51单片机的简单计算器设计与仿真Word格式文档下载.docx
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1天（7月8日）
四、设计说明书的内容：
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系列单片机来进行的数字计算器系统设计，可以完成计算器的键盘输入，进行加、减、乘、除基本四则运算，并在LCD上显示相应的结果；
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键盘的扫描IC读取键盘上的输入；
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的计算器，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）对错误的控制及提示。
针对上述功能，计算器软件程序要完成以下模块的设计：
（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，读取输入的键值。
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的时候，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，在使用时对于电容的选择有一定的要求：
当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30+10pF或30-10pF；
当外接陶瓷振荡器的时候，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口的管脚第一次写1时，被定义为输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
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的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，这是由于内部上拉的缘故。
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的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口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
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口输出地址的高八位。
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的内容。
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个带内部上拉电阻的双向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）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：
RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）/INT0（外部中断0）
/INT1（外部中断1）T0（记时器0外部输入）T1（记时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）/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脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
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的输出可在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：
外部程序存储器的选通信号。
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，这两次有效的/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：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
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，而是采用矩阵键盘的方案。
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的4*4键盘的按键输入，并通过数据输出口将按键相应的编码输出。
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。
（5）GND（脚9）：
接地管脚。
（6）OSC（Oscillator，脚5）：
键盘扫描电路之频率所需外加电容的连。
（7）KBM（KeyboardMask，脚6）：
内部消除开关弹跳电路所外加电容的。
（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对各按键的响应如下表所示：
如下图4所示，在本设计中，计算器输入键盘的4条行线、列线分别连接到MM74C922的X1-X4、Y1-Y4引脚，MM74C922的数据输出口与单片机的P2口相连，MM74C922的DA引脚经过一个非门连接到单片机的/INT0脚，当MM74C922检测到键盘输入时，DA产生高电平，与之相连的/INT0检测到低电平，给单片机一个中断，单片机从P2口的低四位读入键盘上按下的键的值。
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实现不同的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，可以很快地实现运算功能。
、软件编程：
1、主函数设计：
/******************函数声明*****************/
#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的判断，以进行下一步的程序处理。
/**********键值转化为键盘上按键值函数*************/
chartranslate（intkeycode）
switch（keycode）
case0:
return'
7'
break;
case1:
4'
case2:
return'
1'
break;
case3:
c'
case4:
8'
case5:
5'
case6:
2'
case7:
0'
case8:
9'
case9:
6'
case10:
3'
case11:
='
case12:
/'
case13:
*'
case14:
-'
case15:
+'
}
/***********外部中断0处理函数*************/
voidINT_0（void）interrupt0using0
key=translate（P2&
0x0f）;
if（key<
&
key>
）//判断按下的键是否为数值
num=num*10+（key-'
）;
if（operators>
0）
y=num;
iny=1;
else
x=num;
当前数值是否超出限定范围
{
display（num）;
dataoverflow（）;
switch（key）
case'
:
x=0;
y=0;
num=0;
iny=0;
operators=0;
display（num）;
break;
arithmetic（）;
if（operators）
operators=1;
operators=2;
operators=3;
if（operators）
operators=4;
（2）、算术运算程序设计：
/**********算术运算函数*************/
voidarithmetic（）
if（iny）
switch（operators）
x=x+y;
num=x;
x=x-y;
x=x*y;
if（y==0）
dealerror（）;
x=x/y;
}
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（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;
P1=command;
/************LCD检查忙碌函数***********/
voidcheck_BF（）
chari,x=0x80;
P1=0xff;
while（x&
0x80）
R_W=1;
x=P1;
for（i=0;
i<
10;
i++）;
/*关闭使能信号*/
/**********LCD清屏函数**********/
voidclearLCD（）
/**********LCD显示函数**********/
voiddisplay（longa）
longtemp,b,c=-1;
intlenth=1,i,j;
clearLCD（）;
if（a<
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<
i-1;
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;
for（i=0;
5;
i++）
write_data（error[i]）;
/*********数值溢出处理函数**********/
voiddataoverflow（）
8;
write_data（overflow[i]）;
、联机调试：
—
4、结束语：
由于本次课程设计使用软件仿真，在没有硬件设备的情况下，我们走了很多的弯路，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，*****************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************再次感谢我亲爱的组员，我们坚信我们是一个优秀的团队，也由衷感谢我们的答辩老师。
5、参考文献：
【1】《*****************》**********编着*************出版社
【2】
【3】
【4】
【5】
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