簡易計算器的設計與制作

浙江工商職業(yè)技術學院電子與信息工程學院畢業(yè)設計 電信學院畢業(yè)設計（說明書）畢業(yè)設計（說明書）題目畢業(yè)設計（說明書）題目專業(yè)：應用電子技術專業(yè)：應用電子技術班級：學號：學生姓名：校外指導教師：俞海云校內指導教師：李翠鳳二零一五年四月簡易計算器的設計與制作摘要：近十幾年，單片機技術發(fā)展的很快，其中電子產品的更新速度迅猛。計算器是我們日常生活中比較常見的電子產品之一。在很多領域的數(shù)據(jù)處理中要用到數(shù)學運算，作為計算機自動處理系統(tǒng)更顯得重要。此項目設計以單片機為核心部件的計算器，采用4*4矩陣式鍵盤，16個鍵依次對應0—9、“+”、“-”、“*”、“/”、“=”和清除鍵。使用單片機最小應用系統(tǒng)1模塊，簡單方便。采用LCD1602A作顯示。本次設計是以STC89C52單片機為核心器件，外圍輔助器件為LCD顯示器、控制按鍵來設計的計算器。利用此設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MicrosoftVisualC++6.0應用程序開發(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。本計算器系統(tǒng)簡單，實用性強，成本低，使用維護方便，軟件功能強，運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。關鍵詞：STC89C52；LCD1602；計算器；矩陣鍵盤目錄TOC\o"1-4"\u1.緒論 21.1系統(tǒng)開發(fā)的背景和意義 21.2設計目的 21.3設計任務 22.方案論證與比較 32.1主機方案設計與選擇 32.1.1方案一：采用FPGA控制 32.1.2方案二：采用STC9C52單片機 32.2從機方案設計與選擇 42.2.1方案一：采用8255A芯片控制采集和數(shù)碼管顯示 42.2.2方案二：采用液晶LCD1602做為顯示 43.系統(tǒng)設計及說明 53.1系統(tǒng)總框圖 53.2元件介紹 54.系統(tǒng)硬件設計 114.1外接鍵盤電路設計 114.2顯示電路設計 115.系統(tǒng)程序設計 125.1鍵盤掃描程序設計 125.2顯示模塊的程序設計 135.3運算程序設計 146.調試 156.1硬件調試 156.2軟件的調試 16結論 17致謝 18參考文獻 19附錄A元件清單 20附錄B原理圖 21附錄CPCB圖 22附錄D實物圖 23

緒論系統(tǒng)開發(fā)的背景和意義隨著社會的發(fā)展，科學地額進步，人們的生活水平在逐步提高，尤其是微電子技術的發(fā)展，猶如雨后春筍般的變化。電子產品的更新速度快就不驚奇了。計算機在人們的日常中是比較常見的電子產品之一。充分利用已有的軟件和硬件條件設計出更出色的電子產品之一。如何使計算器技術更加的成熟，充分利用已有的軟件和硬件條件，設計出更出色的計算器，使其更好的為各個行業(yè)服務，成了如今電子領域重要的研究課題。今天，人們的日常生活中已經離不開計算器了，社會的各個角落都有它的身影，比如商店、辦公、室學校、、、、、。因此設計一款簡單實用的計算器會有很大的實際意義。設計目的通過本次課題設計，應用《單片機應用基礎》、《計算機應用基礎》等所學相關知識及查閱資料，完成簡易計算器的設計，以達到理論與實踐更好的結合、進一步提高綜合運用所學知識和設計的能力的目的。通過本次設計的訓練，可以使我在基本思路和基本方法上對基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設計有一個比較感性的認識，并具備一定程度的設計能力。設計任務在本次課程設計中，主要完成如下方面的設計任務：（1）簡要闡述單片機技術發(fā)展的國內外現(xiàn)狀及LED動態(tài)顯示和矩陣鍵盤基本原理；（2）掌握MCS-51系列某種產品（例如8051）的最小電路及外圍擴展電路的設計方法；（3）了解單片機數(shù)據(jù)轉換功能及工作過程；（4）完成主要功能模塊的硬件電路設計及必要的參數(shù)確定；（5）用protel軟件完成原理電路圖的繪制。方案論證與比較主機方案設計與選擇方案一：采用FPGA控制FPGA是一種高密度的可編程邏輯器件，自從XiLin公司1985年崔出第一片F(xiàn)PGAD以來，F(xiàn)PGA的集成密度和性能提高好呢快，其集成密度高達500萬門/片以上，系統(tǒng)性能可達200MHz。使用方便簡易，開發(fā)和上市的周期短，在數(shù)字設計和電子生產中得到迅速和應用，并一度在高密度的可編程邏輯器件領域中獨占鰲頭。但是基于SRMA編程的FPGA，其編程信息需存放在外部存儲器上，需外部存儲芯片，且使用方法復雜，保密性差，而其對于一個簡單的計算器而言，使用FPGA有點大材小用，成本太高。 方案二：采用STC9C52單片機單片機是單片微型機的簡稱，即MicroControlUnit（MCU）。通常由單塊集成電路組成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器CPU、存儲器和I/O幾口電路等。因此，單片機只要和是單的軟件及外部設備相結合，即可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機廣泛用于智能產品，智能儀表、測控技術、智能接口等，具有操作簡單，實用方便，價格便宜等優(yōu)點，而其中有STC89C52以MCS-51位內核，是經典的單片機代表。同時它的功耗低，與工業(yè)80C51產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，亦適合于常規(guī)編程器，擁有8位CPU，使其與眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)能夠靈活結合。此外，STC89C52克降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件的可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，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內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，知道下一個中斷或硬件復位為止。8位微控制器8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash。同時該芯片還具有PDI、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。方案二符合了輕便、成本低、使用簡單等優(yōu)點，因此我們選擇方案二。從機方案設計與選擇方案一：采用8255A芯片控制采集和數(shù)碼管顯示采用8255A為輔助擴展芯片（控制鍵盤信號采集以及數(shù)碼管顯示），采用普通數(shù)碼管顯示。由于此方案采用了擴展芯片，程序設計較為復雜。而且采用普通數(shù)碼管顯示，并不能顯示“+”、“-”“*”“/”等運算符號。同時數(shù)碼管顯示編程實際編寫比較復雜，參數(shù)多容易混亂。方案二：采用液晶LCD1602做為顯示LCD1602已經使用的很普遍了，LCD1602采用標準的14腳（無背光）或者16腳（帶背光）接口，1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。市面上的字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理完全相同的，因此HD44780寫的液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此HD44780寫的控制程序可以用于大部分的液晶，也包括1602。在對液晶模塊初始化的過程中我們需要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符光標是自動右移的，無需人工干預。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生儲存器（CGROM）已經儲存了160個不同的點陣字符圖形。同時1602的價格便宜，供貨商多，基本的電子商店都能買到。省事省力，體積也小。適合于這個方案。因此我們選擇整體的方案二。

系統(tǒng)設計及說明系統(tǒng)總框圖圖3.1方案二系統(tǒng)框圖元件介紹STC89C52:STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KBEEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外STC89C52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內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。參數(shù)特點：1.增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.[2]2.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）3.工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz4.用戶應用程序空間為8K字節(jié)5.片上集成512字節(jié)RAM6.通用I/O口（32個），復位后為：P0/P1/P2/P3是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8.具有EEPROM功能9.共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T210.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒11.通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART12.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）STC89C52RC引腳功能說明:VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內部上拉電阻有效。在FlashROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（I/L）。此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體參見下表3-2-1：在對FlashROM編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。表3.1引腳號功能特性P1.0T2（定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制）P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（I/L）。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX@DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX@R1”指令）時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內容），在整個訪問期間不會改變。在對FlashROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流（I/L）。在對FlashROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表表3-2-2所示：表3-2-2：P3口引腳復用功能表表3.2引腳號復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時有效。否則ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。/VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時，將內部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內部程序指令，應該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。LCD1602LCD1602主要技術參數(shù)：顯示容量:16×2個字符芯片工作電壓:4.5—5.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引腳功能說明第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）如下表3-2-3：表3.3液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖3-2是1602的內部顯示地址。圖3.2例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。

系統(tǒng)硬件設計外接鍵盤電路設計計算機輸入數(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。這樣行列式鍵盤結構能有效的提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。計算器的鍵盤布局如圖3.2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4.1矩陣鍵盤內部電路顯示電路設計本設計采用LCD液晶顯示器來顯示輸出數(shù)據(jù)。LCD的特性有：1、+5V電壓，對比可調度；2、內含復位電路；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。本設計通過D0-D7引腳向LCD寫指令字或寫數(shù)據(jù)以使LCD實現(xiàn)不同的功能或顯示相應的數(shù)據(jù)。其接口電路如圖4-2所示。圖4.2LCD接口電路系統(tǒng)程序設計鍵盤掃描程序設計鍵掃程序的過程為：開始時，先判斷是否有鍵閉合，無鍵閉合時，返回繼續(xù)判斷，有鍵閉合時，先去抖動，然后確定是否有鍵按下，若無鍵按下，則返回繼續(xù)判斷是否有鍵閉合，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。其流程圖如圖5-1所示。圖5.1鍵盤程序設計框圖顯示模塊的程序設計顯示程序的過程為：顯示開始時，先進行LCD的初始化，判斷是否顯示漢字或ACSII碼或圖形，若不顯示，則返回，若顯示的是漢字或ACSII碼，則進行相應功能的設置，然后送地址和數(shù)據(jù)，再判斷是否顯示完,顯示完則返回，沒有顯示完則繼續(xù)送地址，若顯示的是圖形，則先進行相應功能的設置，再送行地址和列地址，然后送數(shù)據(jù)，最后判斷是否顯示完，顯示完則返回，沒有顯示完則繼續(xù)送行地址和列地址。其流程圖如圖5-2所示。圖5.2液晶顯示程序框圖運算程序設計算術運算程序的過程為：先判斷輸入的運算符是+、-、*、/中的哪一個，若是+或-，則要判斷運算結果是否溢出，溢出則顯示錯誤信息，沒溢出就顯示運算結果，若是/，則要先判斷除數(shù)是否為零，為零就顯示錯誤信息，不為零則顯示運算結果，若是-，則直接顯示運算結果。其流程圖如圖5-3所示。圖5.3鍵盤掃描程序框圖調試硬件調試在電路板焊接完成后，先用萬用表檢查各接線是否焊接良好，是否有松動和漏焊。在通電調試之前，必須認真檢查電路連線是否正確，對照調試之前電路圖按照一定順序逐漸檢測，特別要注意電源是否接錯，電源與地是否有短接，二極管是否接反，輕輕撥一撥元器件，觀察焊點是否牢固。調試方法：包括多級調試和聯(lián)機調試。在調試過程中要針對可能出現(xiàn)的故障認真分析，直至檢查出原因并排除。本次硬件調試過程中，對所出現(xiàn)的問題進行了認真的分析和改正，最后能夠很好的達到設計要求的效果。軟件的調試軟件調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；4、改正錯誤。在本次調試中出現(xiàn)的問題有：（1）在程序中有的函數(shù)名未定義；（2）在抄錄程序時，少錄入一些字符，如：“；”、“{”、“-”等符號，而出現(xiàn)錯誤；（3）有一些函數(shù)名錄入時少寫一個字母或順序顛倒；（4）沒有注意函數(shù)名的調用及定義；（5）芯片引腳定義出錯而導致沒有實驗現(xiàn)象。在軟件調試過程中，對出現(xiàn)的錯誤進行了認真的分析和修改，多次調試成功后，能夠很好的達到既定的設計效果

結論課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發(fā)展的日新日異，單片機已經成為當今計算機應用中空前活躍的領域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為電子信息工程專業(yè)的學生來說掌握單片機的開發(fā)技術是十分重要的。我的題目是簡易計算器，對于我們這些實踐中的新手來說，這是一次考驗。怎么才能找到課堂所學與實際應用的最佳結合點？怎樣讓自己的業(yè)余更接近專業(yè)？怎樣讓自己的計劃更具有序性，而不會忙無一用？這都是我們所要考慮和努力的。這次課程設計我學到很多很多的東西，學會了怎么樣去制定計劃，怎么樣去實現(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。不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識，掌握了一種系統(tǒng)的研究方法，可以進行一些簡單的編程。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思