单片机设计简易计算器.docx

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单片机设计简易计算器

单片机设计简易计算器（共18页）

简易计算器

SimplyCalculator

1设计思想

此计算器有键盘部分、单片机、显示部分三部分组成，键盘部分主要完成输入功能；单片机主要完成数据处理功能，包括确定按键，完成运算，以及输出数据；显示器部分主要完成单片机输出的显示。

本设计的思路是利用单片机性能好，稳定性强的优点来实现系统的运行。

设计大致可以分为三个步骤：

第一步，硬件的选取和设计；第二步，程序的设计和调试；第三步，Protues系统仿真。

硬件是设计的骨骼，不仅关系到设计总体方向的确定，还要综合考虑节能，环保，以及稳定性和经济性等各种因素。

因此需要花费大量的时间。

硬件的选取最为重要，包括选用的芯片，显示设备的选取，输入设备的选取等。

本设计是通过单片机来实现的，因此选用了ATMEGA16单片机作为主体，输入设备选用矩阵键盘。

程序是硬件的灵魂，是实现设计的中心环节。

本设计使用的程序语言是C语言，在“ICCAVR”中运行，调试，直到运行出正确结果，然后输出后缀名为.HEX格式的文件，以备在Protues中仿真使用。

程序是设计的关键，程序的调试需要大量的时间，耐心，还够要有足的细心才能成功。

本设计中就出现了大量的错误，经过认真修改，最终才能运行出正确结果。

最后的系统仿真是设计是否成功的验证，是设计不可缺少的重要环节。

这就要求能掌握Protues的一些基本操作。

2原理分析

矩阵键盘的扫描

图矩阵键盘图

如图所示，单片机的8个I/O口和矩阵键盘相连，用8个I/O口来控制矩阵键盘的16个按键是非常有意思的，首先我们设置单片机的PD0—PD7为输出，且PD0—PD3依次设置为低电平，而PD4—PD7设置为高电平，然后我们设置PD4—PD7为输入，而PD0—PD3仍然为输出，假如此时M1键按下，则PD0与PD4相连，因为PD0是低电平，而PD4是输入，所以PD4会被拉为低电平，同理，如果M2被按下，则PD5会被拉低，M3按下，PD6会被拉低，M4按下，PD7被拉低。

这是判断有无键盘按下的过程，当我们判断是那一个键盘按下时，我们首先设置8个I/O口为输出，输出为FE,即，PD0为低电平，其他全为高电平，然后我们设置PD4—PD7为输入，如果M1被按下，则PD4会比被拉为低电平，此时会变成EE,同理可以知道M2被按下时会变为DE,M3被按下时会变为BE,M4被按下时会变为7E。

同理我们可以设置8个I/O口输出FD来检测M5—M8是否被按下，设置8个I/O口输出FC来来检测M9—M12,设置8个I/O口输出F7来检测M13—M16,如果M1—M4没有被按下，就继续检测M4—M8,一次类推，就可以检测出16个按键了。

在这次设计中，16个按键M1—M16所对应检测值分别为：

EE，DE，BE，7E，ED，DD，BD，7D，EB，DB，BB，7B，E7，D7，B7，77。

数字显示与计算

本次设计选用的显示器是1602液晶显示器，此液晶显示器能显示32个字符，VSS接地,VDD接电源正极，E为时使能信号，R/W为读写选择端（H/L），RS为数据/命令选择端（H/L）,D0—D7为数据I/O口。

首先我们初始化液晶显示器，然后显示出第一个被按下的数，并且使光标右移，如果有第二个数按下，则据继续显示，以此类推，然后把所有显示出来的数换算成一个数，如果按下“+”号，则显示出“+”，并且同理显示出“+”号后面按下的数字，然后调用加子程序，运算出结果，如果按下的是“-”,则调用减子程序，如果按下“*”，则调用乘子程序，如果按下“/”，则调用除子程序。

然后再调用显示结果子程序，显示出结果。

3程序设计与说明

流程图

主程序流程图和运算子程序流程图为：

图主程序流程图图运算子程序流程图

键盘扫描流程图为：

图键盘扫描子程序流程图

程序说明

本次设计采用模块化设计思想，包括主程序和初始化子程序、延时子程序、输出数据子程序、检测是否有按键按下子程序、确定按键子程序、清第二行屏与显示“Welcome”子程序、换算第一个数子程序、运算子程序、显示结果子程序等子程序。

运行程序后，首先调用子程序清屏第二行并显示“Welcome”，然后检测是否有按键按下，如果没有，继续检测，如果按下，则判断是否是加减乘除键被按下，如果是加减乘除被按下，则显示相应的字符并换算出字符前输入的数据和字符后输入的数字，然后检测是否有等号按下，如果有则完成相应的运算并显示相应的结果，然后检测是否有清屏键按下，如果有则清屏，相应的流程图如图2所示。

其中运算子程序的流程图如图3所示。

4调试

Protues系统仿真

打开Protues，按设计思想放相应的零部件并连好线，把HEX文件加载到单片机中运行，检测结果是否正确。

硬件连线图如图所示。

图Protues仿真图

调式过程

编写完程序后保存程序，在“ICCAVR”中运行，调试，直到运行出正确结果，然后输出后缀名为.HEX格式的文件。

刚开始有错误，是一些语法规则上的错误，不过经过几次的修改，最终输出了后缀名为.HEX格式的文件。

把后缀名为.HEX格式的文件加载到单片机后，刚开始只是显示出“Welcome”的一部分字符，仔细观察发现，程序的前后空格不对称，经过修改，最终得到了预期结果，最终运行结果如图所示。

5总结

优缺点分析

本计算器能完成加减乘除运算，结构简单，硬件较少，成本较低，另外本程序采用模块化设计思想，可读性强，具有很强的可移植性，便于调用。

在处理多任务时，可以用中断服务来实现多线程，通过设置中断，启动中断服务子程序使其自己执行任务，而CPU可以做自己的工作，当有停止中断的请求产生时，CPU再停下自己的工作做相应处理。

但是也有很多不足之处。

首先，程序有很多相同的代码，本来可以用调用的方法实现，减少代码长度，但是考虑到本程序不是很长，而且用调用的方法必然会增加算法的复杂度和逻辑思维强度，所以在这里没有采用！

其次，为了节省空间，程序设计的注释部分不够详细，使读程序不是很方便。

再次，本计算器不能完成小数运算，也不能完成科学计算器的一些功能，而要完成这些功能，需要设置更多的键盘，加更多的程序，比较复杂，因为我时间有限，在此不再处理。

心得体会

通过课程设计，我掌握了计算器的工作原理以及设计方法，我通过对计算器的几个模块的深入理解，我掌握了计算器的组成和制作过程，并通过自己的努力，制作出了自己的计算器，提高了我的动手能力和实践能力，同时我对单片机有了更深入的理解，也学会了使用单片机的方法，加深了对课本知识的进一步理解。

加强了我思考和解决问题的能力，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准！

在设计过程中，经常会遇到一些问题，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。

所以这几天不管是吃饭还是睡觉，脑子里总是想着如何解决这些问题，功夫不负有心人，我通过认真思考，请教同学，查找资料,最后终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

在寻找答案的过程中,我学到了很多平时缺少的东西，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”！

认真思考才能找到出路，当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。

在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。

顿悟，没有思考便无出路，雨后才能见彩虹。

失败是成功之母。

不经历多次调试，是不可能得到完好的程序的。

至善至美，是人类永恒的追求。

但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

最终的调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。

实践课诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门思辨课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。

至于建议，一言以蔽之，大学教育当如此。

我是一个急性子的人，看到那么复杂知识，我就不想做了，不过为了搞好课程设计，我硬是耐心完成每一个细节，我坚持一天呆在实验室10多个小时，虽然晚上眼睛比较酸痛，但是我感觉值。

这么多天的努力没有白费，我最后很好的完成了任务,很有成就感！

我相信我在以后的生活和学习中会更耐心，更认真的！

参考文献：

[1]陈冬云等.ATmega128单片机原理与开发指导.机械工业出版社,2006

[2]李群芳等.单片微型计算机及接口技术（第二版）.电子工业出版社,2005

[3]周航慈.单片机程序设计基础.北航出版社,2005

[4]何立民.MCS-51单片机应用系统设计.北航出版社，2002

[5]马潮.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南.北京航空航天大学出版社，2004

附录程序

#include<>

#include<>

#include<>

constunsignedchartab1[]="Welcome";

constunsignedchartab3[]="90+-*/=";

unsignedcharkey[10];

unsignedinttemp1=0,temp2=0;

unsignedcharcount1=0;

unsignedcharwei;

voiddelay（unsignedintms）

{

unsignedinti,j;

for（i=0;i

{for（j=0;j<1141;j++）;}

}

voidint_port（）

{

DDRA=0XFF;

DDRB=DDRB|0X07;

PORTB&=~BIT（PB0）;

DDRD=0XFF;

PORTD=0XFF;

DDRD=0XF0;

PORTD=PORTD&0X0F;

}

voidcom_lcd（unsignedcharcom）

{

PORTB&=~BIT（PB2）;

PORTB&=~BIT（PB1）;

PORTA=com;

PORTB|=BIT（PB0）;

delay

（1）;

PORTB&=~BIT（PB0）;

}

voiddata_lcd（unsignedchardata）

{

PORTB|=BIT（PB2）;

PORTB&=~BIT（PB1）;

PORTA=data;

PORTB|=BIT（PB0）;

delay

（1）;

PORTB&=~BIT（PB0）;

}

unsignedcharkey_press（）

{

unsignedchari;

DDRD=0XFF;

PORTD=0XF0;

DDRD=0X0F;

i=PIND;

if（i==0XF0）

{

DDRD=0XFF;//没键按下

return0;

}

else

{

DDRD=0XFF;//有键按下

return1;

}

}

unsignedcharkey_scan（）//键检测

{

unsignedcharkey1,i=0X7F,j;

delay（10）;

if（key_press（））

{

do

{

i=（i<<1|i>>7）;

PORTD=i;

DDRD=0X0F;

key1=PIND;

j=key1&0XF0;

}while（j==0XF0）;

while（key_press（））;

switch（key1）

{

case0xEE:

key1=0x0;

break;

case0xDE:

key1=0x1;

break;

case0xBE:

key1=0x2;

break;

case0x7E:

key1=0x3;

break;

case0xED:

key1=0x4;

break;

case0xDD:

key1=0x5;

break;

case0xBD:

key1=0x6;

break;

case0x7D:

key1=0x7;

break;

case0xEB:

key1=0x8;

break;

case0xDB:

key1=0x9;

break;

case0xBB:

key1=0xA;

break;

case0x7B:

key1=0xB;

break;

case0xE7:

key1=0xC;

break;

case0xD7:

key1=0xD;

break;

case0xB7:

key1=0xE;

break;

case0x77:

key1=0xF;

break;

default:

key1=16;

}

}

else

{

key1=16;

}

returnkey1;

}

voidclear_lcd（）

{unsignedchari;

com_lcd（0x01）;//清屏

delay

（1）;

com_lcd（0x38）;//5*7,2行显示

delay

（1）;

com_lcd（0x06）;//文字不动，光标自动右移

delay

（1）;

com_lcd（0x0C）;//开显示

delay

（1）;

com_lcd（0x81）;//第一行首地址

delay

（1）;

for（i=0;i<16;i++）

{data_lcd（tab1[i]）;

delay（5）;

}

}

voidclear_lcd_2（）//清第二行

{unsignedchari;

com_lcd（0xc0）;

delay

（1）;

for（i=0;i<16;i++）

{data_lcd（tab1[1]）;

delay

（1）;

}

}

unsignedintqushu（unsignedcharm）//第一个数

{unsignedchari;

unsignedintnum;

unsignedinttemp=0;

wei=m-1;//位数

for（i=1;i<=wei;i++）

{

if（key[i]==9）{num=0;}

else{num=key[i]+1;}

temp=temp*10+num;

}

returntemp;

}

unsignedintresult（unsignedintc,unsignedintd）//运算子程序

{unsignedintresult2;

unsignedchark;

k=key[wei+1];

switch（k）

{

case0x0a:

result2=c+d;

break;

case0x0b:

result2=c-d;

break;

case0x0c:

result2=c*d;

break;

case0x0d:

result2=c/d;

default:

;

}

returnresult2;

}

voiddisp_result（unsignedintresult_num）//显示结果子程序

{

unsignedcharaa=0;

unsignedchari,c;

unsignedintn=result_num;

clear_lcd_2（）;

com_lcd（0xc0）;

delay

（1）;

data_lcd（tab3[14]）;

com_lcd（0x04）;

delay

（1）;

com_lcd（0xcf）;

delay

（1）;

if（n==0）{aa=1;}

while（n!

=0）//计算结果长度

{n=n/10;

aa++;}

for（i=1;i<=aa;i++）

{

c=result_num%10;

if（c==0）{c=10;}

data_lcd（tab3[c-1]）;//显示结果

delay

（1）;

result_num=result_num/10;

}

}

voidmain（）

{unsignedcharwei2,i;

unsignedintresult1=0;

unsignedintnum2;

int_port（）;

clear_lcd（）;

asm（"nop"）;

while

（1）

{

if（key_press（））

{count1++;

key[count1]=key_scan（）;

if（（key[count1]==0x0a）|（key[count1]==0x0b）|（key[count1]==0x0c）|（key[count1]==0x0d））//当按下+-*/时的处理

{

temp1=qushu（count1）;

data_lcd（tab3[key[count1]]）;

}

elseif（key[count1]==0x0e）//当按下=号时的处理

{

wei2=count1-wei-2;

for（i=1;i<=wei2;i++）

{

if（key[i]==9）{num2=0;}

else{num2=key[i+wei+1]+1;}

temp2=temp2*10+num2;

}

result1=result（temp1,temp2）;

disp_result（result1）;

count1=0;

}

elseif（key[count1]==0x0f）//当按下最后一个键清1602第二行

{com_lcd（0x06）;

delay

（1）;

clear_lcd_2（）;

count1=0;

temp1=0;

temp2=0;

result1=0;

}

else

{

com_lcd（0xc0+count1-1）;

delay

（1）;

data_lcd（tab3[key[count1]]）;

delay

（1）;

}

}

}

}