【基于單片機(jī)的計(jì)算器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（論文）5600字】

2/2基于單片機(jī)的計(jì)算器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要單片機(jī)體積小，成本低，被廣泛應(yīng)用于智能化管理等多數(shù)領(lǐng)域。隨著單片機(jī)越來越低功耗CMOS化和微型單片化，基于單片機(jī)的計(jì)算器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也變得具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本文應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的計(jì)算器。本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)以及C語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成了計(jì)算器簡(jiǎn)單的加減乘除以及連續(xù)運(yùn)算數(shù)據(jù)的基本功能；設(shè)計(jì)由硬件部分和軟件部分組成。實(shí)物測(cè)試表明計(jì)算器功能正常，實(shí)現(xiàn)了基本要求。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)計(jì)算器四則運(yùn)算目錄目錄 3第一章緒論 41.1電子計(jì)算器的發(fā)展 41.2課題研究的背景和意義 4第二章 計(jì)算器的總體設(shè)計(jì) 5第三章 計(jì)算器硬件設(shè)計(jì) 63.1STM32F103C8T6單片機(jī)核心板模塊 63.24×4鍵盤輸入模塊 73.3LCD1602顯示輸出模塊 8第四章基于單片機(jī)的計(jì)算器軟件實(shí)現(xiàn) 104.1keil軟件介紹 104.2主程序設(shè)計(jì) 104.3鍵盤輸入模塊 124.4LCD顯示模塊 13第五章實(shí)物測(cè)試與總結(jié) 145.1實(shí)物制作過程 145.2實(shí)物調(diào)試 155.2.1測(cè)試顯示 155.3總結(jié) 17參考文獻(xiàn) 18第一章緒論1.1電子計(jì)算器的發(fā)展17世紀(jì)初的時(shí)候，機(jī)械計(jì)算器出現(xiàn)了。到了20世紀(jì)，集成電路技術(shù)有了飛速的進(jìn)步，這時(shí)計(jì)算器技術(shù)的前進(jìn)方向出現(xiàn)了兩條道路：一條大路是通往計(jì)算機(jī)技術(shù)的方向，它以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能為目標(biāo)，運(yùn)行速度也追求極致；另外一條大路則是向著體積便捷，功能上面有著簡(jiǎn)單基本運(yùn)算的方向開拓，這就是計(jì)算器技術(shù)[[]宋文強(qiáng).12位RISC計(jì)算器設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2011.]。從不同的視角觀看，我們也可以把計(jì)算機(jī)理解為功能多，體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的計(jì)算器。當(dāng)前集成電路的飛速進(jìn)步，使得更加復(fù)雜的功能型[]宋文強(qiáng).12位RISC計(jì)算器設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2011.20世紀(jì)中期計(jì)算器發(fā)展迅猛，大批量的從事計(jì)算器技術(shù)研究的公司出現(xiàn)了。1960年，桌面型電子計(jì)算器問世，它的設(shè)計(jì)中采用了晶體管這種當(dāng)時(shí)剛出現(xiàn)的新技術(shù)。之后不少公司推出了新型桌面型計(jì)算器，它的使用的材料全部是晶體管，這種新型桌面型計(jì)算器與之前計(jì)算器相比較來說技術(shù)上面有很大的進(jìn)步，但是我們可以了解到它價(jià)格的昂貴這個(gè)缺點(diǎn)十分的突出，與之前相比高出很多，體積也十分的大。上個(gè)世紀(jì)60年代，由于集成電路技術(shù)的出現(xiàn)，很多最前沿技術(shù)在計(jì)算器上的應(yīng)用，使其價(jià)格貴、體積大的缺點(diǎn)縮小了。而集成電路這種技術(shù)的出現(xiàn)，集中更多的計(jì)算器功能在同一芯片上成為可能，所以人們把專注點(diǎn)轉(zhuǎn)移至這種技術(shù)上。在1969年，一款大規(guī)模集成電路芯片MK-6010出現(xiàn)了，是由Mostek公司研發(fā)推出的,這款芯片的現(xiàn)世，使得單芯片計(jì)算器的研發(fā)價(jià)值被世人所看見，開啟了新的歷史篇章。單芯片的設(shè)計(jì)可以讓總體的結(jié)構(gòu)體積變小，計(jì)算器必要的晶體管全部使用集成電路技術(shù)，功耗變小，合成成本變小，使得計(jì)算器得到更廣泛的發(fā)展。后來越來越多的公司從計(jì)算器中看到了商機(jī)，開始從事計(jì)算器的生產(chǎn)制造，在這段時(shí)間,TI(TexasInstrtunents)和INTEL兩家公司對(duì)計(jì)算器技術(shù)發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。目前來說，國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算器芯片的開發(fā)設(shè)計(jì)并沒有進(jìn)入世界的前沿，市場(chǎng)上面的計(jì)算器一般只用來進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算，而國(guó)外的計(jì)算器功能已經(jīng)十分的豐富，不僅可以進(jìn)行一些復(fù)雜的運(yùn)算，還可以進(jìn)行編程、運(yùn)行程序等。不得不說微處理技術(shù)的發(fā)展使計(jì)算機(jī)的功能越來越多元化，我們有理由相信未來計(jì)算器和計(jì)算機(jī)的功能差距將越來越小。1.2課題研究的背景和意義在國(guó)外，計(jì)算器在集成電路出現(xiàn)后，技術(shù)上出現(xiàn)了歷史性的突破。經(jīng)過幾年的飛速成長(zhǎng)，計(jì)算器實(shí)現(xiàn)的功能越來越多，己經(jīng)不再是簡(jiǎn)單意義上面的輔助運(yùn)算工具的定位了?，F(xiàn)在功能比較強(qiáng)大的計(jì)算器還可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算，矩陣運(yùn)算，文件管理等復(fù)雜的非傳統(tǒng)的功能。從不同角度來看，計(jì)算器的功能正在向著計(jì)算機(jī)發(fā)展。而國(guó)內(nèi)的計(jì)算現(xiàn)在還不能達(dá)到與國(guó)際相當(dāng)?shù)乃?，目前來說，并未掌握核心芯片關(guān)鍵技術(shù)，近幾年越來越多的工程師把眼光聚集到核心技術(shù)上。通過對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)使用，對(duì)于單片機(jī)的開發(fā)有了一定的了解認(rèn)知。對(duì)于單片機(jī)功能的掌握使用方面，我們可以利用單片機(jī)，把自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用到計(jì)算器的開發(fā)當(dāng)中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)微型控制。同時(shí)我們可以把中央處理器、計(jì)時(shí)器、定時(shí)器和串口等多項(xiàng)功能集成在一起，這樣可以減小體積，節(jié)省成本。當(dāng)前單片機(jī)在當(dāng)前各個(gè)行業(yè)當(dāng)中被廣泛使用，作為工科生也應(yīng)積極鉆研，了解單片機(jī)開發(fā)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。相關(guān)的科技創(chuàng)新人員也應(yīng)該積極結(jié)合單片機(jī)獨(dú)特的價(jià)值，深入開發(fā)出高效率的、控制能力優(yōu)秀的、屬于我們國(guó)家自主產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)單片機(jī)核心控制芯片，努力提高我國(guó)工業(yè)化發(fā)展腳步，加快我國(guó)的自動(dòng)化發(fā)展水平。通過學(xué)習(xí)，我們努力掌握單片機(jī)核心技術(shù)，為祖國(guó)的科技強(qiáng)國(guó)添磚加瓦。第二章 計(jì)算器的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)總體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)為通過按鍵進(jìn)行輸入，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單數(shù)字的加減乘除運(yùn)算，并顯示出來。因此本文計(jì)算器總體設(shè)計(jì)應(yīng)該包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分實(shí)現(xiàn)外部的手動(dòng)輸入以及顯示，軟件部分進(jìn)行算法的控制。硬件設(shè)計(jì)包括STM32核心單片機(jī)控制系統(tǒng)，4×4鍵盤和LCD顯示屏構(gòu)成，具體硬件模塊設(shè)計(jì)詳見第三章。軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)應(yīng)的硬件部分設(shè)計(jì)程序，包括主程序設(shè)計(jì)，鍵盤輸入模塊，LCD顯示輸出模塊，具體軟件模塊設(shè)計(jì)詳見第四章。本次計(jì)算器設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6核心模塊作為設(shè)計(jì)的控制模塊，控制電路具體包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路等[[]王巖,辛妍貝.基于單片機(jī)的多功能計(jì)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電氣工程自動(dòng)化[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2019,41(03):64-66.][[]王巖,辛妍貝.基于單片機(jī)的多功能計(jì)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電氣工程自動(dòng)化[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2019,41(03):64-66.[]吳昊.基于STM32的東海島站主變冷卻控制器的設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué),2020.電源電路包括兩部分的組成，一方面是供電電路，可以方便USB接入電源，輸出5V的電壓，另一部分是降壓電路，可以把USB給出的5V電壓調(diào)整為3.3V的電壓。電路中使用了兩種不同的電容，一種起著輸入濾波電容的作用，使電壓呈現(xiàn)直流的狀態(tài)，一種起著輸出濾波的作用，讓輸出的電壓更加的穩(wěn)定。圖2-1電源電路復(fù)位電路主要的作用就是讓系統(tǒng)在通電的瞬間，可以從初始的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。STM32通常有好幾種方式，比如電源復(fù)位，系統(tǒng)復(fù)位和后備域復(fù)位等等。本設(shè)計(jì)復(fù)位電路采用的是手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位相結(jié)合的方式，當(dāng)接通電源開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入復(fù)位的狀態(tài)，在系統(tǒng)進(jìn)行操作出現(xiàn)故障的時(shí)候或者執(zhí)行期間想要復(fù)位，可以按下復(fù)位按鈕，使電路復(fù)位，達(dá)到目的。圖2-2復(fù)位電路晶振電路是為了給電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。多數(shù)的單片機(jī)有內(nèi)部時(shí)鐘，但是內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)容易受外部的干擾，所以加入外部的晶振電路可以使系統(tǒng)能夠擁有穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。STM32的時(shí)鐘信號(hào)有兩種方式產(chǎn)生,一個(gè)是利用內(nèi)部的方法，可以利用芯片本身自己的振蕩電路，得到我們所需要的時(shí)鐘信號(hào)，另外一種方式，就是之前所說的采用外部的方式。單片機(jī)需要時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)，如果沒有時(shí)鐘單片機(jī)不能穩(wěn)定正常的工作，所以芯片外部接上晶振電路是很有必要的。如果單片機(jī)沒有時(shí)鐘來完成時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，那么它是沒有辦法正常無法工作的。圖2-3晶振電路第三章 計(jì)算器硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103C8T6單片機(jī)核心板模塊STM32系列處理器是ST公司生產(chǎn)的微控制器。選擇這款單片機(jī)的原因是在于設(shè)計(jì)所追求是最大化的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能以及相應(yīng)擁有更加豐富的外部接口，這樣在完成本次設(shè)計(jì)之后的學(xué)習(xí)中可以最大程度的利用所用芯片。同時(shí)有本次設(shè)計(jì)并沒有追求最低功耗的緣故。本次設(shè)計(jì)使用的芯片是擁有最新穩(wěn)定款的內(nèi)核，在完成之前課上學(xué)習(xí)的C51系列單片機(jī)課程后，入手更加的容易，同時(shí)學(xué)習(xí)的內(nèi)容也更加的深入，當(dāng)前該樣式單片機(jī)在應(yīng)用方面有很多的借鑒例子，有十分突出的研究現(xiàn)實(shí)價(jià)值[[]王博軒.基于STM32的燃油取暖器控制電路研制[D].黑龍江大學(xué),2020.[]王博軒.基于STM32的燃油取暖器控制電路研制[D].黑龍江大學(xué),2020.下圖所示STM32F103C8T6單片機(jī)核心板接口電路圖：圖3-1所用單片機(jī)核心板接口原理圖3.24×4鍵盤輸入模塊在單片機(jī)的開發(fā)過程中，通常有外部按鍵的設(shè)計(jì)。本次計(jì)算器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)沒有采用現(xiàn)存的觸摸屏輸入設(shè)計(jì)，而是采用了較為經(jīng)典傳統(tǒng)的按鍵輸入。本次計(jì)算器設(shè)計(jì)按鍵使用較多，為了減少對(duì)單片機(jī)接口的占用，提高單片機(jī)接口的利用率，我們將按鍵排列成矩陣的形式，也就是行列式鍵盤的形式。只需要占用8個(gè)IO口，可以設(shè)計(jì)16個(gè)按鍵的功能。矩陣鍵盤模塊特點(diǎn)：體積?。还?jié)省空間；使用方便；單片機(jī)外擴(kuò)鍵盤的上佳選擇[[][]劉巧平,李平,周斌.基于STC89C51單片機(jī)的實(shí)用計(jì)算器設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2016(11):121-123+126.本設(shè)計(jì)的接口原理圖如下圖所示。圖3-2接口電路原理圖3.3LCD1602顯示輸出模塊本設(shè)計(jì)采用的是字符型顯示。顯示器件輸出信息的儀器是LCD1602。LCD1602有很多的優(yōu)點(diǎn)，在體積功耗等方面深受廣大電子愛好者的喜愛并被廣泛應(yīng)用。LCD1602可以同時(shí)顯示2行16個(gè)字符[[][]郭占苗,吳沛.基于STC89C52單片機(jī)多功能計(jì)算器設(shè)計(jì)與仿真[J].微型電腦應(yīng)用,2018,34(09):112-115.LCD1602采用的是標(biāo)準(zhǔn)的16腳，接口引腳如下圖所示：圖3-3-1接口說明圖具體電路原理圖如下圖所示。圖3-3-2電路原理圖第四章基于單片機(jī)的計(jì)算器軟件實(shí)現(xiàn)4.1keil軟件介紹Keil是一款非常友好和強(qiáng)大的C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，它提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。最新版的Keil5于2013年發(fā)布，經(jīng)過對(duì)上一版本的優(yōu)化，現(xiàn)在它的操作界面清晰直觀，使用起來十分的輕松便捷，而且其功能很多，除具備keil等功能外，還新增了包管理器功能，支持LWIP。值得一提的是，Keil5的SWD下載速度是keil4的5倍，給使用者帶來了良好的感受和全新的體驗(yàn)。4.2主程序設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行初始化的顯示，LCD第一行顯示0，第二行不顯示。然后解析輸入的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分解為運(yùn)算數(shù)和運(yùn)算符，如果是數(shù)字0-9，將字符串轉(zhuǎn)換為整數(shù)。如果是加減乘除運(yùn)算符，保存運(yùn)算符。計(jì)算結(jié)果中，如果計(jì)算錯(cuò)誤（除數(shù)為0）則返回error。計(jì)算優(yōu)先級(jí)中先計(jì)算算式中的乘法和除法，再計(jì)算加減運(yùn)算。輸出時(shí)LCD第一行顯示輸入的計(jì)算式，第二行顯示等于符號(hào)以及計(jì)算結(jié)果[[][]李廣興.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的帶時(shí)間和溫度顯示的多功能計(jì)算器設(shè)計(jì)[J].通訊世界,2015(20):235-237.完整程序詳見附錄1主程序設(shè)計(jì)。主程序中核心運(yùn)算的邏輯，如下展示。intmain(void){ u8i,j; delay_init(); //延時(shí)函數(shù)初始化 NVIC_Configuration();//設(shè)置NVIC中斷分組2:2位搶占優(yōu)先級(jí)，2位響應(yīng)優(yōu)先級(jí) uart_init(9600);//串口初始化 KEY_Init();//按鍵端口初始化 Lcd_Init(); //1602初始化 delay_ms(20); InitDisplay();//初始化顯示內(nèi)容 while(1) { KeyScan();//掃描按鍵 if(pos_dis<16){//如果1602第一行還沒有輸滿 for(i=0;i<14;i++){//遍歷除等于和清零之外的每一個(gè)按鍵 if(KeyIsPress(code_key[i])){//如果按鍵按下了 if(flag_input_new){//清除顯示內(nèi)容，重新輸入 flag_input_new=0; InitDisplay();//初始化顯示內(nèi)容 pos_dis=0;//顯示計(jì)數(shù)清零 } //如果上一次輸入的是運(yùn)算符或0，則替換為這一次輸入的字符 if((dis_temp1[14]=='+'||dis_temp1[14]=='-'||dis_temp1[14]=='*'||dis_temp1[14]=='/')&&dis_temp1[15]=='0'&&i<10){ dis_temp1[15]=GetKeyChar(code_key[i]);//保存輸入的字符 continue;//繼續(xù)下一次for循環(huán) }//**Allnotescanbedeletedandmodified**// if(pos_dis!=0){//如果已經(jīng)輸入了一個(gè)數(shù)據(jù) if((dis_temp1[15]!='+'&&dis_temp1[15]!='-'&&dis_temp1[15]!='*'&&dis_temp1[15]!='/')||i<10){//如果上一次輸入的不是運(yùn)算符，或者本次輸入的是數(shù)字0-9 for(j=0;j<15;j++){//將顯示數(shù)據(jù)向左移動(dòng)1位 dis_temp1[j]=dis_temp1[j+1]; } pos_dis++;//顯示計(jì)數(shù)+1 } dis_temp1[15]=GetKeyChar(code_key[i]);//保存本次輸入的字符 } elseif(i>0){//如果第一次輸入的數(shù)據(jù)是數(shù)字0，則忽略輸入 if(i>9){//如果第一次輸入的是運(yùn)算符，則默認(rèn)將第一個(gè)運(yùn)算數(shù)設(shè)置為0 dis_temp1[14]=GetKeyChar(code_key[0]);//將第一個(gè)運(yùn)算數(shù)設(shè)置為0 } dis_temp1[15]=GetKeyChar(code_key[i]); //保存本次輸入的字符 pos_dis++;//顯示計(jì)數(shù)+1 } } } } if(KeyIsPress(KEY_ENTER)){//如果按下了等于=按鍵 flag_input_new=1;//限次按下按鍵則重新輸入 pos_dis=0;//顯示計(jì)數(shù)清零 ParseInput();//解析輸入的字符串 if(Calculate()){//如果計(jì)算正確 sprintf(dis_temp2,"=%lld",result); } else{//算式不合法 sprintf(dis_temp2,"%s","Error"); } while(dis_temp2[15]==''||dis_temp2[15]==0){//如果第二行后面后空格 for(j=15;j>1;j--){//將第二行的顯示數(shù)據(jù)向右移動(dòng)，使第二行靠右顯示 dis_temp2[j]=dis_temp2[j-1]; } dis_temp2[1]=''; } } Lcd_Puts(0,0,(unsignedchar*)dis_temp1); // 1602顯示第一行 Lcd_Puts(0,1,(unsignedchar*)dis_temp2); // 1602顯示第二行 }}4.3鍵盤輸入模塊一般來說，如果按鍵數(shù)量比較多的時(shí)候，我們常常會(huì)采用矩陣式鍵盤。這種鍵盤是由行以及列組成的，按鍵通常位于行線與列線交合的地方。可以很清晰的看出，在按鍵數(shù)量較多的設(shè)計(jì)中，行列式鍵盤會(huì)比一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的鍵盤節(jié)省口線。首先判斷鍵盤有沒有按鍵被按下，然后需要進(jìn)行去除鍵的抖動(dòng)的操作設(shè)計(jì)，當(dāng)判斷出可能有其他的鍵被按下時(shí)，軟件需要延時(shí)一段時(shí)間再去判斷鍵盤的按鍵狀態(tài)，如果檢測(cè)到依舊有按鍵是閉合的狀態(tài)，那么我們就可以認(rèn)為是鍵盤上有按鍵被按下了，不然我們就認(rèn)為是按鍵抖動(dòng)的狀態(tài)。之后可以依照規(guī)則求出按下鍵的鍵號(hào)，求出之后判斷閉合的按鍵有沒有松開，當(dāng)鍵松開時(shí)則將鍵號(hào)送入A中保存。單片機(jī)控制器將會(huì)根據(jù)按下鍵的鍵號(hào)以及按鍵的一次閉合作為一次鍵功能進(jìn)行處理。完整程序詳見附錄2鍵盤輸入模塊設(shè)計(jì)。4.4LCD顯示模塊第一步開始初始化，第二步通過控制器調(diào)用主程序，利用單片機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)從輸入接口得到數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)處理。顯示模塊程序由包括初始化程序和定時(shí)器中斷程序。在顯示數(shù)據(jù)RAM寫入相應(yīng)的ASCII碼，顯示模塊程序可以把輸入的計(jì)算式有效的顯示出來。完整程序詳見附錄3鍵盤輸入模塊設(shè)計(jì)。第五章實(shí)物測(cè)試與總結(jié)5.1實(shí)物制作過程（1）購(gòu)買器件：在確定實(shí)物計(jì)算器的功能之后，根據(jù)功能，確定實(shí)物所需要的模塊，之后決定在網(wǎng)上進(jìn)行購(gòu)買。對(duì)比STM32幾款芯片，最終確定了F103系列的芯片作為控制模塊。由于功能中需要輸入及輸出模塊，所以選用了傳統(tǒng)的矩陣按鍵以及LCD1602顯示屏。其余排針等器件是之前參加活動(dòng)所剩下的，不需要再次購(gòu)買，節(jié)省了成本。（2）確定接線方式：根據(jù)單片機(jī)的性能以及各引腳的作用，確定引腳的接線。輸入模塊采用了矩陣按鍵的形式，所以對(duì)應(yīng)只需要8個(gè)單片機(jī)的I/O口,選用了單片機(jī)的PA0-PA7端口。輸出模塊LCD1602顯示屏有16個(gè)引腳，