基于單片機的數(shù)字計算器

1、燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目： 基于單片機的數(shù)字計算器 學院（系）： 里仁自動化系 年級專業(yè)：10級自動化5學 號： 7 學生： 王然 指導教師： 劍鳴教師職稱: 副教授 燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）： 里仁學院 基層教學單位： 自動化系 學 號7學生王然專業(yè)（班級）自動化5設計題目基于單片機的數(shù)字計算器設計技術參數(shù)1、據(jù)設計方案，應用所學過的計算機控制、計算機原理、單片機原理等課程，選擇控制變量和被控參數(shù)，檢測與轉換器件、控制器和執(zhí)行器的選擇。2、應用所學過的單片機原理等課程，選擇計算機控制系統(tǒng)的控制器的類型，并對控制參數(shù)進行整定。設計要求1說明書一份。2說明書封面與容需

2、一致（打印或本人手抄）。3完成電路圖一。4鼓勵學生進行創(chuàng)造性的設計和發(fā)明。工作量1、 閱讀相關教科書、查資料。2、 說明書一份，不少于6000字（如打印用小四號字）。3、 電路圖為A3圖紙一。工作計劃第一周：選定題目、查資料、閱讀相關教科書。第二周：設計單片機控制系統(tǒng)（包括硬件、軟件、外圍電路）、完成設計說明書、畫電路圖、進行成績考核。參考資料反饋控制理論、工廠電器、半導體變流技術、電力拖動與自動化、電子技術、計算機控制、制圖、計算機原理、單片機原理與應用、電力電子技術、計算機操作系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等課程教課書與相關專業(yè)報紙、雜志和論文。指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學

3、生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。2013年 6 月 22 日 燕山大學課程設計評審意見表指導教師評語：成績：指導教師：2013年 7 月 5 日答辯小組評語：成績：評閱人：2013年7月 5 日課程設計總成績：答辯小組成員簽字：2013年 7 月5 日18 / 18摘要本設計是基于51系列的單片機進行的數(shù)字計算器系統(tǒng)設計，可以完成計算器的鍵盤輸入，進行加、減、乘、除3位無符號數(shù)字的簡單四則運算，并在LED上相應的顯示結果。設計過程在硬件與軟件方面進行同步設計。硬件方面從功能考慮，首先選擇部存儲資源豐富的AT89C51單片機，輸入采用4×4矩陣鍵盤。顯示采用5位7段共陰極LED

4、靜態(tài)顯示。軟件方面從分析計算器功能、流程圖設計，再到程序的編寫進行系統(tǒng)設計。編程語言方面從程序總體設計以與高效性和功能性對C語言和匯編語言進行比較分析，針對計算器四則運算算法特別是乘法和除法運算的實現(xiàn)，最終選用全球編譯效率最高的KEIL公司的Vision3軟件，采用匯編語言進行編程，并用proteus仿真。關鍵詞：單片機 計算器 AT89c51鍵盤目 錄第一章方案設計61.1單片機系統(tǒng)開發(fā)與應用工程實習計報告61.2 系統(tǒng)分析6第二章系統(tǒng)的硬件設計72.1 主控制器72. 2 鍵盤電路122. 3 其他電路設計13第三章系統(tǒng)的軟件設計143. 1 主程序153. 2讀鍵子程序設計163. 3

5、定時查鍵的程序設計163.4 LED顯示程序設計163.5 數(shù)字送顯示緩沖程序設計17第四章系統(tǒng)的測試174.1 Keil C51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)174.2 proteus的操作184.3 軟件的可靠性設計18參考文獻19第一章 方案設計1.1單片機系統(tǒng)開發(fā)與應用工程實習計報告1. 設計要求 本次課程設計，我選擇的課題是單片機數(shù)字計算器設計，設計任務為： 1.擴展4*4鍵盤，其中10個數(shù)字，5個功能鍵，1個清零2.使用五位數(shù)碼管接口電路3.完成十進制的四則運算（加、減、乘、除）； 4.實現(xiàn)低于三位小于255數(shù)字的連續(xù)運算；5.使用keil C軟件編寫程序； 6.最后用ptoteus仿真;7.

6、具有較強的抗干擾能力；8.體積小、功耗低，便于嵌入其他系統(tǒng)。 2. 項目要求基于 AT89c51 單片機的簡易計算器，采用 12MHZ 晶振。設計要求如下： （1） 計算器至少能正常顯示 8 位數(shù)。 （2） 卡機時，顯示 0。第一次按下時，顯示 D1；第二次按下時，顯示 D1D2。 （3） 計算器能對整數(shù)進行簡單的加、減、乘、除四則運算，在做除法時能自動舍去 小數(shù)部分。 （4） 運算結果超過可顯示的位數(shù)時能進行出錯提示。1.2 系統(tǒng)分析1.總體設計計算器以 AT89C51 單片機為核心芯片，通過掃描鍵盤來得到數(shù)據(jù)，另外通過 CPU 將得到的數(shù)據(jù)按要求進行運算并將結果送到顯示電路進行顯示。2.

7、框圖設計基于 AT89C51 單片機的簡易計算器由電源電路、單片機主控電路、按鍵電路、顯示電路和復位電路幾部分組成，框圖組成如圖 2-1 所示。圖 2.1基于 AT89C51 單片機的簡易計算器系統(tǒng)框圖3. 知識點本項目需要通過學習和查閱資料，掌握和了解如下知識：電源原理與設計。 單片機復位電路工作原理與設計。單片機晶振電路工作原理與設計。按鍵電路的設計。 驅動電路的設計。 七段數(shù)碼管的特性與使用。AT89C51 單片機引腳。單片機C語言與程序設計。第二章 系統(tǒng)的硬件設計2.1 主控制器 1.單片機簡介在該課程設計中，主要用到一個AT89c51芯片和串接的五個74LS164芯片。作為該設計的主

8、要部分。下面將對這兩個芯片原理與功能做已詳細介紹和說明。圖 2.1 AT89c51芯片芯片AT89c51的外形結構和引腳圖如2.1所示。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方

9、案。（1）主要特性：8051 CPU與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz三級程序存儲器鎖定128*8位部RAM2條可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片振蕩器和時鐘電路（2）管腳說明：VCC：供電電壓（圖中未畫出）GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時

10、，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址

11、的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，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，如下表所示：口管腳備選功能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

12、 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE輸出

13、可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1

14、：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出引腳。2.芯片74LS164介紹74LS164是一個串入并出的8位移位寄存器，它常用于單片機系統(tǒng)中，下面介紹一下這個元件的基本知識。74LS164外部結構和引腳如圖22所示：圖2.2 74LS164引腳圖（1）主要特性：· 串行輸入帶鎖存 · 時鐘輸入,串行輸入帶緩沖 · 異步清除 · 最高時鐘頻率可高達36Mhz · 功耗：10mW/bit · 74系列工作溫度：0C到70C · Vcc最高電壓：7V · 輸入最高電壓：7V 

15、3; 最大輸出驅動能力：高電平：0.4mA ; 低電平：8mA （2）引腳功能：在單片機系統(tǒng)中， 如果并行口的IO資源不夠，而串行口又沒有其他的作用， 那么我們可以用74LS164來擴展并行IO口，節(jié)約單片機資源。74LS164是一個串行輸入并行輸出的移位寄存器。并帶有清除端。Q0Q7并行輸出端A,B串行輸入端MR 清除端，為0時，輸出清零CP 時鐘輸入端3. 復位、時鐘電路設計MCS-51單片機芯片部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。當使用部振蕩電路時，XTAL1.XTAL2引腳外接石英晶體和微調電容，如圖33所示，圖中C2.C

16、3大小一般為30PF。還加了復位/備用電源引腳的接線方法，任何單片機在工作之前都要進行復位，以便CPU以與其他功能部件都處于一個確定的初始化狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，也就是程序開始執(zhí)行之前，單片機做好準備工作。如何進行復位呢？只用在單片機的RST引腳上保持兩個機器周期（24個時鐘周期）的高電平即可對單片機實現(xiàn)復位操作。當主電源Vcc發(fā)生掉電或者是電壓降低到電平規(guī)定值時，VPD上外接的備用電源自動啟用，為單片機部RAM提供電源，以保護片RAM中的信息不丟失，使系統(tǒng)在恢復電后能正常運行。圖 2.3復位電路和時鐘電路2.2 鍵盤電路鍵盤可分為兩類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是較多按鍵（20個以

17、上）和專用驅動芯片的組合，當按下某個按鍵時，它能夠處理按鍵抖動、連擊等問題，直接輸出按鍵的編碼，無需系統(tǒng)軟件干預。通用計算機使用的標準鍵盤就是編碼鍵盤。在智能儀器中，使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以組成編碼鍵盤，同時還可以兼顧數(shù)碼管的顯示驅動，其相關的接口電路和接口軟件均可在芯片資料中得到。當系統(tǒng)功能比較復雜，按鍵數(shù)量很多時，采用編碼鍵盤可以簡化軟件設計。但大多數(shù)智能儀器和電子產(chǎn)品的按鍵數(shù)目都不太多（20個以），為了降低成本和簡化電路通常采用非編碼鍵盤。非編碼鍵盤的接口電路有設計者根據(jù)需要自行決定，按鍵信息通過接口軟件來獲取。 本課題需要的是16個按鍵，故選擇用非編碼鍵

18、盤，為了減少所占用的端口，由P1口采用4*4矩陣式鍵盤。具體電路連接如圖2.4所示圖2.4 4*4鍵盤輸入當系統(tǒng)需要顯示少量數(shù)據(jù)時，采用LED數(shù)碼管進行顯示是一種經(jīng)濟實用的方法。數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方法。為了減少端口的使用，故選擇靜態(tài)顯示。電路如下圖32所示：圖2.5五位數(shù)碼管顯示2.3 其他電路設計多位數(shù)碼管電路顯示的驅動電路LED數(shù)碼管顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機應用常使用七段LED。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種，如圖是它的管腳配置，本設計采用的是共陰極接法。單片機應用中只有一位的的數(shù)字顯示是不常見的，即要同時驅動多個數(shù)碼管顯示，就必須要同時讓多個數(shù)碼管

19、加上各自不同的選片段，這個屬于靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器，都要占用單獨的具有封鎖功能的I/O接口用于筆畫字段形代碼，單片機只要把顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中CPU的開銷小，可以提高單獨鎖存的I/O接口電路很多，這里以常用的串并轉化電路74LS164為例介紹一種常用靜態(tài)顯示電路。74ls164Q1.Q874ls164Q1.Q874ls164Q1.Q874ls164Q1.Q874ls164Q1.Q8TXDRXD89C51H.AH.AH.AH.AH.A圖 2.7 五位數(shù)碼管靜態(tài)顯示接法如圖2.7所示，5片74LS164

20、首尾相串，而時鐘端接在一起，這樣，當輸入8個脈沖時，從單片機RXD端輸出的數(shù)據(jù)就進入到第一個74LS164中了，當?shù)诙€8個脈沖到來時，這個數(shù)據(jù)就進入了第二個片74LS164，新的數(shù)據(jù)則進入了第一個74LS164。這樣，當?shù)谖鍌€脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送入到最左面的74LS164中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一、第二、第三、第四片74LS164中。入口：把要顯示的數(shù)分別放在顯示緩沖區(qū)60H-64H共五個單元中，并且分別對應五個數(shù)碼管LED1-LED4。出口：將預置在顯示緩沖區(qū)中的五個數(shù)組成相應的現(xiàn)實字形碼，然后輸出到顯示器中顯示。第三章系統(tǒng)的軟件設計在數(shù)字計算器的軟件設計規(guī)劃要求下，簡易計算器的

21、程序主要包括以下幾個功能模塊：（1）主模塊，為系統(tǒng)的初始化；（2）顯示與讀鍵模塊，分為顯示子程序，判鍵程序段、運算操作子程序等部分。3.1 主程序初始化參數(shù)清零鍵LED顯示輸入數(shù)值讀取鍵值狀態(tài)清零數(shù)值送顯示緩存開始按鍵輸入？分析鍵值數(shù)字鍵等待數(shù)值輸入結果送顯示緩存保存結果和功能鍵根據(jù)上次功能鍵和輸入的數(shù)據(jù)計算結果功能鍵否是是數(shù)字鍵是清零鍵是功能鍵圖4.1 主程序流程圖主程序主要是用來進行初始化的，調用其他子程序，清空各個標志位，清空緩存區(qū)，讀取鍵碼，判斷功能，在LED上作出回應，主程序流程圖如圖41所示。3. 2讀鍵子程序設計為了實現(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

22、此每個鍵都對應一個碼鍵碼。為了得到被按鍵的鍵碼，現(xiàn)使用行掃描法識別按鍵。 3. 3 定時查鍵的程序設計進入定時器0的中斷程序后，首先重新賦初值，然后調用讀鍵程序，如果有鍵按下，則判斷按鍵是否與上次按鍵一樣，如果一樣則判斷按鍵相應位是否為一，如果不為一，說明這不是持續(xù)按鍵導致的按鍵相應，并且進行相應的程序。如果不是則退出中斷程序。讀鍵程序使用的是反轉法讀鍵，不管鍵盤矩陣的規(guī)模大小，均進行兩次讀鍵。第一次所有行線均輸出低電平，從所有讀入鍵盤信息（列信息）；第二次所有列線均輸出低電平，從所有行線讀入鍵盤信息（行信息）。將兩次讀鍵信息進行組合就可以得到按鍵的特征編碼，然后通過查表得到按鍵的順序編碼。將

23、各特征編碼按希望的順序排成一表，然后用當前讀得的特征碼來查表。當表中有該特征碼時，它的位置就是對應的順序編碼；當表中沒有該特征碼時，說明這是一個沒有定義的鍵碼，與沒有按鍵（0FFH）同等看待。數(shù)字鍵按下則將相應的數(shù)字送入緩存區(qū)，功能鍵按下則執(zhí)行相應的程序。首先對數(shù)字鍵的程序段進行相應的設計，如果運算鍵（、，*，/）響應標志不為一，則將輸入的數(shù)字送入第一個操作數(shù)緩存區(qū)，并且清空所有響應位。否則送入第二個操作數(shù)緩存區(qū)。其次對功能鍵的程序段進行相應的設計。如果功能鍵（、，*，/）第一次被按下，則置相應的標志位為一，并且將運算鍵響應標志位置一，清空第二個操作數(shù)的緩存區(qū)，為輸入操作數(shù)做準備，如果是第二次

24、按下則先調用運算操作子程序，執(zhí)行上次按下的運算鍵的運算，置相應的標志位為一，并且將運算鍵響應標志位置一，清空第二個操作數(shù)的緩存區(qū)，為輸入操作數(shù)做準備。如果是C鍵按下，則先判斷運算鍵響應位是否為一，如果不為一，則清空第一個操作數(shù)，否則清空第二個操作數(shù)。如果是=鍵按下，則調用運算操作子程序。3.4 LED顯示程序設計LED顯示器由七段發(fā)光二極管組成，排列成8字形狀，因此也稱為七段LED顯示器。為了顯示數(shù)字或符號，要為LED顯示器提供代碼，即字形代碼。七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計8段，因此提供的字形代碼的長度正好是一個字節(jié)。簡易計算器用到的數(shù)字09的共陰極字形代碼如下表：（表一） 計算器

25、數(shù)字09字形代碼顯示字型gfedcba段碼001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fh3.5 數(shù)字送顯示緩沖程序設計簡易計算器所顯示的數(shù)值最大位三位。要顯示數(shù)值，先判斷數(shù)值大小和位數(shù)，如果是超過三位或大于255，將不顯示數(shù)字?？芍匦螺斎霐?shù)字，再次計算。第四章 系統(tǒng)的測試下面用KEIL uVision與porteus仿真軟件介紹數(shù)字計算器的仿真與調試。4.1 Keil C51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)1. 系統(tǒng)的整體結構C51工具

26、包的整體結構中，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51與A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。2采用KEIL 開發(fā)的89c51單片機應用程序步驟：（1）在uVision 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（本設計采用ATMEL 公司下的AT89C51）(2)用uVision 的文本編輯器編寫源文件，可以是匯編文件（.ASM）,也可