1、精選優質文檔-傾情為你奉上贛南師范大學基于C51單片機的簡易計算器學 院： 物理與電子信息學院 專 業： 電子信息工程 班 級： 學 名： 學 號： 指 導 教 師： 日 期： 34 4 1 3 4 51718191.緒論 中國古代最早采用的一種計算工具叫籌策，又被叫做算籌。這種算籌多是用竹子制成，也有用木頭，獸骨充當材料的。大約二百七十枚一束，放在布袋里可以隨身攜帶。 直到今天仍在使用的盤，是中國古代計算工具領域中的另一項發明，明代時期的珠已經與現代的珠算盤幾乎沒有差別。 17世紀初，西方國家的計算工具已經有了較大的發展，英國數學家納皮爾發明的"納皮爾算籌"，英國牧師奧卻

2、德發明了圓柱型對數計算尺，這種計算尺不僅能做加減乘除、乘方、開方運算，甚至可以計算三角函數，指數函數和對數函數，這些計算工具不僅帶動了計算器的快速發展，也為實現現代計算器發展奠定了良好的基礎，成為現代社會應用廣泛的計算工具。 1642年，年僅19歲的法國偉大科學家引用算盤的原理，發明了世界上第一部機械式計算器，在他的計算器中有一些互相聯鎖的齒輪，一個轉過十位的齒輪會使另一個齒輪轉過一位，人們可以像撥電話號碼盤那樣，把數字撥進去，計算結果就會出現在另外一個窗口中，但是只能做加減計算。1694年，萊布尼茲在德國將其改進成可以進行乘除的計算。此后，一直要到20世紀50年代末才有了電子計算器的出現。2

3、. 軟件設計方案2.1 設計目標和實現方法為了滿足簡易計算器的基本要求，可以進行基本的運算（加減乘除），數據歸零和出錯警告提示，我們采用基于51單片機設計計算器，并用七段共陰級LED 數碼管顯示數據，4*4的矩陣鍵盤實現數據的輸入。2.2 整體方案論述 根據簡單計算器的功能和本方案中的設計指標要求，本系統選用了MCS 51 單片機為主控機。通過擴展必要的外圍接口電路，實現對簡單計算器的設計。具體設計考慮如下：由于要設計的是簡單的計算器，可以進行基本的四則運算，對數字的大小范圍要求不高，故我們采用可以進行四位數字的運算，選用8 個LED 數碼管顯示數據和運算結果。另外鍵盤包括數字鍵（09）、符號

4、鍵（+、-、×、÷）、清除鍵和等號鍵，故只需要16 個按鍵即可。系統模塊圖： 圖2-1 系統模塊圖 3. 系統硬件的設計3.1 復位電路的設計 上電復位的原理：VCC上電時，C充電，在10K電阻上出現了電壓，使單片機復位；幾個毫秒后，C充滿，10K電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態。 手動復位的原理：工作期間，按下S，C放電。S松手，C又充電，在10K電阻上出現電壓，使得單片機復位。幾個毫秒后，單片機進入工作狀態。 如SW復位鍵按下時：RST經1k電阻接VCC，獲得10k電阻上所分得電壓，形成高電平，進入“復位狀態”。 當SW復位鍵斷開時：RST經10k電

5、阻接地，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為低電平，開始正常工作 。對于成熟產品，從降低成本角度，可以使用上電復位。另外，作為產品，最好使用上電復位。因為使用者通常沒有專業知識，就知道斷電通電，對他們來說，按鍵復位成了擺設。按鍵復位比較適合樣品制作或者實驗室調試場合，上電復位電路成本也低一些。 綜上所述我們在本方案中選用了上電自動復位電路。上位自動復位電路圖和手動復位電路圖如下圖 兩種復位方式 如圖31：3.2 時鐘振蕩電路的設計 能夠產生的電路叫做振蕩電路。一般由電阻、等元件和電子器件所組成。由電感線圈l和c相連而成的lc電路是最簡單的一種振蕩電路，其固有為f=sx(12lc。 &#

6、167; 一種不用外加激勵就能自行產生交流信號輸出的電路。它在領域中得到廣泛地應用，如通信系統中發射機的載波振蕩器、接收機中的本機振蕩器、醫療儀器以及測量儀器中的信號源等。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用此振動器。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。使用片內振蕩器，可以節省IO引腳，減少成本，但是內

7、部振蕩器使用阻容震蕩，導致它的精度不高，如果使用了串口、或者PWM等對時鐘比較敏感的功能，最好還是使用外部晶體振蕩。在本方案中我們選擇了內部時鐘方式，如下圖： 兩種時鐘方式 如圖32：3.3 輸入電路的設計每一個按鍵都有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信。鍵盤的一端（列線）通過電阻接VCC，而接地是通過程序輸出數字“0”實現的。鍵盤處理程序的任務是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么？還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態接地；另一個并行口輸入按鍵狀態，由行掃描值和回饋信號

8、共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能。當無按鍵閉合時，P10P13 與P14P17 之間開路；當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O 口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線P14P17 為輸入狀態，從行線P10P13 輸出低電平，讀入列線數據，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線P14P17 讀入數據，若有某一列為低電平，則對應行線上表示有鍵按下。綜合一二兩步的結果，可以確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續多次進行同樣的鍵操作。鍵盤是單片機系

9、統中常用的人機對話輸入設備，用戶通過鍵盤向單片機輸入數據或者指令。鍵盤控制程序需要完成的任務有：監測是否有鍵按下，有鍵按下時，在無硬件去抖的動電路時，應用軟件延時方法消除按鍵抖動影響；當有多個鍵同時按下時，只處理一個按鍵，不管一次按鍵持續多長時間，僅執行一次按鍵功能程序。矩陣按鍵掃描程序是一種節省IO口的方法,按鍵數目越多節省IO口就越可觀，思路：先判斷某一列（行）是否有按鍵按下，再判斷該行（列）是那一只鍵按下。但是，在程序的寫法上，采用了最簡單的方法，使得程序的效率最高。本程序中，如果檢測到了某個鍵按下了，就不再檢測其它的按鍵，這完全能滿足絕大多數需要，又能節省大量的CPU時間。本鍵盤掃描程

10、序的優點在于：不使用專門的按鍵延時程序，提高了CPU效率，也不用中斷來掃描鍵盤，節省了硬件資源。另外，本鍵盤掃描程序，每次掃描占用CPU時最短，不論有鍵按下或者無鍵按下都可以在很短的時間完成一次掃描。本鍵盤掃描子程序名叫key，每次要掃描時用lcall key調用即可。鍵盤可分為兩類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是較多按鍵（20個以上）和專用驅動芯片的組合，當按下某個鍵時，它能夠處理按鍵抖動、連擊等問題，直接輸出按鍵的編碼，無需系統軟件干預。通用PC機使用的標準鍵盤就是編碼鍵盤。在智能儀器中，使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以組成編碼鍵盤，同時還可以兼顧數碼管的顯示驅動

11、，其相關的接口電路和接口軟件均可以在相關資料中得到。當系統功能比較復雜，案件數量很多時，采用編碼鍵盤可以簡化軟件設計。但大多數智能儀器和電子產品的按鍵數目都不很多（20個以內），為了降低成本和簡化電路通常采用非編碼鍵盤。非編碼鍵盤的電路由設計者根據需要自己決定，按鍵信息通過接口軟件來獲取。本課題需要16個按鍵，故選擇非編碼鍵盤，為了減少所占用的端口，由P1口采用4*4矩陣式鍵盤。 圖3-3 鍵盤樣式 3.4 輸出電路設計 數碼管按段數分為七段數碼管和八段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發光二極管單元（多一個小數點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數碼管；按發光二極管單元

12、連接方式分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。共陽級數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管。共陽級數碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，對應的字段就不亮。共陰數碼管是指將所有發光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼管。共陰數碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，對應的字段就不亮。LED顯示器由七段發光二極管組成，排列成8字形狀，因此也成為七段LED顯示器，器排列形狀如下圖所示： 圖3

13、-4 LED段碼為了顯示數字或符號，要為LED顯示器提供代碼，即字形代碼。七段發光二極管，再加上一個小數點位，共計8段，因此提供的字形代碼的長度正好是一個字節。簡易計算器用到的數字09的共陰極字形代碼如下表3-1所示：顯示字型gfedcBa段碼001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fh表3-5 09七段數碼管共陰級字形代碼由于數值單元存放的是二進制數，而我們大家熟悉的是十進制數，所以應將數值單元中的二進制數字轉換為十進

14、制數字，即BCD碼。要通過數碼管顯示出當前的數值，還必須將BCD碼進一步轉換為七段碼，轉換的最終結果數據存放于顯示緩沖區30H-33H單元中，其中30H單元存放數值的個位七段碼，31H單元存放數值的十位七段碼，32H單元存放數值的百位七段碼，33H單元存放數值的千位七段碼。本方案設計中由P1口輸出字形碼，P0口輸出字位碼。先將存放于30H單元的數值個位七段碼由P1口輸出，同時P0口輸出使數值個位顯示數碼管點亮的字位碼。由于采用的是共陰數碼管，所以只有該位數碼管對應的P0.0為1，其他位P0.1-P0.3位0，點亮延時10MS。然后P1口輸出數值十位七段碼，P0.1位1，數值十位數碼管點亮，延時

15、10MS。接著P1口輸出數值百位七段碼，P0.2為1，數值百位數碼管點亮，延時10MS。最后P1口輸出數值千位七段碼，P0.3為1，數值千位數碼管點亮，延時10MS。發光二極管LED 是單片機應用系統中的一種簡單而最常用的輸出設備，其在系統中的主要作用是顯示單片機的輸出數據、狀態等。因而作為典型的外圍器件，LED 顯示單元是反映系統輸出和操作輸入的有效元器件。LED 具備數字接口可以方便的和單片機引腳連接；它的優點是價格低，壽命長，對電壓電流的要求低以及容易實現多路等，因而在單片機應用系統中獲得了廣泛的應用，所以在此設計中我首先選用了LED作為顯示器件。如圖3-10所示：圖3-6 數碼顯示管4

16、. 程序設計本方案中的程序設計采用了模塊化設計，各部分程序都分別進行獨立的設計，最后主程序通過調用各模塊程序來運行，編程中所使用的語言全部都是C語言，可以利用keil軟件進行靈活的編譯，編譯完成后也可生成HEX文件，利用ISP編程軟件通過串口寫到單片機中。本方案程序設計中部分包括主程序模塊、液晶顯示模塊、功能按鍵和控制輸出等部分。下面僅僅敘述了各部分程序設計的基本思想和流程圖，詳細程序請參閱附錄。4.1 讀鍵輸入程序流程圖為了實現鍵盤的數據輸入功能和命令處理功能，每個鍵都有其處理子程序，為此每個鍵都對應一個碼鍵碼。為了得到被按鍵的鍵碼，現使用行掃描法識別按鍵。列掃描信號進行讀入行的信號判斷該列

17、是否有列的輸出是則進行按照行列計算鍵盤的值，查表取得鍵碼并返回若否則進行再次掃描。程序框圖如下41圖：開始初始化地址讀入行掃描信號輸出列掃描信號等待按鍵釋放該列有信號？四列掃描完？返回根據行列計算鍵值返回列掃描信號位移查表得鍵碼是否是否 鍵盤輸入流程圖41 4.2 LED顯示程序流程圖設計LED數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們需要的數位，因此根據LED數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。 A、 靜態顯示驅動： 靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O埠進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進位*器*進行驅動

18、。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O埠多，如驅動5個數碼管靜態顯示則需要5×8=40根I/O埠來驅動，要知道一個89S51單片機可用的I/O埠才32個呢。故實際應用時必須增加*驅動器進行驅動，增加了硬體電路的復雜性。 B、 動態顯示驅動： 數碼管動態顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數碼管

19、會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位元就會顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。 透過分時輪流控制各個LED數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位元數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示資料，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O埠，而且功耗更低。綜上所述我們在本設計方案中選用了動態顯示。 6位LED顯示的程序框圖如圖4-2所示：

20、圖4-2 LED顯示流程圖4.3主程序設計主程序進行程序中用到的一些存儲單元的初始化，數值顯示和4*4鍵盤掃描。首先，進行存儲單元初始化，給數碼管顯示單元30H-33H賦予“0000”字形數據，將數值計數單元，存儲單元，23H-25H,34H-37H,38H,39H,3AH,3BH,3CH,賦予初值零。之后，調用鍵盤掃描子程序，和數碼管顯示數據轉換程序，數碼管動態顯示子程序。主程序不斷進行鍵盤掃描，數碼管顯示數據轉換子程序和動態顯示子程序。 首先初始化參數，送LED低位顯示“0”，功能鍵（“+” 、“-” 、“*” 、“/” 、 “+” ）位不顯示。然后掃描鍵盤看是否有鍵輸入，若有，讀取鍵碼。

21、判斷鍵碼是數字鍵、清零鍵還是“+” 、“” 、“*” “/” ，是數值鍵則送LED顯示并保存數值，是清零鍵則做清零處理，是功能鍵則又判斷是“=”還是運算鍵，若是“=”則計算最后結果并送LED顯示，若是運算鍵則保存相對運算程序的首地址。運算主程序框圖如4-3所示：圖4-3 運算主程序框圖4.4仿真與調試在程序設計方法上，模塊化程序設計是單片機應用中最常用的程序設計方法。設計的中心思想是把一個復雜應用程序按整體功能劃分成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以進行單獨的設計、編程和調試，然后組合起來。這種方法便于設計和調試，容易實現多個程序共存，但各個模塊之間的連接有一定的難度。根據需要我們可以采取自上

22、而下的程序設計方法，此方法先從主程序開始設計，然后再編制各從屬程序和子程序，層層細化逐步完成，最終完成一個復雜程序的設計。這種方法比較符合人們的日常思維，缺點是一級的程序錯誤會對整個程序產生影響。功能和操作：加減乘除運算和顯示。A：上電后，屏幕初始化，按下“ON/C”鍵。B: 計算。按下數字鍵，屏幕顯示要運算的第一個數字，再按下符號鍵，然后再按下數字鍵，屏幕顯示要運算的第二個數字，最后按下“”號鍵，屏幕上顯示出計算結果。C:如果要再次計算，可以按下“ON/C”鍵清零，或者按下單片機的復位鍵，重新初始化。硬件聯系圖如下圖： 硬件連線圖4.45 結論課程設計是培養學生運用所學的專業知識，發現，提出

23、，分析和解決實際問題，鍛煉實際動手能力的重要環節，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察，隨著科學技術日新月異的發展，單片機已經成為當今計算機應用中空前活躍的領域，在生活中可以說遍布我們生活之中。這次設計進一步端正了我的學習態度，學會了實事求是，嚴謹的作風，對自己要嚴格要求。急于求成是不好的，通過此次畢業設計我深有體會。如果省略了那些必要的步驟，急于求成，不僅會浪費時間，還會適得其反。我覺得動手之前，應該有清楚的步驟，這一步是很重要的。就目前來說，我的動手能力雖然還有差距，但我知道，通過我的不懈努力，在動手方面，我會得到提高。這一點，我堅信。在此次的課程設計中我最大的體會就是進一步認識到了理論聯

24、系實踐的重要性。一份耕耘，一份收獲。通過這段時間的設計，讓我明白科學的思維方法和學習方法是多么重要，只有這樣才能夠有很高的效率，才能夠讓自己的工作更完美。總而言之，此次畢業設計讓我學到了好多平時在課堂上學不到的東西，增加了我的知識運用能力，增強我的實際操作能力。謝謝老師給我們提供這么好的機會，為我們之后走向社會奠定了一個好的基礎。在我做課程設計的整個過程中，無論是在設計的選題、構思和資料的收集方面，還是在設計的研究方法以及成文定稿方面，或是在論文的寫作過程中，都得到了許多同學的寶貴建議，在此一并致以誠摯的謝意。感謝所有關心、支持、幫助過我的同學。6 元件清單元件數量單價（元）12M晶振 11S

25、TC89C52芯片14輕觸按鍵200.1排阻10.5四位一體公陰數碼管21.5電阻若干0.5杜邦線400.1排針400.1電容若干0.5總計19.5 附錄1 簡易計算器源程序#include <reg52.H>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define duan P0/數碼管顯示段選定義#define wei P2/數碼管顯示位選定義#define key P3/鍵盤接口定義sbit OFF = P10;/關機鍵定義unsigned long int shu1,shu2;/進行運算的兩個變量數uchar n

26、um;/鍵盤掃描返回值char flag1,flag_shu,flag_fuhao,fuhao,newkey;/flag1開機標志newkey新按鍵標志，fuhao運算符char key_shu;/按鍵值unsigned char code Wela=0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe;/六位數碼管的位選unsigned char code Duan=0x3f,0x06,0x5b,/ 0 1 20x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; /3 4 5 6 7 8 9 無顯示共陰極數碼管uchar keyscan();/鍵盤掃描函數v

27、oid display(unsigned long int );/數碼管顯示函數void delay(uint i)/延時函數while(i-);/* 主函數*/void main()flag1=0;/標志關機while(1)if(keyscan()=15)/開機檢測flag1=1;/標志開機shu1=shu2=fuhao=flag_shu=newkey=0;/初始化變量while(flag1)if(!flag_fuhao)display(shu1);else display(shu2);key_shu=keyscan();if(newkey=1)/有新鍵值if(key_shu=15)/按下O

28、N/C鍵，清零flag_fuhao=0;shu1=shu2=fuhao=flag_shu=newkey=0;else if(key_shu=14&&flag_shu=1&&fuhao)/按下"="switch(fuhao)case 10:shu1=shu2+shu1;break;case 11:shu1=shu2-shu1;break;case 12:shu1=shu2*shu1;break;case 13:shu1=shu2/shu1;break;fuhao=0;flag_fuhao=0; else if(key_shu>=0)&am

29、p;&(key_shu<=9)/按下數字鍵flag_fuhao=0;if(shu1<)shu1=key_shu+shu1*10;flag_shu=1;else if(key_shu>=10)&&(key_shu<=13)/按下運算符flag_fuhao=1;if(flag_shu=1)if(fuhao=0)shu2=shu1;shu1=0;fuhao=key_shu;flag_shu=2;else switch(fuhao)case 10:shu2=shu2+shu1;break;case 11:shu2=shu2-shu1;break;case

30、 12:shu2=shu2*shu1;break;case 13:shu2=shu2/shu1;break;shu1=0;fuhao=key_shu;else if(flag_shu=2)fuhao=key_shu;newkey=0;/鍵盤掃描/uchar keyscan()/1key=0xfe;if(key!=0xfe)delay(500);if(key!=0xfe)switch(key)case 0xee:num=7;break;case 0xde:num=8;break;case 0xbe:num=9;break;case 0x7e:num=13;break;/"/"

31、newkey=1;delay(500);while(key!=0xfe)if(flag1)if(!shu1&&num>=0&&num<=9)display(num);elsedisplay(shu1);return num;/1/2key=0xfd;if(key!=0xfd)delay(500);if(key!=0xfd)switch(key)case 0xed:num=4;break;case 0xdd:num=5;break;case 0xbd:num=6;break;case 0x7d:num=12;break;/*newkey=1;delay(500);while(key!=0xfd)if(flag1)if(!shu1&&num>=0&&num<=9)display(num);elsedisplay(shu1);return num;/2/3key=0xfb;if(key!=0xfb)delay(500);if(key!=0xfb)switch(key)case