单片机4X4键盘计算器课程设计Word格式文档下载.docx
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正文是实践设计报告的主体,具体由以下几部分组成:
（1）课程设计题目；
（2）课程设计任务与要求;
（3）设计过程（包括设计方案、设计原理、创新点以及采用的新技术等）;
（4）方案的比较与论证；
（5）硬件电路设计，各个模块的设计与器件的选择;
（６）软件程序的设计与调试；
（7）课程设计总结（包括自己的收获与体会;
遇到的问题和解决的方法;
技术实现技巧和创新点;
作品存在的问题和改进设想等）；
3．附录
附录1：
系统设计原理图
附录2：
系统硬件元器件清单
附录3:
系统的程序
七、考核方式与成绩评定办法
评定项目
评分成绩
１．设计的实物功能齐全,制作美观（50分）
2.态度认真、学习刻苦、遵守纪律（1５分）
3．设计报告的规范化、参考文献充分（不少于５篇）（20分）
4.答辩（１5分）
总分（10０分）
备注:
成绩等级：
优（90分～1０0分）、良（80分~89分）、中（70分～79分）、及格（60分~６9分）、60分以下为不及格.
八、参考书目
［１] 李朝青．单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：
北京航空航天大学出版社，199８
[２］ 李广弟．单片机基础[M]。
北京:
北京航空航天大学出版社，１９９4
［3］ 阎石．数字电子技术基础（第三版）. 北京:
高等教育出版社，１98９
[4] 廖常初.现场总线概述［J].电工技术，1999.
[5］ 徐仁贵等编著.《单片微型计算机应用技术》．北京:
机械工业出版社。
20０１年2月第1版
[６] 张毅刚等编著．《单片机原理及应用》. 北京：
高等教育出版社。
２004年1月第1版
一、课程设计任务与要求
设计基于５1单片机的简易计算器系统电路,并以该电路为基础进行编程，要求能够实现0－９９之间的数进行加、减、乘、除运算的功能，并要求如下：
1、设计简易计算器,要求能对０－９9之间的数进行加、减、乘、除运算；
2、用4×
4的键盘作为输入设备;
3、用LＥＤ或LCD进行显示;
４、使用Ｃ语言编写无符号数加、减、乘、除运算、输入和显示的程序；
5、对系统的进行综合和调试，使其具有对0—9９之间的数进行加、减、乘、除运算的功能,还具有清零功能等;
6、编写课程设计的总结.
二、设计方案与选择方案
1、芯片
１.1、方案构思
本设计中的芯片可以采用两种方案，一种是以FＰGA为核心处理芯片，配备相应的外设；
另一种是以STC89C５2处理器,配备相应的外设。
（1）方案一:
采用FＰGA控制
FＰGA是一种高密度的可编程逻辑器件，自从Ｘiliｎx公司19８５年推出第一片ＦPＧA以来,FPＧA的集成密度和性能提高很快，其集成密度最高达5００万门/片以上，系统性能可达2００MHｚ。
由于FＰGA器件集成密度高，方便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用，并一度在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头.
但是基于SＲＡM编程的ＦＰGＡ，其编程信息需存放在外部存储器上,需外部存储器芯片，且使用方法复杂，保密性差,而其对于一个简单的计算器而言,使用FPGA有点大材小用,成本太高。
（2）方案二：
采用AT89C5１
单片机是单片微型机的简称，故又称为微控制器MCU（ＭｉｃroCoｎtｒolUｎit）。
通常由单块集成电路芯片组成,内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器CＰU,存储器和Ｉ/O接口电路等。
因此，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统.单片机广泛应用于智能产品,智能仪表，测控技术,智能接口等，具有操作简单、实用方便、价格便宜等优点。
AT89C51是一种带4Ｋ字节FLＡSH存储器（FPＥＲOM—Flaｓh PｒogrammablｅandＥｒasableReadOnｌyMemoｒy）的低电压、高性能ＣMOS8位微处理器，俗称单片机。
ＡT89C20５1是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1０00次.该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS—５1指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位ＣPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ＡＴMEＬ的AT８9C51是一种高效微控制器。
１。
2、方案比较与选择
通过以上两种方案的论证和比较，从设计的实用性、方便性和成本等诸多方面考虑,最终选择了以AＴ89C51单片机作为中央处理单元进行计算器的设计,这样设计能够实现对六位整数、两位小数的加、减、乘、除的四则运算.
2、输入模块
2。
1、方案构思
（１）方案一:
采用独立式按键作为输入模块
独立式按键输入模块，其特点是：
直接用Ｉ/O口构成单个按键电路，接口电路配置灵活、按键识别和软件结构简单;
但是当键数较多时，占用I/O口较多,比较浪费资源.其原理图如图１所示.
图1独立的功能按键 图2矩阵键盘输入
（2）方案二:
采用矩阵式键盘作为输入模块
矩阵式按键输入模块，其特点是:
电路和软件稍复杂，但相比之下,当键数越多时，越节约Ｉ/O口，比较节省资源。
其原理图如图２所示。
2．２、方案比较与选择
本设计中的输入模块使用的是矩阵键盘输入。
键盘输入预置用于计算，按键较多。
若是采用独立按键,需频繁按键,为软件设计增加负担,且操作界面不友好；
若是采用矩阵式按键,可以方便地输入一个数值，使操作界面更具有人性化，且节约了宝贵的Ｉ/O口资源。
通过对比,故采用方案二作为系统输入模块.
3、显示模块
3．1、方案构思
（1）方案一：
采用LED数码管静态显示
采用LED数码管的静态显示,其特点是:
其亮度较高；
这种显示方式接口，编程容易且管理简单；
不足的是，占用的I／O的线资源较多。
如果采用单片机或CPLD/ＦPGA来控制的话，势必存在浪费I/O口资源的问题.如图３所示.
图３4位数码管静态显示
采用ＬED数码管动态显示
采用LED数码管的动态显示，其特点是：
其亮度比静态显示的亮度要差一些;
但其电路比较简单，适合于显示位数较多的情况。
如图4所示.
图4 4位数码管的动态显示
（３）方案三:
采用LCD1６02液晶显示
采用LCD1602液晶显示，其特点是:
可以调节其背光亮度，这种显示方式接口,编程虽然有些麻烦,但管理较方便,占用的I/O口资源线也不多。
３.2、方案比较与选择
本设计中的显示模块使用的是ＬCD１60２液晶显示.
在计算器运算中,需显示的数字、符号较多，按很据个方面的特点，而后可以发现LCD液晶显示,虽然在价格上的确是稍贵于ＬED数码管；
但数码管在硬件设计电路中,会因线太多、线路复杂而过于繁琐，则舍弃LED数码管，选择LCD液晶显示.
通过对比,故采用方案三作为系统显示模块。
三、整体方案原理框图
1硬件与软件系统设计
依据系统分析及实现功能，硬件小系统方框图如图1所示:
图５
依据系统硬件设计,软件系统主要包括：
单片机控制程序模块：
作为系统的主控制程序模块,用ＫeilC编程控制其他程序模块的协调工作;
键盘程序模块:
用来输入用户的功能，使单片机完成相应的控制功能；
液晶显示模块：
使用字符型液晶显示器显示用户的选择.
1。
2单片机模块
单片机控制主程序流程图如下：
图6
单片机外围扩展电路程序模块ﻩ
为了节约成本，本设计中液晶显示模块与单片机之间采用模拟口线的方式控制，键盘与单片机之间采用扫描的工作方式。
键盘程序流程图（扫描方式）
键盘程序流程图如下所示:
图7
LＣM程序流程图如下所示：
图８
本设计的软件系统分别用伟福E６0０0和KeｉlC编写及编译。
４＊4键盘程序模块用汇编语言和Ｃ语言编写，实现直接从P2口扫描得到键盘码，并采用查询方式得到与之对应的LCD字型码，在LCD上显示出来。
四、单元电路设计
１．１键盘输入
计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键，如果采用独立按键的方式,在这种情况下，编程会很简单，但是会占用大量的Ｉ/Ｏ口资源，因此在很多情况下都不采用这种方式。
为此,我们引入了矩阵键盘的应用，采用四条I/Ｏ线作为行线，四条I/O线作为列线组成键盘。
在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。
这样键盘上按键的个数就为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口的利用率。
矩阵键盘的工作原理：
计算器的键盘布局如图5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９ 键盘布局图
图1０矩阵键盘内部电路图
键盘上的每一个按键都有一个键值.给键赋值的最直接办法是将行、列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置低电平０，若读出各行状态为非全1，这时的行、列数据组合成键值.键盘键值从左到右、从上到下依次是７７，7Ｂ，７D，７Ｅ；
B７，BB，ＢD，BE，…，E７，EＢ，ED，EＥ。
这种负逻辑表示往往不够直观，因而采用行、列线加反向器或软件求反的方法将键盘改成正逻辑。
这时,键值依次为88，84，8２，8１；
48，44，42，４1，…，1８,１４,１2,11。
不论是正逻辑还是负逻辑,这种键值表示方式分散度在且不等距,用于指令不太方便。
对于不是４＊４或８＊４或8*8键盘，使用也不容易,故在许多场合下,采用依次排列键值的方法.这时的键值与键号相一致。
1．2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的基本功能部件。
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的,并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的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的主要功能部件,可以进行很快地实现运算功能。
图１1单片机控制电路的时钟电路和复位电路
LCD１６０２显示
图12LCD160２显示
1602点阵字符液晶模块（LＣM）引脚及功能
ﻩ１脚（VDＤ/VＳS）：
电源5V±
10%或接地。
2脚（VＳS/VDD）:
接地或电源（5±
0．5）V。
ﻩ3脚（ＶO）：
反视度调整。
使用可变电阻调整,通常接地。
ﻩ4脚（RS）:
寄存器选择（1：
选择数据寄存器；
0:
选择指令寄存器）。
5脚（R/Ｗ）：
读/写选择（１：
读；
0：
写）.
６脚（Ｅ）：
使能操作（1:
ＬCM可做读写操作；
ＬCＭ不可做读写操作）。
ﻩ7脚（DB０）:
双向数据总线的第0位。
８脚（ＤB1）：
双向数据总线的第1位.
9脚（DB2）：
双向数据总线的第2位.
ﻩ1０脚（DB3）:
双向数据总线的第3位。
ﻩ１1脚（DB4）：
双向数据总线的第４位。
ﻩ1２脚（DB５）:
双向数据总线的第5位.
1３脚（DＢ6）：
双向数据总线的第6位。
14脚（DB7）：
双向数据总线的第7位。
ﻩ1５脚（VDD）：
背光显示器电源+５V。
1６脚（ＶSＳ）：
背光显示器接地。
五、实物效果图
图13 实物效果图
六、心得体会
两周的时间,终于顺利完成了单片机的课程设计。
由于自己对单片机编程还不是很熟悉，结果在设计的时候遇到了一系列问题,程序总是调试部处理,不过还好，最后在同学的帮助下终于把程序调试出来了，虽然程序设计实现的功能与老师要求的不尽相同,不过勉强还算可以。
从这里我知道了基本知识的重要性。
其实进行程序设计的时候主要是对各功能模块的把握.计算器里面最难的一部分是矩阵键盘的扫描和编码，那个费了很大力气。
另外一点就是硬件焊接调试部分.焊接的时候到时轻松，一个下午就焊接好了，然后是调试部分.调试花费的时间还是比较长的。
不过有了上个学期数字电路焊接调试的经验，这次单片机调试还算是比较顺利。
我也是从电路板的正负电源检测起，一步一步来，最终得到了想要的结果。
调试的时候主要遇到了两个问题。
一个是键盘总是没有反应，为了这个自己调试了很久，前前后后把电路板检查了几次，最后才发现是键盘本身的问题,和同学们换了个好键盘才行。
另一个问题是总是显示不出来１、4、7这三个数字。
检测来检测去，发现来是在测试最小系统时在一个位选端接了高电平，对位选信号产生了影响。
当把那个高电平去掉后,终于得到了正确的结果。
总的来说这次课程设计达到了完成了基本任务,达到了基本要求。
通过亲身对程序设计和电路焊接调试的体会,自己对单片机有了进一步的了解，单片机编程能力也得到了提高。
电路板的焊接与调试,使自己电路调试的方法和思想进一步加强了。
这次单片机课程设计应该说是比较成功的。
七、参考文献
［１]李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州:
北京航空航天大学出版社，1998
［2］李广弟．单片机基础［Ｍ]。
北京航空航天大学出版社，１99４
［３］ 阎石.数字电子技术基础（第三版）。
北京：
[4] 廖常初.现场总线概述［J］.电工技术,1999.
八、附录
系统程序
＃incluｄｅ<
reｇ５2．ｈ＞
＃defiｎe ｕchaｒunsigｎeｄcｈar
＃dｅfinｅuintuｎsiｇned ｉnｔ
sbit ｒs=Ｐ1^０；
ｓbitrw＝P1^1；
sbite=P1^2；
voidｗrite_dat（ucharｄat）;
voidwrｉｔe_ｃｏm（ucｈarcoｍ）；
voiｄkｅyｓcａn（）；
／＊*****＊＊＊＊＊＊*＊＊＊*＊＊＊**
功能说明：
显示编码，加上０ｘ30，
分别为'
1'
，'
2＇,'
3'
，’+＇，
’４'
，’５'
’6’,’—'
等
*＊＊*＊*＊＊＊***＊**＊*＊＊＊*＊/
ucharｃodetable１[］=
｛
1,2，3,0ｘ２b—０x３0，
4，5，６,0x２d-0x3０,
７，８，９，0x2a—0x30,
0,0ｘ3d-0ｘ30,0x0１-0x3０，０x２ｆ－０x30
};
uｃｈａr ｋ＝０,fｌaｇ＝0,nuｍ,ｆuhａo,i；
longa，b，c；
voｉd dｅlay（uｉｎtｚ）
uint x，ｙ;
for（x=z；
x＞0；
x-—）
for（ｙ=11０；
ｙ＞0；
y——）;
}
ｖoid keyscan（）
{
ｕchartemp；
P２＝０xfe；
ｔemｐ=P2;
tｅmｐ=teｍｐ＆0xｆ0；
ｗhｉlｅ（temp！
=0xｆ0）
{
ｄelａy（5）；
temp=P2;
tｅmp=teｍｐ＆0xｆ0；
ｗhiｌe（temp!
=0xf0）
｛
temp=P2；
switch（ｔｅmｐ）
{
caｓe０xeｅ：
num=０;
break;
case0ｘde：
num＝１；
bｒeaｋ；
case０xｂe：
num=２；
ｂreaｋ;
case0x7e：
num＝3;
ｂrｅak；
}
whｉｌe（temp！
=０xf0）
｛temｐ＝P2；
teｍp＝teｍp&
０xf0；
｝
}
/*当按下1,2,３，松手后执行下面这段语句＊/
iｆ（ｎum==0||nｕｍ==1|｜nｕm==2）
{
if（fｌａg==０）
a=ａ*10+tａbｌe1［ｎuｍ];
//如果没有按符号键，符号前的数值为a
elsｅif（flag＝=１）
b=ｂ*10+ｔable1[nuｍ］；
//如果按了符号键,符号后的数值为ｂ
ｉｆ（k＝=1） //如果之前按了'
='
号,再按键时清屏,进行下一次计算
{
k=0;
write_ｃoｍ（０x01）；
}
}
ｅlｓe ｉf（num＝＝３） //判断按下’+＇
｛
flａg=1；
fuｈao=1；
}
ｉ＝table１[num］;
//显示按下的键
wｒｉte_dat（0x30＋ｉ）;
｝
P2＝0ｘfd；
ｔｅmp=Ｐ2；
temp＝temp＆0ｘf0；
wｈｉle（temp！
deｌａｙ（5）;
temp=P2;
tｅmp=temp＆0xf0；
wｈile（temｐ!
=0ｘf０）
{
temp=P２；
sｗitch（temｐ）
casｅ 0ｘｅｄ：
ｎum=４;
break;
caｓe0ｘdd：
nuｍ＝5;
breaｋ；
ｃasｅ0xbｄ:
ｎum=6；
break;
case0x7ｄ：
nｕm=7；
breａｋ;
｝
whiｌe（ｔｅｍｐ！
＝０ｘf０）
{tｅｍp=P２;
ｔｅｍｐ=tｅｍp＆0xf0；
｝
}
if（ｎｕm==4｜|num＝=5｜｜nｕm=＝6）//判断是否按下'
4’,'
5'
'
6’
{
if（k==1）
{
k=0；
wｒite_coｍ（０ｘ01）；
}
if（flａｇ＝=0）
a=a*10+ｔａblｅ1［num］;
ｅlse if（fｌａg==1）
b=b*１０+ｔable1[num］;
｝
ｅｌsｅｉf（ｎum＝＝７）
{
fｌag=1;
fuｈａo=２；
｝
i=ｔaｂｌe1［num］；
//显示按下的键
wｒiｔe＿dａt（0x３0＋ｉ）;
}
P２=0xfb；
temp=P2；
ｔemｐ=temp&
0xf0;
while（temp！
＝0ｘｆ0）
｛
delａy（5）；
ｔemp=P２；
temｐ=teｍｐ＆0xf0；
whilｅ（temｐ!
=０ｘf0）
teｍp=P2;
sｗiｔch（ｔeｍp） //
｛
case0ｘeｂ：
num=8；
break;
caｓe0ｘｄｂ:
num=9;
bｒeak;
ｃase0ｘbb：
ｎum＝10；
ｂreaｋ;
case0ｘ7ｂ：
nuｍ=１1；
ｂreak；
｝
ｗhile（temp!
｛temp＝P2；
tｅｍp＝temp＆0xf０；
ｉｆ（num==8|｜nｕm==9|｜nｕm==１0）//判断是否按下'
７＇，'
8’，＇9＇
if（ｋ＝=1）
k＝0;
ｗrｉte＿ｃｏｍ（0ｘ0１）;
｝
iｆ（flag=＝0）
a=ａ*１0+ｔabｌe1[nuｍ］;
eｌseif（flaｇ==1）
ｂ=b＊10＋ｔaｂle１[ｎum］；
｝
elsｅ ｉｆ（num=＝１1）／/判断是否按下’*’
flag＝1;
fuhao=３；
}
ｉ＝table1[num]；
wrｉｔｅ_dat（0x30+i）；
}
P2=0xｆ7;
ｔemｐ=P2；
temp＝temｐ&
0xf0；
while（ｔemp!
=0ｘf0）
{
dｅlａｙ（5）;
teｍp=P2；
temｐ=temｐ＆0xf０；
ｗhile（ｔemp！
＝0xf０）
｛
tｅmp=Ｐ2；
switch（temp）
{
case0xe7：
ｎｕm=1２；
// ０键
bｒeａk;
caｓe０ｘｄ7:
num=13；
/／'
＝’
break;
cａｓe0ｘb７：
num＝14;
/／清零键
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