計算器系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄1. 功能要求2. 方案論證3. 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1運算模塊 3.2主控器AT89S52 3.3輸入模塊4*4矩陣鍵盤 3.4顯示模塊LCD1602 3.5錯誤警報提示語音電路 3.6切換模塊4. 系統(tǒng)程序的設(shè)計4.1運算主程序設(shè)計4.2顯示程序設(shè)計4.3讀鍵輸入存儲設(shè)計5.調(diào)試及性能分析 5.1硬件調(diào)試 5.2軟件調(diào)試 5.3性能分析6.控制源程序清單7.實物顯示8.總結(jié)9.參考文獻摘要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應(yīng)用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術(shù)日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用，但僅單片機方面的知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)

2、具體硬件結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合，來加以完善。計算機在人們的日常生活中是比較常見的電子產(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機，基于這樣的理念，本次設(shè)計是用AT89S52單片機、LCD顯示器、4*4矩陣鍵盤、蜂鳴器以及控制按鍵為元件來設(shè)計的計算器。利用此設(shè)計熟悉單片機微控制器及C語言編程，對其片資源及各個I/O端口的功能和基本用途的了解。掌握keil的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，常用的LCD顯示器的使用方法和一般鍵盤的使用方法。關(guān)鍵字：AT89S52 LCD 控制按鍵正文1. 功能要求 計算器模擬系統(tǒng)設(shè)計要求模擬的計算器至少顯示8位數(shù)字，開機運行時，最低位顯示為“0”，其余位全部不顯示；設(shè)

3、計4*4鍵盤，分別表示09、+、*、/、=和清零鍵CL，輸入的數(shù)字從設(shè)計的鍵盤輸入；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，并且顯示計算結(jié)果。2. 總體方案設(shè)計以及論證 根據(jù)功能和指標要求，本系統(tǒng)選用AT89S52單片機為主控機，LCD1602為顯示器。通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)計考慮如下： 由于要設(shè)計的是簡單的計算器，可以進行四則運算，對數(shù)字的大小范圍要求至少顯示8位數(shù)字，開機運行時，最低位顯示為“0”，其余位全部不顯示，但擴展程序可以實現(xiàn)任意位數(shù)的無符號數(shù)的算法，所以選用LCD1602顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果，而不采用數(shù)碼管來顯示。 設(shè)計4*4鍵盤，

4、分別表示09、+、*、/、=和清零鍵CL，輸入的數(shù)字從設(shè)計的鍵盤輸入；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，并且顯示計算結(jié)果。當結(jié)果超出該范圍時，發(fā)出錯誤警報。按一下切換鍵，計算范圍無限制，結(jié)果顯示也無限制，再按一下切換鍵，計算器回到限制狀態(tài)。因此總的按鍵需要17個鍵。 按照系統(tǒng)功能設(shè)計的要求，確定系統(tǒng)由5個模塊組成：主控制器、顯示電路、4*4矩陣鍵盤、切換電路和語音模塊。 計算機系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如下所示：4*4矩陣鍵盤切換鍵AT89S52LED顯示語音模塊3. 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成微機系統(tǒng)的實體和裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸

5、入設(shè)備、輸出接口電路和輸出設(shè)備等組成。單片機實質(zhì)上是一個硬件的芯片，在實際應(yīng)用中，通常很難直接和被控對象進行電氣連接，必須外加各種擴展接口電路、外部設(shè)備、被控對象等硬件和軟件，才能構(gòu)成一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計選用以AT89S52單片機為主控單元。顯示部分：采用LCD靜態(tài)顯示。按鍵部分，采用4*4鍵盤。 硬件電路原理圖如下圖所示：3.1運算模塊MCS-51 單片機是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多功能I/O等一臺計算機所需要的基本功能部件。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)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM/EPROM）、并行I/O

6、口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，通過使用單片機編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！因此我們采用單片機作為計算器的主要功能部件，可以進行很快地實現(xiàn)運算功能，如圖所示： 3.2主控制器AT89S52，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Flash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

7、位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。引腳結(jié)構(gòu)如下：3.3輸入模塊4*4矩陣鍵盤計

8、算機輸入數(shù)字和其他功能按鍵時要用到很多按鍵，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，因此在很多情況下都不采用這樣的方式，而是采用矩陣鍵盤的方式。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。這樣鍵盤上按鍵的數(shù)量就為4*4個。這樣行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效的提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。如圖所示：計算器的鍵盤布局如下圖所示：一般有16個鍵組成，在單片機中正好有一個P端口實現(xiàn)16個按鍵功能，這種形式在單片機系統(tǒng)中最常用。圖：矩陣鍵盤內(nèi)部電路3.4顯示模塊LCD1602本設(shè)計采用LCD液晶顯示器來顯示輸出數(shù)據(jù)。LCD的特性有：

9、1、+5V電壓，對比可調(diào)度；2、內(nèi)含復(fù)位電路；3、提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；4、有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM;5、內(nèi)建有160個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM;6、8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。以下是我們采用的LCD液晶顯示器（實物）。本設(shè)計通過D0-D7引腳向LCD寫指令字或?qū)憯?shù)據(jù)以使LCD實現(xiàn)不同的功能或顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。其接口電路如下圖所示：1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（

10、帶背光）接口，各引腳接口說明如表 編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD 電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS 數(shù)據(jù)/命令選擇12D5 數(shù)據(jù)5R/W 讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E 使能信號14D7 數(shù)據(jù)7D0 數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極3.5錯誤報警提示語音電路計算器設(shè)計采用蜂鳴器來實現(xiàn)報警。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電話機等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。本次設(shè)計中我們采用的是電磁式蜂鳴器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振

11、動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。3.6切換模塊由于切換鍵只有一個，所以用普通按鍵接上拉電阻來完成讀鍵功能。4. 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計在程序設(shè)計方法上，模塊化程序設(shè)計是單片機應(yīng)用中最常用的程序設(shè)計方法。設(shè)計的中心思想是把一個復(fù)雜應(yīng)用程序按整體功能劃分成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設(shè)計、編程和調(diào)試，然后組合起來。這種方法便于設(shè)計和調(diào)試，容易實現(xiàn)多個程序共存，但各個模塊之間的連接有一定的難度。 根據(jù)需要我們可以采用自上而下的程序設(shè)計方法，此方法先從主程序開始設(shè)計，然后再編制各從屬程

12、序和子程序，層層細化逐步求精，最終完成一個復(fù)雜程序的設(shè)計。程序流程圖如下圖所示：4.1運算主程序設(shè)計首先初始化參數(shù)，送LED低位顯示“0”，高位不顯示。然后掃描鍵盤看是否有鍵輸入，若有，讀取鍵碼。判斷鍵碼是數(shù)字鍵、清零鍵還是功能鍵（“+”“-”“*”“/”“=” ），是數(shù)值鍵則送LCD顯示并保存數(shù)值，是清零鍵則做清零處理，是功能鍵則又判斷是“=”還是運算鍵，若是“=”則計算最后結(jié)果并送LCD顯示，若是運算鍵則保存相對運算程序的首地址。運算主程序框圖如下圖所示：4.2顯示程序設(shè)計顯示程序的過程為：顯示開始時，先進行LCD的初始化，即調(diào)用了LCD初始化子程序，次程序只在開機后調(diào)用一次，主要負責LC

13、D液晶屏的初始化，顯示“0”。初始化后，由矩陣鍵盤輸入相應(yīng)的數(shù)字，LCD進行相應(yīng)功能的設(shè)置，然后進行顯示，顯示完就返回。4.3讀鍵輸入程序設(shè)計為了實現(xiàn)鍵盤的數(shù)據(jù)輸入功能和命令處理功能，每個鍵都有其處理子程序，為此每個鍵都對應(yīng)一個碼鍵碼。為了得到被按鍵的鍵碼，現(xiàn)使用行掃描法識別按鍵。鍵盤掃描初始時要先進行清屏，然后若有鍵按下，則判斷鍵號，然后釋放，若釋放按鍵完畢，則返回，若沒有釋放按鍵，則返回繼續(xù)釋放。5. 調(diào)試及性能分析調(diào)試主要以程序調(diào)試為主5.1硬件調(diào)試常見故障：1、邏輯錯誤：它是由設(shè)計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路等。2、元器件失效：有兩方面的原因：一是

14、器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯誤造成元件失效，如電解電容、集成電路安裝方向錯誤等。3、可靠性差：因其可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；走線和布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性差。4、電源故障：若樣機由電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設(shè)計要求，電源引線和插座不對，功率不足，負載能力差等。本次調(diào)試主要通電檢查LED顯示器的點亮情況，并檢查鍵盤是否對應(yīng)相應(yīng)的功能鍵。5.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試一般分為以下四個階段：1、 編寫程序并查錯；2、在C語言的編譯系統(tǒng)中編譯源程序3、對程序進行編譯連接，并及時發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯誤。本程序

15、采用C語言編寫，在Keil編譯器下進行源程序編譯并以子程序為單位逐個進行編譯檢查。5.3性能分析簡易的計算機系統(tǒng)計算的是結(jié)果小于256的兩個無符號數(shù)之間的加減乘除，因此非常準確，而經(jīng)過擴展后的該系統(tǒng)，可以對任意兩個無符號數(shù)進行加減乘除，能滿足一般的計算要求。6. 控制源程序清單#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include <intrins.h>#include "delay.h"#include "1602.h"#include "yinyue.h"#defi

16、ne ui int #define uc charunsigned char code User=0x00,0x0A,0x15,0x0A,0x04,0x00,0x00,0x00;#define fuhao_1 -1/'/"除符號#define fuhao_2 -2/乘符號#define fuhao_3 -3/減符號#define fuhao_4 -4/加符號sbit fmq=P36; /蜂鳴器引腳,將fmq位定義為P3.6引腳sbit key=P35; /功能選擇int arry_1=0x52,0x4f,0x52,0x52,0x45; /“ERRORui m; /輸入新表達式

17、的標志float arry20;long G; /結(jié)果long D; / 結(jié)果的絕對數(shù)ui er; /錯誤標志ui ok_flag; /輸入完畢的標志ui fuhao;/符號標志ui f; /*選擇鍵盤處理*/ void key_s()if(key=0)while(!key);/f=0,簡運算；f=1，顯示溫度；f=2,復(fù)雜元算；f+;if(f>=2) f=0; /*蜂鳴器處理函數(shù)*/void Beep(ui i)/產(chǎn)生1KHZ頻率聲音的函數(shù) ui t; while(i-) for(t=0;t<1000;t+) fmq=0; delay500us(); fmq=1; delay50

18、0us(); fmq=1; delay(100); /*清0*/ void CLK() uc i; for(i=0;i<20;i+) arryi=0; er=0; ok_flag=0; G=0; D=0; /結(jié)果 fuhao=0; / fuhao表征按下的是哪個符號 /* 以下是計算器掃描、運算處理程序 */*鍵盤掃描程序*/void keyscan(void)/ 鍵盤掃描程序uc temp,i,num; if (m=1) Write_com(0x01); /清屏命令 for(i=0;i<4;i+) arryi=0;m=0;ok_flag=0;fuhao=0; P1=0xfe; i

19、f(P1!=0xfe) delay(20);/20ms if(P1!=0xfe) temp=P1&0xf0; switch(temp) case 0xe0:num=0; break; case 0xd0:num=1; break; case 0xb0:num=2; break; case 0x70:num=3; break; while(P1!=0xfe); if(num=0) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+7;Write_data(0x30+7); /按鍵等于7 if(num=1) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+8;Write_

20、data(0x30+8); /按鍵等于8 if(num=2) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+9;Write_data(0x30+9); /按鍵等于9 if(num=3) arry2*fuhao+1=fuhao_1;fuhao+;Write_data(0x2f); / 除號/ P1=0xfd; if(P1!=0xfd) delay(20); if(P1!=0xfd) temp=P1&0xf0; switch(temp) case 0xe0:num=4; break; case 0xd0:num=5; break; case 0xb0:num=6; break;

21、 case 0x70:num=7; break; while(P1!=0xfd); if(num=4) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+4;Write_data(0x30+4); /按鍵等于4 if(num=5) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+5;Write_data(0x30+5); /按鍵等于5 if(num=6) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+6;Write_data(0x30+6); /按鍵等于6 if(num=7) arry2*fuhao+1=fuhao_2;fuhao+;Write_data(0x2a

22、); / 乘號'*' P1=0xfb;if(P1!=0xfb)delay(20);if(P1!=0xfb)temp=P1&0xf0;switch(temp)case 0xe0:num=8;break;case 0xd0:num=9;break; case 0xb0:num=10; break; case 0x70:num=11; break;while(P1!=0xfb);if(num=8) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+1;Write_data(0x30+1); /按鍵等于1if(num=9) arry2*fuhao=10*(arry2*f

23、uhao)+2;Write_data(0x30+2); /按鍵等于2if(num=10) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao)+3;Write_data(0x30+3);/按鍵等于3if(num=11) arry2*fuhao+1=fuhao_3;fuhao+;Write_data(0x2d); / 減號-P1=0xf7;if(P1!=0xf7)delay(10);if(P1!=0xf7)temp=P1&0xf0;switch(temp)case 0xe0:num=12;break;case 0xd0:num=13;break;case 0xb0:num=14;br

24、eak;case 0x70:num=15;break;while(P1!=0xf7);if (num=12)/按鍵 清0 Write_com(0x01); for(i=0;i<20;i+) arryi=0; fuhao=0; ok_flag=0; if(num=13) arry2*fuhao=10*(arry2*fuhao);Write_data(0x30); /按鍵等于0if(num=14) ok_flag=1;m=1; /等于號if(num=15) arry2*fuhao+1=fuhao_4;fuhao+;Write_data(0x2b);/ 加號+ P1=0xf0; /*條件運算條

25、件*/void stop(void)uc k,h; h=2*fuhao; if(arry3=fuhao_1)|(arry3=fuhao_2)|(arry3=fuhao_3)|(arry3=fuhao_4) er=1; if(arry0=0) er=1; for (k=0;k<=h;k+) if(arryk)<0) if(arryk+1)=0) if(arryk+2<0) er=1;if (arryk=fuhao_1) if(arryk+1=0) er=1; /*輸入錯誤處理*/void error_process(void) int i; Write_ads(0x4f); /

26、按下等于鍵，光標前進至第二行最后一個顯示處/ Write_com(0x04); /設(shè)置從后住前寫數(shù)據(jù)，每寫完一個數(shù)據(jù)，光標后退一格/ for(i=0;i<5;i+) Write_data(arry_1i); Beep(2); er=0; for(i=0;i<20;i+) arryi=0; /*運算*/void process(void) uc h,k,i; h=fuhao; for(k=1;k<=h;k+) if(arry1=fuhao_1) /除符號/ arry0=arry0/arry2; fuhao=fuhao-1; for(i=1;i<=(2*fuhao);i+)

27、 arryi=arryi+2; if(f=0) if(arry0>256) /結(jié)果大于256為計算錯誤 液晶顯示ERRORerror_process();fuhao=1; if(arry1=fuhao_2) /乘符號/ arry0=arry0*arry2; fuhao=fuhao-1; for(i=1;i<=(2*fuhao);i+) arryi=arryi+2; if(f=0) if(arry0>256)|(arry0<-256) /結(jié)果大于256為計算錯誤 液晶顯示ERROR error_process();fuhao=1; if(arry1=fuhao_3) /減

28、符號/ arry0=arry0-arry2; fuhao=fuhao-1; for(i=1;i<=(2*fuhao);i+) arryi=arryi+2; if(f=0)if(arry0>256)|(arry0<-256) /結(jié)果大于256為計算錯誤 液晶顯示ERROR error_process();fuhao=1; if(arry1=fuhao_4) /加符號/ arry0=arry0+arry2; fuhao=fuhao-1; for(i=1;i<=(2*fuhao);i+) arryi=arryi+2; if(f=0) if(arry0>256) /結(jié)果大

29、于256為計算錯誤 液晶顯示ERROR error_process();fuhao=1; /*顯示運算結(jié)果*/if(fuhao=0)G=(long)arry0; /小位數(shù)取三位/ Write_ads(0x4f); /按下等于鍵，光標前進至第二行最后一個顯示處/ Write_com(0x04); /設(shè)置從后住前寫數(shù)據(jù)每寫完一個數(shù)據(jù)，光標后退一格/ if(G<0)D=0-G;if(G>=0)D=G; if(D>=1000) i=0; while(D!=0) Write_data(0x30+D%10); D=D/10; i+; /Write_date(0x2e); /寫小數(shù)符號“.

30、” else i=0; while(i<3) Write_data(0x30+D%10); D=D/10; if(D>0) i+; else i=3; /Write_date(0x2e); /寫小數(shù)符號“.” /Write_date(0x30); /再寫“0” if(G<0) Write_data(0x2d); /寫"-"符號 Write_data(0x3d); /再寫“=”符號 ok_flag=0; /*主函數(shù)*/void main(void) uc i;f=0;init();CLK(); key_s();P1=0xf0;while (1)key_s(); if(P1!=0xf0)/是否有鍵按下 keyscan();if(ok_flag=1)stop();if(er=1) /出錯處理error_process();else process(); /運算處理 for(i=0;i<20;i+) arryi=0;ok_flag=