单片机简单计算器设计方案书与仿真.docx
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单片机简单计算器设计方案书与仿真
东北大学秦皇岛分校自动化工程系
自动控制系统课程设计
基于单片机地简易计算器设计与仿真
专业名称
自动化
班级学号
5080512
学生姓名
张爽
指导教师
王宏伟
设计时间
2011.6.27~2010.7.8
东北大学秦皇岛分校自动化工程系
《自动控制系统》课程设计任务书
专业：
自动化班级：
50805姓名：
张爽
设计题目：
基于单片机地简易计算器设计与仿真
一、设计实验条件：
地点：
自动化系实验室
实验设备：
PC机（装有Keil；Protues；Word；Visio）
二、设计任务：
本系统选用AT89C51单片机为主控机.通过扩展必要地外围接口电路,实现对计算器地设计,具体设计如下：
（1）由于设计地计算器要进行四则运算,为了得到较好地显示效果,经综合分析后,最后采用LCD显示数据和结果.
（2）采用键盘输入方式,键盘包括数字键（0～9）、符号键（+、-、×、÷）、清除键（on\c）和等号键（=）,故只需要16个按键即可,设计中采用集成地计算键盘.
（3）在执行过程中,开机显示零,等待键入数值,当键入数字,通过LCD显示出来,当键入+、-、*、/运算符,计算器在内部执行数值转换和存储,并等待再次键入数值,当再键入数值后将显示键入地数值,按等号就会在LCD上输出运算结果.
（4）错误提示：
当计算器执行过程中有错误时,会在LCD上显示相应地提示,如：
当输入地数值或计算得到地结果大于计算器地表示范围时,计算器会在LCD上提示overflow；当除数为0时,计算器会在LCD上提示error.
设计要求：
分别对键盘输入检测模块；LCD显示模块；算术运算模块；错误处理及提示模块进行设计,并用Visio画系统方框图,keil与protues仿真分析其设计结果.
三、设计时间与设计时间安排：
1、设计时间：
6月27日～7月8日
2、设计时间安排：
熟悉课题、收集资料：
3天（6月27日～6月29日）
具体设计（含上机实验）：
6天（6月30日～7月5日）
编写课程设计说明书：
2天（7月6日～7月7日）
答辩：
1天（7月8日）
四、设计说明书地内容：
1、前言：
（自己写,组员之间不能相同,写完后将红字删除,排版时注意对齐）
本设计是基于51系列单片机来进行地数字计算器系统设计,可以完成计算器地键盘输入,进行加、减、乘、除基本四则运算,并在LCD上显示相应地结果；设计电路采用AT89C51单片机为主要控制电路,利用MM74C922作为计算器4*4键盘地扫描IC读取键盘上地输入；显示采用字符LCD静态显示；软件方面使用C语言编程,并用PROTUES仿真.
2、设计题目与设计任务：
现实生活中人们熟知地计算器,其功能主要如下：
（1）键盘输入；
（2）数值显示；（3）加、减、乘、除四则运算；（4）对错误地控制及提示.
针对上述功能,计算器软件程序要完成以下模块地设计：
（1）键盘输入检测模块；
（2）LCD显示模块；（3）算术运算模块；（4）错误处理及提示模块.
3、主体设计部分：
（1）、系统模块图：
（2）、算术运算程序流程图：
（3）、系统总流程图：
（4）、硬件设计：
（一）、总体硬件设计：
本设计选用AT89C51单片机为主控单元；显示部分：
采用LCD静态显示；按键部分：
采用4*4键盘；用MM74C922为4*4键盘扫描IC,读取输入地键值.
总体设计效果如下图：
（二）、单片机接口电路说明：
1、手动上电复位电路：
当VCC上电时,C充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位；几个毫秒后,C充满,10K电阻上电流降为0,电压也为0,使得单片机进入工作状态.工作期间,按下S,C放电.S松手,C又充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位.几个毫秒后,单片机进入工作状态.
2、内部时钟模式电路：
当单片机工作于内部时钟模式地时候,只需在XTAL1和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器,并接两个电容后接地即可,在使用时对于电容地选择有一定地要求：
当外接晶体振荡器地时候,电容值一般选择C1=C2=30+10pF或30-10pF；
当外接陶瓷振荡器地时候,电容值一般选择C1=C2=40+10pF或40-10pF；
3、AT89C51单片机引脚介绍：
VCC：
供电电压.
GND：
接地.
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流.当P0口地管脚第一次写1时,被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址地第八位.在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高.
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻地8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉地缘故.在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收.
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻地8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入.并因此作为输入时,P2口地管脚被外部拉低,将输出电流.这是由于内部上拉地缘故.P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址地高八位.在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器地内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号.
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻地双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入.作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉地缘故.
P3口也可作为AT89C51地一些特殊功能口：
P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号.
RST：
复位输入.当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期地高电平时间.
ALE/PROG：
当访问外部存储器时,地址锁存允许地输出电平用于锁存地址地地位字节.在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲.在平时,ALE端以不变地频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率地1/6.因此它可用作对外部输出地脉冲或用于定时目地.然而要注意地是：
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE地输出可在SFR8EH地址上置0.此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用.另外,该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效.
/PSEN：
外部程序存储器地选通信号.在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效.但在访问外部数据存储器时,这两次有效地/PSEN信号将不出现.
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器.注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器.在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）.
XTAL1：
反向振荡放大器地输入及内部时钟工作电路地输入.
XTAL2：
来自反向振荡器地输出.
4、单片机与复位、时钟电路连接电路图：
（三）、键盘接口电路：
计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键,如果采用独立按键地方式,在这种情况下,编程会很简单,但是会占用大量地I/O口资源,因此在很多情况下都不采用这种方式,而是采用矩阵键盘地方案.矩阵键盘采用四条I/O线作为行线,四条I/O线作为列线组成键盘,在行线和列线地每个交叉点上设置一个按键.这样键盘上按键地个数就为4×4个.这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口地利用率.
矩阵键盘地工作原理：
计算器地键盘布局如图1所示：
一般有16个键组成,在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能,这种形式在单片机系统中也最常用.
图1矩阵键盘布局图
矩阵键盘内部电路图如图2所示：
为了进一步节省单片机I/O口资源,我们在设计中使用了MM74C922芯片.MM74C922是一款4*4键盘扫描IC,它可检测到与之相连地4*4键盘地按键输入,并通过数据输出口将按键相应地编码输出.其引脚图如图3所示：
图3MM94C22硬件图
MM74C922引脚说明：
（1）Y1~Y4（脚1~脚4）：
4*4键盘第一列至第四.
（2）X1~X4（脚11、10、8、7）：
4*4键盘第一行至第四行.
（3）DOA~DOD（DataoutA~D,脚14~17）：
按键之BCD码输出,其中DOA为LSB,DOD为MSB.
（4）VCC（脚18）：
电源脚,+3V~+15V.ab126计算公式大全
（5）GND（脚9）：
接地管脚.新艺图库
（6）OSC（Oscillator,脚5）：
键盘扫描电路之频率所需外加电容地连引脚.
（7）KBM（KeyboardMask,脚6）：
内部消除开关弹跳电路所外加电容地引脚.
（8）OE（OutputEnable,脚13）：
芯片使能脚,接低电位可使芯片使能.
（9）DA（DataAvailable,脚12）：
数据有效输出脚.任一按键按下时,此脚位会输出高电位,按键释放后此脚又会恢复为低电位.
MM74C922对各按键地响应如下表所示：
如下图4所示,在本设计中,计算器输入键盘地4条行线、列线分别连接到MM74C922地X1-X4、Y1-Y4引脚,MM74C922地数据输出口与单片机地P2口相连,MM74C922地DA引脚经过一个非门连接到单片机地/INT0脚,当MM74C922检测到键盘输入时,DA产生高电平,与之相连地/INT0检测到低电平,给单片机一个中断,单片机从P2口地低四位读入键盘上按下地键地值.
图4键盘接口电路图
（四）、LCD显示模块：
本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据.通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同地功能或显示相应数据.
图5LCD模块
（五）运算模块（单片机控制）：
MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要地基本功能部件.如果按功能划分,它由如下功能部件组成,即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）.
单片机是靠程序运行地,并且可以修改.通过不同地程序实现不同地功能,尤其是特殊地独特地一些功能,通过使用单片机编写地程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性！
因此我们采用单片机作为计算器地主要功能部件,可以很快地实现运算功能.
3.5、软件编程：
1、主函数设计：
/******************函数声明*****************/
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
chartranslate（intkeycode）;
voidarithmetic（）;
voidinit_LCM（）;
voidwrite_data（charddata）;
voidwrite_com（charcommand）;
voidcheck_BF（）;
voidclearLCD（）;
voiddisplay（longa）;
voiddealerror（）;
voiddataoverflow（）;
/******************定义变量和数组*****************/
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;
/******************主函数*****************/
main（）
{
EA=1;
EX0=1;
IT0=1;
P2=0xff;
display（0）;
init_LCM（）;
write_data（0x30）;
while
（1）
{
}
}
2、分块程序设计：
（1）、键盘输入检测程序设计：
有键按下时,单片机响应外部中断0,转入外部中断0中断处理函数,在中断处理函数中完成对按键地判断,以进行下一步地程序处理.
/**********键值转化为键盘上按键值函数*************/
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;
}
}
/***********外部中断0处理函数*************/
voidINT_0（void）interrupt0using0
{
key=translate（P2&0x0f）;
if（key<='9'&&key>='0'）//判断按下地键是否为数值
{
num=num*10+（key-'0'）;
if（operators>0）
{
y=num;
iny=1;
}
else
x=num;
if（num<134217728&&num>-134217728）//当前数值是否超出限定范围
{
display（num）;
}
else
dataoverflow（）;
}
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）、算术运算程序设计：
/**********算术运算函数*************/
voidarithmetic（）
{
if（iny）
{
switch（operators）
{
case1:
x=x+y;
num=x;
if（num<134217728&&num>-134217728）
{
display（num）;
}
else
dataoverflow（）;
break;
case2:
x=x-y;
num=x;
if（num<134217728&&num>-134217728）
{
display（num）;
}
else
dataoverflow（）;
break;
case3:
x=x*y;
num=x;
if（num<134217728&&num>-134217728）
{
display（num）;
}
else
dataoverflow（）;
break;
case4:
if（y==0）
dealerror（）;
else
{
x=x/y;
num=x;
if（num<134217728&&num>-134217728）
{
display（num）;
}
else
dataoverflow（）;
}
break;
}
y=0;
}
}
（3）、LCD显示程序设计：
利用LCD静态显示,通过程序向LCD写指令字或数据使LCD完成不同功能或显示相应数据.
/**************LCD初始化函数*************/
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写数据函数*************/
voidwrite_data（charddata）
{
RS=1;/*写指令*/
R_W=0;
EN=1;/*使能信号开*/
P1=ddata;/*将数据送入p1口*/
EN=0;/*使能信号关*/
check_BF（）;
}
/***********LCD写指令函数*************/
voidwrite_com（charcommand）
{
RS=0;/*写指令*/
R_W=0;
EN=1;/*使能信号开*/
P1=command;/*将数据送入p1口*/
EN=0;/*使能信号关*/
check_BF（）;
}
/************LCD检查忙碌函数***********/
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;/*关闭使能信号*/
}
/**********LCD清屏函数**********/
voidclearLCD（）
{
write_com（0x01）;
}
/**********LCD显示函数**********/
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{
b=b*10;
}
write_data（0x30+a/b）;
a=a%b;
}
}
（4）、错误处理及提示程序设计：
/**********除数为处理函数**********/
voiddealerror（）
{
inti=0;
clearLCD（）;
for（i=0;i<5;i++）
write_data（error[i]）;
}
/*********数值溢出处理函数**********/
voiddataoverflow（）
{
inti=0;
clearLCD（）;
for（i=0;i<8;i++）
write_data（overflow[i]）;
}
3.6、联机调试：
在联机调试地过程中,一开始没有做数值溢出方面地控制,导致LCD显示地输入数据或计算结果与实际不相符.后来经过计算得到有符号长整型地表示范围为-134217728—134217727,遂取2地27次方134217728为本计算器地最大表示范围,以此来控制数值溢出,修改后,LCD显示正确.
4、结束语：
（自己写,组员之间不能相同,写完后将红字删除,排版时注意对齐）
由于本次课程设计使用软件仿真,在没有硬件设备地情况下,我们走了很多地弯路,我们组充分按照日常安排（如前所述）,分工明确,每个人都参与设计,*****************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************再次感谢我亲爱地组员,我们坚信我们是一个优秀地团队,也由衷感谢我们地答辩老师.
5、参考文献：
升级会员 