shè)計的過程中遇到的問題主要有以下三點，第一：基礎(chǔ)知識掌握的不牢固，主要表現(xiàn)在一些常用的電路的形式和功能不清楚，對書本上的內(nèi)容理解不夠透徹。第二：對一些常用的應(yīng)用軟件缺少應(yīng)用，體現(xiàn)在畫電路圖和系統(tǒng)的仿真

24、的時候，對這些軟件的操作不熟練，浪費了很多時間。第三：相關(guān)知識掌握的不夠全面，缺少系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗。這次設(shè)計進一步端了我的學(xué)習態(tài)度，學(xué)會了實事求是，嚴謹?shù)淖黠L，對自己要嚴格要求，不能夠一知半解，要力求明明白白。如果省略了那些必要的步驟，急于求成，不僅會浪費時間，還會適得其反。我覺得動手之前，頭腦里必須清楚該怎么做，這一點是很重要的。在此次的畢業(yè)設(shè)計中我最大的體會就是進一步認識到了理論聯(lián)系實踐的重要性。一份耕耘，一份收獲。通過這段時間的設(shè)計，讓我明白科學(xué)的思維方法和學(xué)習方法是多么重要，只有這樣才能夠有很高的效率，才能夠讓自己的工作更完美?？偠灾舜萎厴I(yè)設(shè)計讓我學(xué)到了好多平時在課堂上學(xué)不到的東西

25、，增加了我的知識運用能力，增強我的實際操作能力。謝謝老師給我們提供這么好的機會，為我們之后走向社會奠定了一個好的基礎(chǔ)。參考文獻1 胡 輝.單片機原理與應(yīng)用.北京中國水利水電出版社.20072 何立.單片機高級教程.北京航空航天大學(xué)出版社.20063 趙克林.c語言實例教程.北京人民郵電出版社.20074 張義和，許宏昌，余春長.例說51單片機.人民郵電出版社.20085 康維新.mcs-51 單片機原理與應(yīng)用.北京中國輕工業(yè)出版社.2009.16 陳立周，陳宇.單片機原理及其應(yīng)用（第2 版）.北京機械工業(yè)出版社.2008.57 徐愛鈞.單片機原理實用教程：基于protues虛擬仿真.北京電子工

26、業(yè)出版社.2009(1) 致 謝起初接觸畢業(yè)設(shè)計的時候，我對于這篇論文完全不知道該怎么著手，可是通過劉老師耐心的給我講解，同時查閱各類專業(yè)書籍，讓我對論文有了一個初步構(gòu)思，知道該怎么去一步步的完成它。在完成初稿時也遇到了很多問題，對于仿真軟件運用的陌生，還有就是對于計算器的硬件選擇的錯誤。最后都是在劉老師的幫助下我克服了這些問題，成功的把畢業(yè)設(shè)計做完了并完成了仿真。我要正式的向劉老師致謝，如果沒有劉老師的幫助我是不可能完成畢業(yè)設(shè)計的，這次畢業(yè)設(shè)計我所學(xué)到的不僅僅是書本上的知識，還有堅持一路向前堅持的精神。這將為我以后的人生道路做好指引，我將受益一生。附 錄#include<reg51.h

27、>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned 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();long x=0,y=0

28、,num=0;int operators,input,iny=0;char key;char error5="error"char overflow8="overflow"sbit en=p34;sbit r_w=p35;sbit rs=p36;main() ea=1;ex0=1;it0=1; p2=0xff;display(0);init_lcm();write_data(0x30);while(1)/*鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值函數(shù)*/char translate(int keycode)switch(keycode)case 0:return '

29、;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:

30、return '3'break;case 11:return '='break;case 12:return '/'break;case 13:return '*'break;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<='9'&&key>

31、='0') /判斷按下的鍵是否為數(shù)值num=num*10+(key-'0');if (operators>0)y=num;iny=1;elsex=num;if(num<134217728&&num>-134217728) /當前數(shù)值是否超出限定范圍display(num);elsedataoverflow();elseswitch(key)case 'c':x=0;y=0;num=0;iny=0;operators=0;display(num);break;case '=':arithmetic(

32、);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();operators=4;num=0

33、;break;/*算術(shù)運算函數(shù)*/void arithmetic()if (iny)switch(operators)case 1:x=x+y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 2:x=x-y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 3:x=x*y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728)display(num);elsedataoverflow();break; case