单片机设计实验报告简单计算器的设计.docx

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单片机设计实验报告简单计算器的设计

1.总体方案选择

1.1实验要求：

1）通过小键盘实现数据的输入，并在LED数码管上显示

2）实现+、-、*、/

3）在LED数码管上显示结果

4）并有清零，退出功能

1.2方案设计

本系统以STC89C52单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、液晶显示灯功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。

单片机通过检测键盘读取使用者按下对用功能的按键，然后通过单片机内部运放把运算的结果显示在液晶屏幕上。

图1-1系统结构框图

本系统结构如图1-1所示，本设计可分为以下模块：

单片机主控模块、键盘模块、功率放大模块、闹铃模块、按键设置模块。

下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。

2.硬件原理电路图的设计及分析

2.1主控模块

STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。

STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器（掩膜ROM），和128B的数据存储器（RAM）组成。

STC89C52单片机的基本组成框图见图2-1。

图2-1

2.1.1STC89C52单片机主要特性

1.一个8位的微处理器（CPU）。

2.片内数据存储器RAM（128B），用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。

3.片内程序存储器ROM（4KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。

4.四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。

5.两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。

6.五个中断源的中断控制系统。

7.一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。

8.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率为12MHz。

2.1.2STC89C52单片机管脚图

图2-289S52单片机管脚图

1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：

2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA：

3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3：

2.1.3STC89C52单片机的中断系统

STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。

由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

2.1.4STC89C52单片机的定时/计数器

在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。

89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：

T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。

2.2矩阵键盘模块设计：

2.2.1矩阵键盘原理介绍

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。

在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。

由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。

这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。

行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

2.2.2矩阵键盘电路设计

图2-3矩阵键盘硬件连接图

首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。

方法是：

向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。

如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。

判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。

方法是：

依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。

2.3LCD液晶显示器简介

液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物，它的透明程度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这特点便可做成字符显示器。

液晶显示器（LCD）英文全称为LiquidCrystalDisplay，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。

显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。

本系统显示部分用的是LCD液晶模块，采用一个16×1的字符型液晶显示模块。

2.3.1液晶模块简介

LCD1602液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。

IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中的表4.CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LCD1602液晶模块的引脚图如图2-4所示。

图2-4LCD1601引脚图

寄存器选择控制如表2-1。

表2-1寄存器选择控制

RS

R/W

操作说明

0

0

写入指令寄存器（清除屏等）

0

1

读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值

1

0

写入数据寄存器（显示各字型等）

1

1

从数据寄存器读取数据

2.3.2液晶显示部分与89S52的接口

如图2-5所示。

用89C51的P2口作为数据线，用P3.2、P3.1、P3.0分别作为LCD的E、R/W、RS。

其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：

显示模块初始化：

首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。

向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

图2-5LCD1602与STC89C52的接口

3系统软件设计

3.1系统软件流程图

图3-1软件流程图

3.2系统整体原理图

4.系统调试

4.1硬件调试

计算器的电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。

在本计算器的设计调试中遇到了很多的问题。

回想这些问题只要认真多思考都是可以避免的，以下为主要的问题：

（1）程序调试初期液晶一直没有正常显示，总在第一行显示黑条。

解决：

经调查发现液晶对比度没有调好，旋转液晶调节对比度用的电位器直到液晶显示正常。

（2）开始时程序一直不能往单片机下载。

解决：

检查复位电路，时钟电路，以及单片机的供电系统，后来发现晶振没有起振，最终把晶振的起振电容换了就能够下载程序。

4.2软件调试

计算器是多功能的数字型设备，可以根据用户按下的按键记录要计算的数值。

并通过单片机内部运算计算出结果并在屏幕上显示。

计算器的功能很多，所以对于它的程序也较为复杂,所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。

最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。

在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：

1．每次计算一次数值运算后，屏幕上会残留以前换算的结果，进行下一次运算的时候也没有消除。

解决：

经过分析初步确认是液晶在进行下一次运算的时候没有进行清屏，在上一次运算完成后，进行新一次运算的时候单片机对液晶进行处理使其进行清屏处理，最后解决了此问题。

2．当用户按下按键的时候，单片机读取的数值跟设定的数值不对。

解决：

重新检查矩阵键盘电路的连接，重新建立一个新的对应关系。

4.3调试结果

经过一系列的问题查找后系统最终能正常工作，并完成所有的功能。

以下为系统仿真图:

图4-1系统仿真图

5.心得体会

通过这次课程设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。

经过我长时间的设计及调试，本系统基本能实现设定的要求。

通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。

首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。

基本掌握了Protel99SE原理图的方法，并设计了一个单片机最小系统。

通过开发板的设计和硬件搭建的过程，使我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LED数码管，键盘等。

并且我学会了分析问题解决问题的能力，加深了对所学理论知识的理解和运用。

我的动手能力得到了很大的提高，创新意识得到了锻炼。

在整个设计过程中，虽然忙碌劳累，但也充实快乐，老师每天都会不厌其烦的陪着我们在机房，有任何问题都会对我们倾囊相授，在这我想向陪伴我们三年的老师说声谢谢，你们辛苦了！

参考文献

[1]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社.2009年

[2]吴运昌．模拟电子线路基础．广州：

华南理工大学出版社，2004年

[3]阎石．数字电子技术基础．北京：

高等教育出版社，1997年

[4]张晓丽等．数据结构与算法．北京：

机械工业出版社，2002年

[5]马忠梅等．ARM&Linux嵌入式系统教程．北京：

北京航空航天大学出版社，

[6]李建忠．单片机原理及应用．西安：

西安电子科技大学，2002年

[7]韩志军等.单片机应用系统设计[M].机械工业出版社，2004

[8]周润景等.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].电子工业出版社，

[9]马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006

[10]刘树中，孙书膺，王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现[J].微计算机信息，2007

系统源程序

#include

#include"LCD1602.h"

#include"math.h"

//端口及函数说明----------------------------------------------------------------------------

#defineKey_portP2//按键

unsignedcharkey_scan（void）;//键盘扫描函数

bitFlagN=0;//是否有数字按下,按下后置1

bitFlagO=0;//是否有操作符按下，按下后置1

bitFlagD=0;//是否按下小数点，按下后置1

bitFlagNegX=0;

bitFlagNegY=0;

doubleX=0.0,Y=0.0,RES=0.0;//X为第一个操作数Y为第二个操作数

unsignedcharOPER=0;//操作符号

intNum[16]={0};//存放结果位

//-------------------------------------------------------------------------------

voiddelay（unsignedinti）

{

unsignedintx,y;

for（x=0;x

for（y=0;y<110;y++）;

}

while（Num[i]==0）//判断第一个不为0的数

{

i++;

}

k=4-i;

if（i>3）//RES<1时

{

LCDDispChar（2,2,'0'）;

LCDDispChar（3,2,'.'）;

for（l=0;l<4;l++）

{

LCDDispNum（4+l,2,Num[l+4]）;

}

}

else

{

for（j=0;j

{

LCDDispNum（2+j,2,Num[i++]）;

}

LCDDispChar（2+j,2,'.'）;j++;

for（l=0;l<4;l++）

{

LCDDispNum（2+j,2,Num[l+4]）;

j++;

}

}

}

//计算部分的函数

//传入参数：

x-运算数1，y运算数2，oper运算符号

//返回值：

运算结果

voidCalculate（void）

{

switch（OPER）

{

case11:

RES=（double）X*1.0+Y;break;

case12:

RES=（double）X*1.0-Y;break;

case13:

RES=（double）X*1.0*Y;break;

case14:

RES=（double）X*1.0/Y;break;

default:

break;

}

}

//主函数

voidmain（）

{

unsignedchari=0;

unsignedinttemp=0;

unsignedcharlocation=0;//当前显示指针位置

FlagN=0;

FlagO=0;

FlagD=0;

FlagNegX=0;FlagNegY=0;

LCDInit（）;

while（FlagO）

{

LCDCursor（）;

while（FlagN）//输入X的过程中没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）//当没有按下小数点时

{

X=X*10+i;

}

else//按下小数点后的情况，

{//储存值以便显示

Num[temp+4]=i;//更新X值以便计算

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）;

}

elseif（i==10）//显示小数点

{

LCDDispChar（location++,1,'.'）;

}

elseif（i==12&&X==0）//按下‘-’号

{

FlagN=0;

FlagNegX=1;

LCDDispChar（location++,1,'-'）;

}

}//输入X

if（FlagNegX）

{

X=0-X;

}

if（i==11）//显示操作符

LCDDispChar（location++,1,'+'）;

elseif（i==12）

LCDDispChar（location++,1,'-'）;

elseif（i==13）

LCDDispChar（location++,1,'X'）;

elseif（i==14）

LCDDispChar（location++,1,'/'）;

else

LCDDispChar（location++,1,'?

'）;

temp=0;FlagD=0;FlagN=0;FlagO=0;//所有标志位清零

while（FlagO）//没有按下=时

{

i=key_scan（）;

if（（i>=0）&&（i<10））

{

if（!

FlagD）//当没有按下小数点时

{

Y=Y*10+i;

}

else

{

Num[temp+4]=i;

if（temp==0）

Y=Y+（double）i/10;

if（temp==1）

Y=Y+（double）i/100;

if（temp==2）

Y=Y+（double）i/1000;

if（temp==3）

Y=Y+（double）i/10000;

if（temp==4）

Y=Y+（double）i/100000;

temp++;

}

LCDDispNum（location++,1,i）;

}

elseif（i==12&&Y==0）//按下‘-’号

{

FlagNegY=1;

LCDDispChar（location++,1,'（'）;

LCDDispChar（location++,1,'-'）;

}

if（i==10）//显示小数点

{

LCDDispChar（location++,1,'.'）;

}

}

if（!

FlagNegY）

{

Y=0-Y;

LCDDispChar（location++,1,'）'）;

}

if（i==15）

LCDDispChar（location++,1,'='）;

}

LCDNotCursor（）;

Calculate（）;

connum（RES）;

while

（1）;

}