51單片機的簡單計算器設計和仿真

...wd......wd......wd...基于單片機的簡易計算器設計與仿真設計題目：基于單片機的簡易計算器設計與仿真一、設計實驗條件：地點：自動化系實驗室實驗設備：PC機〔裝有Keil；Protues；Word；Visio〕二、設計任務：本系統(tǒng)選用AT89C51單片機為主控機。通過擴展必要的外圍接口電路，實現(xiàn)對計算器的設計，具體設計如下：〔1〕由于設計的計算器要進展四則運算，為了得到較好的顯示效果，經(jīng)綜合分析后，最后采用LCD顯示數(shù)據(jù)和結果?！?〕采用鍵盤輸入方式，鍵盤包括數(shù)字鍵〔0～9〕、符號鍵〔+、-、×、÷〕、去除鍵(on\c)和等號鍵〔=〕，故只需要16個按鍵即可，設計中采用集成的計算鍵盤。〔3〕在執(zhí)行過程中，開機顯示零，等待鍵入數(shù)值，當鍵入數(shù)字，通過LCD顯示出來，當鍵入+、-、*、/運算符，計算器在內(nèi)部執(zhí)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和存儲，并等待再次鍵入數(shù)值，當再鍵入數(shù)值后將顯示鍵入的數(shù)值，按等號就會在LCD上輸出運算結果?！?〕錯誤提示：當計算器執(zhí)行過程中有錯誤時，會在LCD上顯示相應的提示,如：當輸入的數(shù)值或計算得到的結果大于計算器的表示范圍時，計算器會在LCD上提示overflow；當除數(shù)為0時，計算器會在LCD上提示error。設計要求：分別對鍵盤輸入檢測模塊；LCD顯示模塊；算術運算模塊；錯誤處理及提示模塊進展設計，并用Visio畫系統(tǒng)方框圖，keil與protues仿真分析其設計結果。三、設計時間與設計時間安排：1、設計時間：6月27日～7月8日2、設計時間安排：熟悉課題、收集資料：3天〔6月27日～6月29日)具體設計〔含上機實驗〕：6天〔6月30日～7月5日)編寫課程設計說明書：2天〔7月6日～7月7日)辯論：1天〔7月8日〕四、設計說明書的內(nèi)容：1、前言：(自己寫，組員之間不能一樣，寫完后將紅字刪除，排版時注意對齊〕本設計是基于51系列單片機來進展的數(shù)字計算器系統(tǒng)設計，可以完成計算器的鍵盤輸入，進展加、減、乘、除根本四則運算，并在LCD上顯示相應的結果；設計電路采用AT89C51單片機為主要控制電路，利用MM74C922作為計算器4*4鍵盤的掃描IC讀取鍵盤上的輸入；顯示采用字符LCD靜態(tài)顯示；軟件方面使用C語言編程，并用PROTUES仿真。2、設計題目與設計任務：現(xiàn)實生活中人們熟知的計算器，其功能主要如下：〔1〕鍵盤輸入；〔2〕數(shù)值顯示；〔3〕加、減、乘、除四則運算；(4)對錯誤的控制及提示。針對上述功能，計算器軟件程序要完成以下模塊的設計：(1)鍵盤輸入檢測模塊；〔2〕LCD顯示模塊；〔3〕算術運算模塊；〔4〕錯誤處理及提示模塊。3、主體設計局部：〔1〕、系統(tǒng)模塊圖：〔2〕、算術運算程序流程圖：〔3〕、系統(tǒng)總流程圖：〔4〕、硬件設計：〔一〕、總體硬件設計：本設計選用AT89C51單片機為主控單元；顯示局部：采用LCD靜態(tài)顯示；按鍵局部：采用4*4鍵盤；用MM74C922為4*4鍵盤掃描IC，讀取輸入的鍵值?？傮w設計效果如以下列圖：〔二〕、單片機接口電路說明：1、手動上電復位電路：當VCC上電時，C充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位；幾個毫秒后，C充滿，10K電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下S，C放電。S松手，C又充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位。幾個毫秒后，單片機進入工作狀態(tài)。2、內(nèi)部時鐘模式電路：當單片機工作于內(nèi)部時鐘模式的時候，只需在XTAL1和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或者陶瓷振蕩器，并接兩個電容后接地即可，在使用時對于電容的選擇有一定的要求：當外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=30+10pF或30-10pF；當外接陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=40+10pF或40-10pF；3、AT89C51單片機引腳介紹：VCC：供電電壓。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P0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進展校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)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，被內(nèi)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，這是由于內(nèi)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口為一個內(nèi)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，其管腳被內(nèi)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。這是由于內(nèi)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)存儲器進展存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進展讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)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個帶內(nèi)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，它們被內(nèi)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：P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2/INT0〔外部中斷0〕P3.3/INT1〔外部中斷1〕P3.4T0〔記時器0外部輸入〕P3.5T1〔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。如想制止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE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制止，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〕，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)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：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4、單片機與復位、時鐘電路連接電路圖：〔三〕、鍵盤接口電路：計算器輸入數(shù)字和其他功能按鍵要用到很多按鍵，如果采用獨立按鍵的方式，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種方式，而是采用矩陣鍵盤的方案。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穿插點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4×4個。這種行列式鍵盤構造能有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。矩陣鍵盤的工作原理：計算器的鍵盤布局如圖1所示：一般有16個鍵組成，在單片機中正好可以用一個P口實現(xiàn)16個按鍵功能，這種形式在單片機系統(tǒng)中也最常用。圖1矩陣鍵盤布局圖矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖如圖2所示：為了進一步節(jié)省單片機I/O口資源，我們在設計中使用了MM74C922芯片。MM74C922是一款4*4鍵盤掃描IC，它可檢測到與之相連的4*4鍵盤的按鍵輸入，并通過數(shù)據(jù)輸出口將按鍵相應的編碼輸出。其引腳圖如圖3所示：圖3MM94C22硬件圖MM74C922引腳說明：(1)Y1~Y4〔腳1~腳4〕：4*4鍵盤第一列至第四。(2)X1~X4〔腳11、10、8、7〕：4*4鍵盤第一行至第四行。(3)DOA~DOD〔DataoutA~D，腳14~17〕：按鍵之BCD碼輸出，其中DOA為LSB，DOD為MSB。(4)VCC〔腳18〕：電源腳，+3V~+15V。\o"ab126計算公式大全\"\\t\"_blank"ab126計算公式大全(5)GND〔腳9〕：接地管腳。\o"新藝圖庫\"\\t\"_blank"新藝圖庫(6)OSC〔Oscillator，腳5〕：鍵盤掃描電路之頻率所需外加電容的連引腳。(7)KBM〔KeyboardMask，腳6〕：內(nèi)部消除開關彈跳電路所外加電容的引腳。(8)OE〔OutputEnable，腳13〕：芯片使能腳，接低電位可使芯片使能。(9)DA〔DataAvailable，腳12〕：數(shù)據(jù)有效輸出腳。任一按鍵按下時，此腳位會輸出高電位，按鍵釋放后此腳又會恢復為低電位。MM74C922對各按鍵的響應如下表所示：如以下列圖4所示，在本設計中，計算器輸入鍵盤的4條行線、列線分別連接到MM74C922的X1-X4、Y1-Y4引腳，MM74C922的數(shù)據(jù)輸出口與單片機的P2口相連，MM74C922的DA引腳經(jīng)過一個非門連接到單片機的/INT0腳，當MM74C922檢測到鍵盤輸入時，DA產(chǎn)生高電平，與之相連的/INT0檢測到低電平，給單片機一個中斷，單片機從P2口的低四位讀入鍵盤上按下的鍵的值。圖4鍵盤接口電路圖〔四〕、LCD顯示模塊：本設計采用LCD液晶顯示器來顯示輸出數(shù)據(jù)。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數(shù)據(jù)。圖5LCD模塊〔五〕運算模塊〔單片機控制〕：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根本功能部件。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口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能存放器〔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，可以很快地實現(xiàn)運算功能。3.5、軟件編程：1、主函數(shù)設計：/******************函數(shù)聲明*****************/#include<reg51.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint chartranslate(intkeycode);voidarithmetic();voidinit_LCM();voidwrite_data(charddata);voidwrite_com(charcommand);voidcheck_BF();voidclearLCD();voiddisplay(longa);voiddealerror(); voiddataoverflow();/******************定義變量和數(shù)組*****************/longx=0,y=0,num=0;intoperators,input,iny=0;charkey;charerror[5]="error";charoverflow[8]="overflow";sbitEN=P3^4;sbitR_W=P3^5;sbitRS=P3^6;/******************主函數(shù)*****************/main(){EA=1;EX0=1;IT0=1;P2=0xff;display(0);init_LCM();write_data(0x30);while(1){}}2、分塊程序設計：〔1〕、鍵盤輸入檢測程序設計：有鍵按下時，單片機響應外部中斷0，轉(zhuǎn)入外部中斷0中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)中完成對按鍵的判斷，以進展下一步的程序處理。/**********鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤上按鍵值函數(shù)*************/chartranslate(intkeycode){switch(keycode){case0:return'7';break;case1:return'4';break;case2: return'1'; break;case3: return'c'; break;case4: return'8'; break;case5: return'5'; break;case6: return'2'; break;case7: return'0'; break;case8: return'9'; break;case9: return'6'; break;case10: return'3'; break;case11: return'='; break;case12: return'/'; break;case13: return'*'; break;case14: return'-'; break;case15: return'+'; break; }}/***********外部中斷0處理函數(shù)*************/voidINT_0(void)interrupt0using0{key=translate(P2&0x0f);if(key<='9'&&key>='0')//判斷按下的鍵是否為數(shù)值{num=num*10+(key-'0');if(operators>0){y=num;iny=1;}elsex=num;if(num<134217728&&num>-134217728)//當前數(shù)值是否超出限定范圍{ display(num);}elsedataoverflow();}else{switch(key){case'c': x=0; y=0;num=0; iny=0; operators=0; display(num); break;case'=': arithmetic(); iny=0; operators=0; num=0; break;case'+': if(operators) arithmetic(); operators=1; num=0; break;case'-': if(operators) arithmetic(); operators=2; num=0; break;case'*': if(operators) arithmetic(); operators=3; num=0; break;case'/': if(operators) arithmetic(); operators=4; num=0; break;}}}〔2〕、算術運算程序設計：/**********算術運算函數(shù)*************/voidarithmetic(){if(iny){switch(operators){case1:x=x+y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728){display(num);}elsedataoverflow();break;case2:x=x-y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728){ display(num);}elsedataoverflow();break;case3:x=x*y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728){ display(num);}elsedataoverflow();break;case4:if(y==0)dealerror();else{x=x/y;num=x;if(num<134217728&&num>-134217728){ display(num);}elsedataoverflow();} break;}y=0;}}〔3〕、LCD顯示程序設計：利用LCD靜態(tài)顯示，通過程序向LCD寫指令字或數(shù)據(jù)使LCD完成不同功能或顯示相應數(shù)據(jù)。/**************LCD初始化函數(shù)*************/voidinit_LCM(){write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x38);write_com(0x08);write_com(0x01);write_com(0x06);write_com(0x0e);}/***********LCD寫數(shù)據(jù)函數(shù)*************/voidwrite_data(charddata){RS=1;/*寫指令*/R_W=0; EN=1;/*使能信號開*/P1=ddata;/*將數(shù)據(jù)送入p1口*/EN=0;/*使能信號關*/check_BF();}/***********LCD寫指令函數(shù)*************/voidwrite_com(charcommand){ RS=0;/*寫指令*/R_W=0; EN=1;/*使能信號開*/P1=command;/*將數(shù)據(jù)送入p1口*/EN=0;/*使能信號關*/check_BF();}/************LCD檢查忙碌函數(shù)***********/voidcheck_BF(){chari,x=0x80;P1=0xff;while(x&0x80){RS=0;R_W=1;EN=1;x=P1;EN=0;for(i=0;i<10;i++);}EN=0;/*關閉使能信號*/}/**********LCD清屏函數(shù)**********/voidclearLCD(){write_com(0x01);}/**********LCD顯示函數(shù)**********/voiddisplay(longa){longtemp,b,c=-1;intlenth=1,i,j;clearLCD();if(a<0){a=a*c;write_data('-');} temp=a;while((temp=temp/10)!=0){lenth++;}for(i=lenth;i>0;i--){b=1;for(j=0;j<i-1;j++){b=b*10;}write_data(0x30+a/b);a=a%b;}}〔4〕、錯誤處理及提示程序設計：/**********除數(shù)為處理函數(shù)**********/voiddealerror(){inti=0;clearLCD();for(i=0;i<5;i++)write_data(error[i]);}/*********數(shù)值溢出處理函數(shù)**********/voiddataoverflow(){inti=0;clearLCD();for(i=0;i<8