单片机课程设计十进制加法计算器设计讲解.docx
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单片机课程设计十进制加法计算器设计讲解
存档资料成绩：
华东交通大学
课程设计报告书
所属课程名称单片机原理及应用
题目
院（系）电气学院
班级电气化14- 班
学 号
学生姓名
指导教师
辅导教师
2016年12月30日
课程设计（论文）任务书
电气 学 院 电气工程 专 业 14级（）班
一、课程设计（论文）题目 填写所选题目
二、课程设计（论文）工作自2016年12月26日起至2016年12月30日止。
三、课程设计（论文）内容要求：
1．本课程设计的目的
（1）使学生掌握系统单片机各功能模块的基本工作原理；
（2）培养学生单片机硬件电路设计的基本思路和方法；
（3）使学生掌握系统调试的方法；
（4）培养学生分析、解决问题的能力；
（5）提高学生的科技论文写作能力。
2．课程设计的任务及要求
1）基本要求：
（1）分析所设计系统各功能模块的工作原理；
（2）选用合适的器件（芯片）；
（3）提出系统的设计方案（要有电路原理图）；
（4）对所设计电路进行仿真调试。
（5）所设计系统的具体功能要求：
（此处填写自已所选题目任务书中的系统功能要求）
2）提高要求：
在基本要求达到后，可进行创新设计，如改善电路性能，在实验板上调试等。
3）课程设计论文编写要求
（1）要按照书稿的规格誊写课设论文
（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、附录等
（3）正文中要有程序设计思路的阐述，程序流程图,硬件原理图等
（4）课设论文装订按学校的统一要求完成
4）课设考核：
从以下几方面来考查：
（1）出勤情况及任务的饱满程度；
（2）设计任务的难易程度；
（3）完成课设任务情况；
（4）动手调试能力；
（5）论文撰写的原理分析、设计思路以及论述的层次性、条理性、格式的规范性；
5）课程设计进度安排
内容天数 地点
构思及收集资料1 图书馆
程序设计与调试3 实验室
撰写论文1 教室
学生签名：
2016年12月26日
课程设计（论文）评审意见
（1）任务难易及完成情况：
优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；
（2）完成调试能力评价 ：
优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；
（3）论文撰写水平评价 ：
优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；
（4）论文格式规范性评价：
优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；
（5）考勤及任务饱满情况：
优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；
评阅人：
2017年1月7日
1、摘要----------------------------------------------------------------------2
2、设计任务和要求--------------------------------------------------------2
3、单片机简要原理--------------------------------------------------------3
3.1AT89C51的介绍------------------------------------------------3
3.2单片机最小系统------------------------------------------------8
3.3七段共阳极数码管---------------------------------------------9
4、硬件设计-----------------------------------------------------------------9
4.1键盘电路的设计-------------------------------------------------9
4.2显示电路的设计-----------------------------------------------11
5、软件设计------------------------------------------------------------12
5.1系统设计------------------------------------------------------12
5.2显示与按键设计---------------------------------------------14
6、系统调试.-------------------------------------------------------------22
6.1系统初始状态的调试------------------------------------------22
6.2键盘输入功能的调试------------------------------------------23
6.3系统运算功能的调试------------------------------------------25
7、心得体会----------------------------------------------------------------26
参考文献--------------------------------------------------------------------29
附录系统硬件电路图--------------------------------------------------29
-----------
1、摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
本设计是实现两位数的加减运算的简易计算器，实现键盘输入，由七段LED数码管输出；程序都是根据教材内和网络中的程序参考编写而成，在功能上还并不十分完善，限制也较多。
本设计重在设计构思，使得我们用专业知识、专业技能分析和解决问题，通过设计使得我们对所学知识彻底巩固。
2、设计任务和要求
本次课程设计，我选题是单片机十进制加法计算器软设计，设计任务为：
设计一键盘显示装置，键盘上除需定义10个十进制数字键外还要相应的功能键，其它键不定义无响应。
利用此系统可分别可输入十进制被加数与加数，实现两数相加并将结果以十进制形式显示出来。
（扩展:
多位10进制数相加）
本课程设计的十进制加法计算器的计算范围为0~255，计算结果全为整数，计算结果溢出结果不显示。
1、加法：
三位加法，计算结果超过255溢出不显示
2、减法：
三位减法，计算结果若小于零溢出不显示
3、乘法：
三位数乘法
4、除法：
整数除法
5、有清零功能
3、单片机简要原理
在该课程设计中，主要用到一个AT89C51芯片和串接的共阴数码管。
作为该设计的主要部分，下面将对它们的原理及功能做详细介绍和说明。
3.1AT89C51的介绍：
图一AT89C51外形结构和引脚分布图
芯片AT89C51的外形结构和引脚图如图一所示。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
其功能特性描述：
AT89C51单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，8位微控制器8K字节在系统可编程FlashROM。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，P0口被分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P1端口引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
P3口亦作为AT89C52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
P3端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
引脚使用说明：
I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器进行编程。
具体步骤如下：
l.根据实际电路的要求，选择要使用哪些I/O端口。
2.初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作。
3.根据外围电路功能，确定PO端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。
对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为PO的复位缺省值为输入。
4.用作输入的PO管脚，需上拉电阻。
5.最后对I/O端口进行输出（写数据输出寄存器）和输入（读端口）编程，完成对外围电路的相应功能。
3.2单片机最小系统
单片机最小系统就是支持主芯片正常工作的最小部分，包括主控芯片、复位电路和晶振电路。
（一）复位电路
图二复位电路
本设计采用上电与手动复位电路，电阻分别选取100和10K，电容选取10uF，系统一上电，芯片就复位，或者中途按按键也可以进行复位。
（二）晶振电路
图三晶振电路
晶振电路是单片机的心脏，它用于产生单片机工作所需要的时钟信号。
单片机的晶振选取11.0592MHz，晶振旁电容选取30pF。
3.3七段共阳极数码管
图四七段共阳数码管
图为七段共阳数码管的引脚图，从左到右数码管的段码分别为a,b,c,d,e,f,g和小数点dp，低电平时点亮，最右边为位选端。
4、硬件设计
简易数字计算器系统硬件设计主要包括：
键盘电路，显示电路以及其他辅助电路。
下面分别进行设计。
4.1键盘电路的设计
键盘可分为两类：
编码键盘和非编码键盘。
编码键盘是较多按键（20个以上）和专用驱动芯片的组合，当按下某个按键时，它能够处理按键抖动、连击等问题，直接输出按键的编码，无需系统软件干预。
通用计算机使用的标准键盘就是编码键盘。
当系统功能比较复杂，按键数量很多时，采用编码键盘可以简化软件设计。
但大多数智能仪器和电子产品的按键数目都不太多（20个以内），为了降低成本和简化电路通常采用非编码键盘。
非编码键盘的接口电路有设计者根据需要自行决定，按键信息通过接口软件来获取。
本课题需要的是16个按键，故选择用非编码键盘。
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五所示：
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。
具体电路连接如图五所示：
图五4*4键盘接口电路
4.2显示电路的设计
当系统需要显示少量数据时，采用LED数码管进行显示是一种经济实用的方法。
数码管显示有静态显示和动态显示两种方法。
为了减少端口的使用，故选择动态显示。
电路如下图六所示：
图六三位数码管的显示电路
5、软件设计
在十进制加法计算器的软件规划要求下，简易计算器的程序主要包括以下功能模块：
（1） 主模块，为系统的初始化。
（2） 显示与读键模块，分为判键程序段、运算操作子程序、显示子程序等部分；5.1系统设计
（一）系统模块图
图七系统模块图
此系统包括晶振电路、复位电路、LED显示电路、矩阵按键电路运算法则指示灯以及单片机。
其中通过输入键盘模块将数字0~9和运算符号“+”、“-”、“*”、“/”输入单片机进行运算；运算模块分别根据输入的运算符进行加减乘除运算；显示模块将运算后的数值通过动态扫描使之在数码管上输出。
（二）系统总流程图
主程序主要是用来进行初始化的，调用其他子程序，清空各个标志位，清空缓存区，读取键码，判断功能，在LED上作出回应，主程序流程图如图六所示。
（1）数字送显示缓冲程序设计
简易计算器所显示的数值最大位三位。
要显示数值，先判断数值大小和位数，如果是超过三位或大于255，将不显示数字。
可重新输入数字，再次计算。
（2）运算程序的设计
首先初始化参数，送LED三位显示“0”，其它位不显示。
然后扫描键盘看是否有键输入，若有，读取键码。
判断键码是数字键、清零键还是功能键，是数值键则送LED显示并保存数值，是清零键则做清零处理，是功能键则又判断是“=”还是运算键，若是“=”则计算最后结果并送LED显示，若是运算键则保存相对运算程序的首地址。
5.2显示与按键设计
（一）LED显示程序设计
LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也称为七段LED显示器。
为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。
七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。
简易计算器用到的数字0~9的共阳极字形代码如下表：
显示字型
g
f
e
d
c
b
a
段码
0
0
1
1
1
1
1
1
0c0h
1
0
0
0
0
1
1
0
0f9h
2
1
0
1
1
0
1
1
0a4h
3
1
0
0
1
1
1
1
0b0h
4
1
1
0
0
1
1
0
99h
5
1
1
0
1
1
0
1
92h
6
1
1
1
1
1
0
1
82h
7
0
0
0
0
1
1
1
0f8h
8
1
1
1
1
1
1
1
80h
9
1
1
0
1
1
1
1
90h
表一共阳极数码管段码对照表
（二）读键子程序设计
为了实现键盘的数据输入功能和命令处理功能，每个键都有其处理子程序，为此每个键都对应一个码——键码。
为了得到被按键的键码，现使用行扫描法识别按键。
其程序框图如图八：
读键程序使用的是反转法读键，不管键盘矩阵的规模大小，均进行两次读键。
第一次所有列线均输出低电平，从所有读入键盘信息（行信息）；第二次所有行线均输出低电平，从所有行线读入键盘信息（列信息）。
将两次读键信息进行组合就可以得到按键的特征编码，然后通过查表得到按键的顺序编码。
将各特征编码按希望的顺序排成一张表，然后用当前读得的特征码来查表。
当表中有该特征码时，它的位置就是对应的顺序编码；当表中没有该特征码时，说明这是一个没有定义的键码，与没有按键（0FFH）同等看待。
（三）流程图
图八计算键值子程序流程图
（四）源程序
RESULTEQU60H
RESULT1EQU61H
FUNCTIONKEYEQU62H
ORG00H
START:
MOVR3,#0
MOVFUNCTIONKEY,#0
MOV32H,#00H
MOV33H,#00H
MOV34H,#00H
MLOOP:
CALLDISP;调显示子程序
WAIT:
CALLTESTKEY;判断有无按键
JZWAIT
CALLGETKEY;读键
INCR3;按键个数
CJNEA,#0,NEXT1;判断是否数字键
LJMPE1;转数字键处理
NEXT1:
CJNEA,#1,NEXT2
LJMPE1
NEXT2:
CJNEA,#2,NEXT3
LJMPE1
NEXT3:
CJNEA,#3,NEXT4
LJMPE1
NEXT4:
CJNEA,#4,NEXT5
LJMPE1
NEXT5:
CJNEA,#5,NEXT6
LJMPE1
NEXT6:
CJNEA,#6,NEXT7
LJMPE1
NEXT7:
CJNEA,#7,NEXT8
LJMPE1
NEXT8:
CJNEA,#8,NEXT9
LJMPE1
NEXT9:
CJNEA,#9,NEXT10
LJMPE1
NEXT10:
CJNEA,#10,NEXT11;判断是否功能键
LJMPE2;转功能键处理
NEXT11:
CJNEA,#11,NEXT12
LJMPE2
NEXT12:
CJNEA,#12,NEXT13
LJMPE2
NEXT13:
CJNEA,#13,NEXT14
LJMPE2
NEXT14:
CJNEA,#14,NEXT15
LJMPE2
NEXT15:
LJMPE3;判断是否清除键
E1:
CJNER3,#1,N1;判断第几次按键
LJMPE11;为第一个数字
N1:
CJNER3,#2,N2
LJMPE12;为第二个数字
N2:
CJNER3,#3,N3
LJMPE13;为第三个数字
N3:
LJMPE3;第四个数字转溢出
E11:
MOVR4,A;输入值暂存R4
MOV34H,A;输入值送显示缓存
MOV33H,#00H
MOV32H,#00H
LJMPMLOOP;等待再次输入
E12:
MOVR7,A;个位数暂存R7
MOVB,#10
MOVA,R4
MULAB;十位数
ADDA,R7
MOVR4,A;输入值存R4
MOV32H,#00H;输入值送显示缓存
MOV33H,34H
MOV34H,R7
LJMPMLOOP
E13:
MOVR7,A
MOVB,#10
MOVA,R4
MULAB
JBOV,E3;输入溢出
ADDA,R7
JBCY,E3;输入溢出
MOVR4,A
MOV32H,33H;输入值送显示缓存
MOV33H,34H
MOV34H,R7
LJMPMLOOP
E3:
MOVR3
升级会员 