單片機(jī)課程設(shè)計——基于C51簡易計算器

1、單片機(jī)雙字節(jié)十六進(jìn)制減法實(shí)驗(yàn)設(shè)計 摘要 本設(shè)計是基于51系列的單片機(jī)進(jìn)行的雙字節(jié)十六進(jìn)制減法設(shè)計，可以完成計算器的鍵盤輸入，進(jìn)行加、減、3位無符號數(shù)字的簡單運(yùn)算，并在LED上相應(yīng)的顯示結(jié)果。 設(shè)計過程在硬件與軟件方面進(jìn)行同步設(shè)計。硬件方面從功能考慮，首先選擇內(nèi)部存儲資源豐富的AT89C51單片機(jī)，輸入采用5個鍵盤。顯示采用3位7段共陰極LED動態(tài)顯示。軟件方面從分析計算器功能、流程圖設(shè)計，再到程序的編寫進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。編程語言方面從程序總體設(shè)計以及高效性和功能性對C語言和匯編語言進(jìn)行比較分析，針對計算器四則運(yùn)算算法特別是乘法和除法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)，最終選用KEIL公司的Vision3軟件，采用匯編語言

2、進(jìn)行編程，并用proteus仿真。 引言 十六進(jìn)制減法計算器的原理與設(shè)計是單片機(jī)課程設(shè)計課題中的一個。在完成理論學(xué)習(xí)和必要的實(shí)驗(yàn)后，我們掌握了單片機(jī)的基本原理以及編程和各種基本功能的應(yīng)用，但對單片機(jī)的硬件實(shí)際應(yīng)用設(shè)計和單片機(jī)完整的用戶程序設(shè)計還不清楚，實(shí)際動手能力不夠，因此對該課程進(jìn)行一次課程設(shè)計是有必要的。單片機(jī)課程設(shè)計既要讓學(xué)生鞏固課本學(xué)到的理論，還要讓學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)硬件電路設(shè)計和用戶程序設(shè)計，使所學(xué)的知識更深一層的理解，十進(jìn)制加法計算器原理與硬軟件的課程設(shè)計主要是通過學(xué)生獨(dú)立設(shè)計方案并自己動手用計算機(jī)電路設(shè)計軟件，編寫和調(diào)試，最后仿真用戶程序，來加深對單片機(jī)的認(rèn)識，充分發(fā)揮學(xué)生的個人創(chuàng)新

3、能力，并提高學(xué)生對單片機(jī)的興趣，同時學(xué)習(xí)查閱資料、參考資料的方法。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、計算器、AT89C51芯片、匯編語言、數(shù)碼管、加減 目錄摘 要 .01引 言 .01一、 設(shè)計任務(wù)和要求.1、1 設(shè)計要求 1、2 性能指標(biāo)1、3 設(shè)計方案的確定 二、 單片機(jī)簡要原理.2、1 AT89C51的介紹2、2 單片機(jī)最小系統(tǒng)2、3 七段共陰極數(shù)碼管三、 硬件設(shè)計.3、1 鍵盤電路的設(shè)計 3、2 顯示電路的設(shè)計四、 軟件設(shè)計. 4、1 系統(tǒng)設(shè)計4、2 顯示電路的設(shè)計五、 調(diào)試與仿真.5、1 Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)5、2 proteus的操作6、 心得體會.參考文獻(xiàn).附錄1 系統(tǒng)硬件電路圖.附

4、錄2 程序清單.1、 設(shè)計任務(wù)和要求1.1 設(shè)計要求 本次課程設(shè)計，我選擇的課題是單片機(jī)十進(jìn)制加法計算器軟硬件設(shè)計 ，設(shè)計任務(wù)為： 設(shè)計一鍵盤顯示裝置，鍵盤上除需定義16個十六進(jìn)制數(shù)字鍵外還要相應(yīng)的功能鍵，其它鍵不定義無響應(yīng)。利用此系統(tǒng)可分別可輸入十六進(jìn)制被減數(shù)與減數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩數(shù)相減并將結(jié)果以十六進(jìn)制形式顯示出來。(擴(kuò)展:多位16進(jìn)制數(shù)相減)1.2 性能指標(biāo) 本課程設(shè)計的十六進(jìn)制減法，計算結(jié)果全為整數(shù)，計算結(jié)果溢出結(jié)果不顯示。 1 、減法：三位減法，計算結(jié)果若小于零溢出不顯 3、有顯示差的功能1.3 設(shè)計方案的確定 按照1.1的設(shè)計要求，本課題需要使用數(shù)碼管顯示和擴(kuò)展1*5鍵盤，由于AT89C5

5、1芯片的I口不夠多，而且為了硬件電路設(shè)計的簡單化，故選擇串行動態(tài)顯示和用P1口擴(kuò)展1*5鍵盤，擴(kuò)展的1*5鍵盤定義十個數(shù)字鍵，5個功能鍵，使用串行動態(tài)顯示顯示運(yùn)算結(jié)果。 主程序進(jìn)行初始化，采用行列掃描進(jìn)行查表得出鍵值，每次按鍵后調(diào)用顯示子程序。 二、 單片機(jī)簡要原理在該課程設(shè)計中，主要用到一個AT89C51芯片和串接的共陰數(shù)碼管。作為該設(shè)計的主要部分，下面將對它們的原理及功能做詳細(xì)介紹和說明。2.1 AT89C51的介紹： 圖一 AT89C51外形結(jié)構(gòu)和引腳分布圖芯片AT89C51的外形結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖一所示。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh P

6、rogrammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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案。2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)就是支持主芯片正常工作的最小部分，包括主控芯片、復(fù)位電路和晶振電路。 （一） 復(fù)位電路 圖二 復(fù)位電路 本設(shè)計采用上電與手動復(fù)位電路，電阻分別選取100和10K，電容選取10uF

7、，系統(tǒng)一上電，芯片就復(fù)位，或者中途按按鍵也可以進(jìn)行復(fù)位。（2） 晶振電路 圖三 晶振電路晶振電路是單片機(jī)的心臟，它用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號。單片機(jī)的晶振選取11.0592MHz，晶振旁電容選取30pF。2.3 七段共陰極數(shù)碼管 圖四 七段共陰數(shù)碼管圖為七段共陰數(shù)碼管的引腳圖，從左到右數(shù)碼管的段碼分別為a,b,c,d,e,f,g和小數(shù)點(diǎn)dp，低電平時點(diǎn)亮，最右邊為位選端。三、 硬件設(shè)計簡易數(shù)字計算器系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括：顯示電路以及其他輔助電路。下面分別進(jìn)行設(shè)計。 3.1 顯示電路的設(shè)計 當(dāng)系統(tǒng)需要顯示少量數(shù)據(jù)時，采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)

8、顯示兩種方法。為了減少端口的使用，故選擇動態(tài)顯示。 電路如下圖六所示： 圖六 三位數(shù)碼管的顯示電路四、 軟件設(shè)計在十進(jìn)制加法計算器的軟件規(guī)劃要求下，簡易計算器的程序主要包括以下功能模塊：（1）    主模塊，為系統(tǒng)的初始化。（2）   顯示與讀鍵模塊，分為判鍵程序段、運(yùn)算操作子程序、顯示子程序等部分；4.1 系統(tǒng)設(shè)計（一） 系統(tǒng)模塊圖 圖六 系統(tǒng)模塊圖 此系統(tǒng)包括輸入、運(yùn)算和顯示模塊，由單片機(jī)控制。其中通過輸入鍵盤模塊將數(shù)字09和運(yùn)算符號“+”、“-”、“*”、“/”輸入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算；運(yùn)算模塊分別根據(jù)輸入的運(yùn)算符進(jìn)行加減乘除運(yùn)算；顯

9、示模塊將運(yùn)算后的數(shù)值通過動態(tài)掃描使之在數(shù)碼管上輸出。（2） 系統(tǒng)總流程圖主程序主要是用來進(jìn)行初始化的，調(diào)用其他子程序，清空各個標(biāo)志位，清空緩存區(qū)，讀取鍵碼，判斷功能，在LED上作出回應(yīng)，主程序流程圖如圖六所示。（1）數(shù)字送顯示緩沖程序設(shè)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。可重新輸入數(shù)字，再次計算。(2）運(yùn)算程序的設(shè)計首先初始化參數(shù)，送LED三位顯示“0”，其它位不顯示。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LED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

10、是“=”還是運(yùn)算鍵，若是“=”則計算最后結(jié)果并送LED顯示，若是運(yùn)算鍵則保存相對運(yùn)算程序的首地址。 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(jié)果送顯示緩存保存結(jié)果和功能鍵根據(jù)上次功能鍵和輸入的數(shù)據(jù)計算結(jié)果功能鍵否是是數(shù)字鍵是清零鍵是功能鍵 圖七 主程序流程圖4.2 顯示與按鍵設(shè)計（1） LED顯示程序設(shè)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(diǎn)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

11、算器用到的數(shù)字09的共陰極字形代碼如下表：顯示字型gfedcba段碼001111110c0h100001100f9h210110110a4h310011110b0h4110011099h5110110192h6111110182h700001110f8h8111111180h9110111190h 表一 共陰極數(shù)碼管段碼對照表(2) 讀鍵子程序設(shè)計為了實(shí)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。其程序框圖如圖八：讀鍵程序使用的是反轉(zhuǎn)法讀鍵，不管鍵盤矩陣的規(guī)模大小，均進(jìn)行兩次讀鍵。第一次所有列線均輸出低電

12、平，從所有讀入鍵盤信息（行信息）；第二次所有行線均輸出低電平，從所有行線讀入鍵盤信息（列信息）。將兩次讀鍵信息進(jìn)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。將各特征編碼按希望的順序排成一張表，然后用當(dāng)前讀得的特征碼來查表。當(dāng)表中有該特征碼時，它的位置就是對應(yīng)的順序編碼；當(dāng)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。 圖八 計算鍵值子程序流程圖五、 調(diào)試與仿真下面用KEIL uVision3與 proteus仿真軟件介紹十進(jìn)制加法計算器的仿真與調(diào)試。5.1Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)（一） 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，其中

13、uVision是C51 for Windows的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)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編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)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(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。（二） 采用KEIL 開發(fā)的89c51單片機(jī)應(yīng)用程序步驟：1. 在uVision

14、 集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建新項(xiàng)目（Project），擴(kuò)展文件名為.UV2,并為該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī)CPU器件（本設(shè)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）,也可以使C語言文件（擴(kuò)展名.C），并將該文件添加到項(xiàng)目中去。一個項(xiàng)目文件可以包含多個文件，除了源程序文件外，還可以是庫文件、頭文件或文本說明文件。 3. 通過uVision 3 的相關(guān)選擇項(xiàng)，配置編譯環(huán)境、連接定位器以及Debug調(diào)試器的功能。 4. 對項(xiàng)目中的源文件進(jìn)行編譯連接，生成絕對目標(biāo)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，修改源文件中的錯

15、誤后重構(gòu)整個項(xiàng)目。 5. 對沒有語法錯誤的程序進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后將HEX文件寫入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的ROM中。5.2 proteus的操作 （一）硬件電路圖的接法操作 1.放置選擇（刪除）元器件2.移動元器件3.縮放視圖4.連接導(dǎo)線5.仿真，調(diào)試 （二） 單片機(jī)系統(tǒng)PROTEUS設(shè)計與仿真過程Proteus強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真功能，使它可成為單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)和改進(jìn)手段之一。全部過程都是在計算機(jī)上通過Proteus來完成的。其過程一般也可分為三步：1.在ISIS平臺上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測等，簡稱Proteus電路設(shè)計。2.在Keil平臺上進(jìn)行

16、單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計、編輯、匯編編譯、代碼級調(diào)試，最后生成目標(biāo)代碼文件（*.hex）。簡稱Proteus源程序設(shè)計和生成目標(biāo)代碼文件。3.在ISIS平臺上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時交互、協(xié)同仿真。它在相當(dāng)程度上反映了實(shí)際單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。簡稱Proteus仿真。（三） Proteus中課程設(shè)計的仿真結(jié)果在Proteus中將硬件電路全部接好以后，將Keil中生成的.hex文件導(dǎo)入到單片機(jī)中，點(diǎn)擊開始仿真按鈕，電路開始仿真?？梢杂^察到：數(shù)碼管顯示“000”；分別依次按下按鍵“5”、“+”、“6”和“=”，可以看到數(shù)碼管顯示“11”；也可以分別調(diào)試其它功能鍵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)

17、調(diào)試結(jié)果與預(yù)期的理論值相吻合，即本次課設(shè)已成功?？偟姆抡嬖黼娐穲D見附錄1圖九。6、 心得體會 為期兩周的單片機(jī)課程設(shè)計終于結(jié)束了，通過緊張的工作，完成了我們的設(shè)計任務(wù)-十進(jìn)制加法計算器?？偟膩碚f，這次課程設(shè)計是比較成功的。當(dāng)然，這其中也經(jīng)歷了許多坎坷，但是在我的堅持不懈下，在老師的細(xì)心指導(dǎo)下，在同學(xué)們的熱情幫助下，最終克服了種種困難，取得了成功。 剛開始接到這個計算器的課程設(shè)計任務(wù)時，因?yàn)橐郧白鲞^類似的題目，于是在腦海中初步構(gòu)建了編寫程序的一些控制程序。但是由于缺乏編寫大量程序的經(jīng)驗(yàn)，不能如行云流水般的將全部的各部分代碼寫出，于是去網(wǎng)上查找相關(guān)資料，了解計算器的輸入控制原理、運(yùn)算處理以及顯示

18、的原理。了解之后自己嘗試編寫程序，在此過程中，其中鍵盤掃描和動態(tài)掃描顯示掃描程序困擾了我很久，經(jīng)過三四天的辛苦工作，終于初步把所需要的程序編好了，于是就用Keil uversion3進(jìn)行仿真，在仿真期間也發(fā)現(xiàn)了許多錯誤，基本上都是平日容易犯的錯誤，比如忘記了子程序標(biāo)號、死循環(huán)程序、標(biāo)點(diǎn)符號的漏寫等。經(jīng)過反復(fù)的編譯差錯，仿真編譯通過后，于是開始在Proteus中連硬件電路，全部接完電路之后將Keil生成的.Hex文件導(dǎo)入進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)軟件與硬件不能夠?qū)?yīng)協(xié)調(diào)工作，于是分別對軟件和硬件進(jìn)行檢查，經(jīng)過反復(fù)的仿真調(diào)試，并且在同學(xué)的幫助和自己對每個子程序進(jìn)行仿真觀察下，終于在課設(shè)快結(jié)束時成功的調(diào)試出結(jié)果

19、了。這就是我這一周課設(shè)的經(jīng)過，看似簡單，過程卻曲折艱辛。 通過這次課程設(shè)計，我進(jìn)一步加深了對電子自動控制的了解。并進(jìn)一步熟練了對Keil和Proteus軟件的操作。通過與同學(xué)探討和請教老師，終于把問題都解決了，并加深了對計算器工作的原理的了解。同時也掌握了做課程設(shè)計的一般流程，為以后的設(shè)計積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。做課程設(shè)計時，先查閱相關(guān)知識，把原理吃透，確定一個大的設(shè)計方向，在按照這個方向分模塊的把要實(shí)現(xiàn)的功能用流程圖的形式展示。學(xué)會了怎么樣去制定計劃，怎么樣去實(shí)現(xiàn)這個計劃，并掌握了在執(zhí)行過程中怎么樣去克服心理上的不良情緒?？傊?，通過這次的設(shè)計，進(jìn)一步了解了單片微型計算機(jī)及應(yīng)用原理，收獲很大，對軟件

20、編程、排錯調(diào)試、查閱資料等方面得到較全面的鍛煉和提高。 同時通過本次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，掌握了一種系統(tǒng)的研究方法，可以進(jìn)行一些簡單的編程，我還深深的體會到設(shè)計課的重要性和目的性所在。為今后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐打下了良好的基礎(chǔ)。此次課設(shè)還鞏固和綜合運(yùn)用所學(xué)過的原理知識，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。 參考文獻(xiàn)1   周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)（修訂版）.北京航空大學(xué)出版社2 張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù).第2版. 機(jī)械工業(yè)出版社3 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）. 高等教育出版社出版，20064 蔣力培.單片微機(jī)系統(tǒng)實(shí)用教程(第1版).機(jī)械工業(yè)出版社附錄1 系

21、統(tǒng)硬件電路圖 圖九 總電路原理圖附錄2 程序清單# include<reg51.h>typedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint16;sbit p20 = P20;sbit p21 = P21;sbit p22 = P22;sbit p23 = P23;sbit keyin1 = P24;sbit keyin2 = P25;sbit keyin3 = P26;sbit keyin4 = P27;sbit keyin5 = P10;code uint8 number = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,

22、0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x58,0x5e,0x79,0x71;uint8 a5,b2;uint8 num1,num2;uint8 n = 0, m = 0, g = 0, h = 0;void delay(uint16 zms) uint16 i,j;for(i = zms ; i > 0 ; i-)for(j = 110 ; j > 0 ; j-);void refresh() static uint8 j = 0; switch(j) case 0:p20 = 0; p21 = 1; p22 = 1; p23 = 1;P0 =

23、 numbera0; j +;delay(1); break; case 1:p20 = 1; p21 = 0; p22 = 1; p23 = 1;P0 = numbera1; j +; delay(1);break; case 2:p20 = 1; p21 = 1; p22 = 0; p23 = 1;P0 = numbera2; j +; delay(1);break; case 3:p20 = 1; p21 = 1; p22 = 1; p23 = 0;P0 = numbera3; j+; delay(1); break; default:p20 = 1; p21 = 1; p22 = 1; p23 = 1;j = 0;delay(1);break; void refresh_1() s