單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告簡(jiǎn)單計(jì)算器的設(shè)計(jì)

1、目錄1.總體方案選擇21.1 實(shí)驗(yàn)要求：21.2方案設(shè)計(jì)22.硬件原理電路圖的設(shè)計(jì)及分析22.1主控模塊22.1.1 STC89C52單片機(jī)主要特性32.1.2 STC89C52單片機(jī)管腳圖42.1.3 STC89C52單片機(jī)的中斷系統(tǒng)42.1.4 STC89C52單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器42.2矩陣鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)：52.2.1矩陣鍵盤(pán)原理介紹52.2.2矩陣鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)52.3 LCD液晶顯示器簡(jiǎn)介62.3.1液晶模塊簡(jiǎn)介62.3.2液晶顯示部分與89S52的接口73系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)93.1系統(tǒng)軟件流程圖93.2系統(tǒng)整體原理圖104.系統(tǒng)調(diào)試114.1硬件調(diào)試114.2軟件調(diào)試114.3調(diào)試結(jié)果125

2、. 心得體會(huì)131.總體方案選擇1.1 實(shí)驗(yàn)要求：1) 通過(guò)小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入，并在LED數(shù)碼管上顯示2) 實(shí)現(xiàn)+、-、*、/ 3) 在LED數(shù)碼管上顯示結(jié)果4) 并有清零，退出功能1.2方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要完成對(duì)鍵盤(pán)的響應(yīng)、液晶顯示燈功能的控制，起到總控和協(xié)調(diào)各模塊之間工作的作用。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)鍵盤(pán)讀取使用者按下對(duì)用功能的按鍵，然后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)放把運(yùn)算的結(jié)果顯示在液晶屏幕上。圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，本設(shè)計(jì)可分為以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、鍵盤(pán)模塊、功率放大模塊、鬧鈴模塊、按鍵設(shè)置模塊。下面對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案逐一進(jìn)

3、行論證分析。2.硬件原理電路圖的設(shè)計(jì)及分析2.1主控模塊STC89C52有40個(gè)引腳，4個(gè)8位并行I/O口，1個(gè)全雙工異步串行口，同時(shí)內(nèi)含5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。STC89C52的存儲(chǔ)器系統(tǒng)由4K的程序存儲(chǔ)器(掩膜ROM)，和128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)組成。STC89C52單片機(jī)的基本組成框圖見(jiàn)圖2-1。圖2-1 2.1.1 STC89C52單片機(jī)主要特性1. 一個(gè)8 位的微處理器(CPU)。2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM(128B)，用以存放可以讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等，SST89 系列單片機(jī)最多提供1K 的RAM。3. 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器

4、ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。4. 四個(gè)8 位并行IO 接口P0P3，每個(gè)口既可以用作輸入，也可以用作輸出。5. 兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。6. 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。7. 一個(gè)全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行IO 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。8. 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為12MHz。2.1.2 STC89C52單片機(jī)管腳圖圖2-2 89S52單片機(jī)管腳圖1. 時(shí)鐘電路引

5、腳XTAL1 和XTAL2：2. 控制信號(hào)引腳RST,ALE,PSEN 和EA：3. 輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3：2.1.3 STC89C52單片機(jī)的中斷系統(tǒng)STC89C52系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷服務(wù)嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器IE控制CPU是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求；由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP安排各中斷源的優(yōu)先級(jí)；同一優(yōu)先級(jí)內(nèi)各中斷同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應(yīng)次序。2.1.4 STC89C52單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常會(huì)有定時(shí)控制需求，如定時(shí)輸出、定時(shí)檢測(cè)、定時(shí)掃描等；也經(jīng)常要對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。89C5

6、2單片機(jī)內(nèi)集成有兩個(gè)可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器：T0和T1，它們既可以工作于定時(shí)模式，也可以工作于外部事件計(jì)數(shù)模式，此外，T1還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。2.2矩陣鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)：2.2.1矩陣鍵盤(pán)原理介紹在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I(mǎi)/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵

7、盤(pán)是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，上圖中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。2.2.2矩陣鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)圖2-3矩陣鍵盤(pán)硬件連接圖首先辨別鍵盤(pán)中有無(wú)鍵按下，有單片機(jī)I/O口向鍵盤(pán)送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來(lái)判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平

8、被拉至低電平從而使行線不全為1。判斷鍵盤(pán)中哪一個(gè)鍵被按下使通過(guò)將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。2.3 LCD液晶顯示器簡(jiǎn)介液晶是一種既具有液體的流動(dòng)性又具有光學(xué)特性的有機(jī)化合物，它的透明程度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場(chǎng)的影響，利用這特點(diǎn)便可做成字符顯示器。液晶顯示器(LCD)英文全稱為L(zhǎng)iquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。顯示接口用來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數(shù)據(jù)

9、。本系統(tǒng)顯示部分用的是LCD液晶模塊，采用一個(gè)16×1的字符型液晶顯示模塊。 2.3.1液晶模塊簡(jiǎn)介L(zhǎng)CD1602液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個(gè)8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標(biāo)志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計(jì)數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼，只能寫(xiě)入不能讀出，DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動(dòng)寫(xiě)入DDRAM和CG

10、RAM,或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)，BF為1時(shí)，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來(lái)存儲(chǔ)顯示的字符，能存儲(chǔ)80個(gè)字符碼，CGROM由8位字符碼生成5*7點(diǎn)陣字符160中和5*10點(diǎn)陣字符32種.8位字符編碼和字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以查看參考文獻(xiàn)（30）中的表4.CGRAM是為用戶編寫(xiě)特殊字符留用的，它的容量?jī)H64字節(jié)，可以自定義8個(gè)5*7點(diǎn)陣字符或者4個(gè)5*10點(diǎn)陣字符，AC可以存儲(chǔ)DDRAM和CGRAM的地址，如果地址碼隨指令寫(xiě)入IR,則IR自動(dòng)把地址碼裝入AC，同時(shí)選擇DDRAM或CGRAM但愿，LCD1602液晶模塊的引腳圖如圖2-4所示。圖2-

11、4 LCD1601引腳圖 寄存器選擇控制如表2-1。表2-1寄存器選擇控制RSR/W操作說(shuō)明00寫(xiě)入指令寄存器（清除屏等）01讀busy flag（DB7），以及讀取位址計(jì)數(shù)器（DB0DB6）值10寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)2.3.2液晶顯示部分與89S52的接口 如圖2-5所示。用89C51的P2口作為數(shù)據(jù)線，用P3.2、P3.1、P3.0分別作為L(zhǎng)CD的E、R/W、RS。其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號(hào)，R/W是讀寫(xiě)信號(hào)，RS是寄存器選擇信號(hào)本模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為1行，字型為5×7點(diǎn)陣，然后設(shè)置為整

12、體顯示，取消光標(biāo)和字體閃爍,最后設(shè)置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用2個(gè)字符數(shù)組，一個(gè)顯示字符，另一個(gè)顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示.首先取一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū)，程序延時(shí)2.5ms,判斷是否夠顯示的個(gè)數(shù)，不夠則地址加一取下一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)。圖2-5 LCD1602與STC89C52的接口3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件流程圖圖3-1 軟件流程圖183.2系統(tǒng)整體原理圖4.系統(tǒng)調(diào)試4.1硬件調(diào)試計(jì)算器的電路系統(tǒng)較大，對(duì)于焊接方面更是不可輕視，龐大的電路系統(tǒng)中只要出于一處的錯(cuò)誤，則會(huì)對(duì)檢測(cè)造成很大的不便

13、，而且電路的交線較多，對(duì)于各種鋒利的引腳要注意處理，否則會(huì)刺破帶有包皮的導(dǎo)線，則會(huì)對(duì)電路造成短路現(xiàn)象。在本計(jì)算器的設(shè)計(jì)調(diào)試中遇到了很多的問(wèn)題?；叵脒@些問(wèn)題只要認(rèn)真多思考都是可以避免的，以下為主要的問(wèn)題：（1）程序調(diào)試初期液晶一直沒(méi)有正常顯示，總在第一行顯示黑條。解決：經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)液晶對(duì)比度沒(méi)有調(diào)好，旋轉(zhuǎn)液晶調(diào)節(jié)對(duì)比度用的電位器直到液晶顯示正常。（2）開(kāi)始時(shí)程序一直不能往單片機(jī)下載。解決：檢查復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，以及單片機(jī)的供電系統(tǒng)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)晶振沒(méi)有起振，最終把晶振的起振電容換了就能夠下載程序。4.2軟件調(diào)試計(jì)算器是多功能的數(shù)字型設(shè)備，可以根據(jù)用戶按下的按鍵記錄要計(jì)算的數(shù)值。并通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算計(jì)

14、算出結(jié)果并在屏幕上顯示。計(jì)算器的功能很多，所以對(duì)于它的程序也較為復(fù)雜,所以在編寫(xiě)程序和調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了相對(duì)較多的問(wèn)題。最后經(jīng)過(guò)多次的模塊子程序的修改，一步一步的完成，最終解決了軟件。在軟件的調(diào)試過(guò)程中主要遇到的問(wèn)題如下：1每次計(jì)算一次數(shù)值運(yùn)算后，屏幕上會(huì)殘留以前換算的結(jié)果，進(jìn)行下一次運(yùn)算的時(shí)候也沒(méi)有消除。解決：經(jīng)過(guò)分析初步確認(rèn)是液晶在進(jìn)行下一次運(yùn)算的時(shí)候沒(méi)有進(jìn)行清屏，在上一次運(yùn)算完成后，進(jìn)行新一次運(yùn)算的時(shí)候單片機(jī)對(duì)液晶進(jìn)行處理使其進(jìn)行清屏處理，最后解決了此問(wèn)題。2當(dāng)用戶按下按鍵的時(shí)候，單片機(jī)讀取的數(shù)值跟設(shè)定的數(shù)值不對(duì)。解決：重新檢查矩陣鍵盤(pán)電路的連接，重新建立一個(gè)新的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4.3調(diào)試結(jié)果經(jīng)過(guò)一

15、系列的問(wèn)題查找后系統(tǒng)最終能正常工作，并完成所有的功能。以下為系統(tǒng)仿真圖: 圖4-1系統(tǒng)仿真圖5. 心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了不少課本上沒(méi)有的知識(shí)，也鍛煉了自己的動(dòng)手能力，將以前學(xué)過(guò)的零散的知識(shí)串到一起。經(jīng)過(guò)我長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)及調(diào)試，本系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的要求。通過(guò)這些我的硬件和軟件開(kāi)發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程和所要做的工作?；菊莆樟薖rotel99SE原理圖的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。通過(guò)開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)和硬件搭建的過(guò)程，使我對(duì)51系單片機(jī)的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機(jī)常用的外圍電路引腳和連接方法，如LED數(shù)碼管，鍵盤(pán)等。并且我學(xué)會(huì)了分

16、析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，加深了對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用。我的動(dòng)手能力得到了很大的提高，創(chuàng)新意識(shí)得到了鍛煉。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然忙碌勞累，但也充實(shí)快樂(lè)，老師每天都會(huì)不厭其煩的陪著我們?cè)跈C(jī)房，有任何問(wèn)題都會(huì)對(duì)我們傾囊相授，在這我想向陪伴我們?nèi)甑睦蠋熣f(shuō)聲謝謝，你們辛苦了！參考文獻(xiàn)1 彭偉.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例.電子工業(yè)出版社.2009年2 吳運(yùn)昌模擬電子線路基礎(chǔ)廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年3 閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，1997年4 張曉麗等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002年5 馬忠梅等 ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程北京：北京航空航天大學(xué)

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18、y_port P2 /按鍵 unsigned char key_scan(void); /鍵盤(pán)掃描函數(shù) bit FlagN = 0; /是否有數(shù)字按下 ,按下后置1bit FlagO = 0; /是否有操作符按下，按下后置1bit FlagD = 0; /是否按下小數(shù)點(diǎn)，按下后置1bit FlagNegX=0;bit FlagNegY=0;double X = 0.0,Y = 0.0,RES = 0.0; /X為第一個(gè)操作數(shù) Y為第二個(gè)操作數(shù) unsigned char OPER = 0; /操作符號(hào) int Num16=0; /存放結(jié)果位/-void delay(unsigned int i

19、)unsigned int x,y;for(x= 0;x<i;x+)for(y = 0;y<110;y+);while(Numi=0)/判斷第一個(gè)不為0的數(shù)i+;k = 4-i;if(i > 3) /RES<1時(shí)LCDDispChar(2,2,'0');LCDDispChar(3,2,'.');for(l=0;l<4;l+) LCDDispNum(4+l,2,Numl+4);elsefor(j = 0;j<k;j+) /顯示所有的整數(shù)部分LCDDispNum(2+j,2,Numi+);LCDDispChar(2+j,2,

20、9;.');j+;for(l=0;l<4;l+) LCDDispNum(2+j,2,Numl+4); j+; /計(jì)算部分的函數(shù)/傳入?yún)?shù)：x-運(yùn)算數(shù)1，y運(yùn)算數(shù)2，oper運(yùn)算符號(hào)/返回值：運(yùn)算結(jié)果 void Calculate(void) switch (OPER) case 11:RES = (double)X*1.0+Y;break;case 12:RES = (double)X*1.0-Y;break;case 13:RES = (double)X*1.0*Y;break;case 14:RES = (double)X*1.0/Y;break;default:break;

21、 /主函數(shù) void main() unsigned char i=0;unsigned int temp = 0;unsigned char location = 0;/當(dāng)前顯示指針位置FlagN = 0;FlagO = 0;FlagD = 0; FlagNegX=0;FlagNegY=0;LCDInit(); while(FlagO)LCDCursor();while(FlagN) /輸入X的過(guò)程中 沒(méi)有按下操作符建 按下后跳出 i = key_scan();OPER = i; /取得操作符 if(i>=0) && (i<10) if(FlagD) /當(dāng)沒(méi)有按下

22、小數(shù)點(diǎn)時(shí) X=X*10+i; else /按下小數(shù)點(diǎn)后的情況， /儲(chǔ)存值以便顯示 Numtemp+4 = i; /更新X值以便計(jì)算 if(temp = 0)X = X + (double)i/10;if(temp = 1)X = X + (double)i/100;if(temp = 2)X = X + (double)i/1000;if(temp = 3)X = X + (double)i/10000;if(temp = 4)X = X + (double)i/100000; temp+; LCDDispNum(location+,1,i); else if(i = 10) /顯示小數(shù)點(diǎn) L

23、CDDispChar(location+,1,'.'); else if(i = 12 && X=0) /按下-號(hào) FlagN=0;FlagNegX=1;LCDDispChar(location+,1,'-'); /輸入Xif(FlagNegX)X=0-X;if(i = 11)/顯示操作符 LCDDispChar(location+,1,'+');else if(i = 12)LCDDispChar(location+,1,'-');else if(i = 13)LCDDispChar(location+,1,'X');else if (i = 14)LCDDispChar(locat