智能仪器简易计算器设计报告VIP

- 1 -智能仪器课程设计报告题 目 简易计算器设计院 系 机械与电子工程学院专业班级姓 名学 号指 导 老 师2015 年 1 月 13 日- 1 -概 要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，本文将介绍一种用单片机设计的简单计算器。这个计算器除了会加减乘除的运算功能以外，还具有连续运算的功能。本文首先简单描述了硬件系统的工作原理，且附以硬件系统的设计框图，论述了本次课程设计所应用的硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程, 并具体描述了外接电路接口的软、硬件调试。其次阐述了程序的流程和实现过程。本次课程设计就是以 C51 来进行软件设计，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。使硬件在软件的控制下协调运作。本文撰写的主导思想是软、硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。关键词： 计算器，单片机，AT89C51，汇编语言，模块化- 2 -目 录概 要-1第 1 章 课程设计选题及设计要求-31.1 课程设计选题-31.2 课题设计要求-3第 2 章 方案选择-42.1 单片机芯片的选择方案-42.2 显示模块选择方案-42.3 电路设计最终方案-4第三章 硬件电路设计-53.1 硬件电路设计图-53.2 主要单元电路介绍-63.2.1 单片机最小系统-63.2.2 键盘控制电路-73.2.3 LCD 显示电路-9第四章 软件编程设计-134.1 流程图-134.2 设计思路分析-144.3 源程序-15第 5 章 调试程序-275.1 调试结果分析-275.2 存在的问题及解决方法-28 设计 总结及体会-30参考文献-31- 3 -第 1 章 课程设计选题与功能要求1.1 课程设计选题：此次课程设计包含九个课题，存在几个比较难得课题但大部分还是算比较简单的，像简易数字示波器就比较有难度，因为涉及的模块比较多，像 AD 采集转换、LCD12864，而且自己对 LCD12864 不是很熟悉，在一个礼拜的课程设计的时间里很难熟练地掌握和应用，故没有选择；课题中相对来说也存在几个简单的课题，像灯光控制器，交通灯，因为自己先前做过类似的实验，所以没有选择。在考虑课题难度及时间的情况下，再综合自己的实践能力，我就选择难度不是很大的“简易计算器设计”这一个课题。一是因为自己对这个课题感兴趣，而且经常在学习中使用；二是自己对这个课题有一定的理论基础和完成这个课题的构思，所以就定下了这课题。1.2 课题设计要求1.能进行多字节的整数的单独运算，结果用十进制的数字显示；2.尝试编写连加、连减的运算程序并进行演示；3.尝试编写混合的运算程序并进行演示；4.尝试编写实数的连加、连减运算程序。- 4 -第二章 方案选择2.1 单片机芯片的选择：方案一: 采用 89C51 芯片作为硬件核心，采用 Flash ROM，内部具有 4KB ROM 存储空间,能于 3V的超低压工作。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能、CMOS、8 位单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容。2.2 显示模块的选择：方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以不用此种作为显示.方案二：采用 LED 数码管动态扫描,虽然 LED 数码管价格适中,但要显示多个数字所需要的个数偏多，功耗较大，所以也不用此种作为显示。方案三：采用 LCD 液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,与普通数码管相比功耗较小，硬件连接简单。所以显示部分采用 1602 液晶。2.3 电路设计最终方案：综上各方案所述,对本次设计的方案选定为: 1.采用 AT89C51 作为主控制系统； 2.4X4 矩阵键盘和独立键盘作为输入模块；3.1602 液晶作为显示模块。- 5 -第三章 硬件电路设计3.1 总体框图设计1本设计里用到的单片机芯片是 AT89C51 芯片，除此之外还包括：晶振电路和复位电路构成单片机最小应用系统；24x4 矩阵键盘；3LCD 显示电路。总体设计框图- 6 -3.2 主要单元电路3.2.1 TC89C52RC 单片机介绍STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单 片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周 期可以任意选择。 主要特性如下： 1. 增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051. 2. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机） 3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工 作频率可达 48MHz 4. 用户应用程序空间为 8K 字节 5. 片上集成 512 字节 RAM 6. 通用 I/O 口 （32 个） 复位后为： ， P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片8. 具有 EEPROM 功能 9. 具有看门狗功能 10. 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T211. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 12. 通用异步串行口（UART） ，还可用定时器软件实现多个 UART 13. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级） 14. PDIP 封装 STC89C52RC 单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原 程序空闲模式：典型功耗 2mA 典型功耗 正常工作模式：典型功耗 4Ma7mA 典型功耗 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备 STC89C52RC 引脚功能说明VCC（40 引脚）：电源电压 VS S（20 引脚）：接地 P0 端口（P0.0 P0.7 P0.7，3932 引脚） ：P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I/O 口。作为输出端口，每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入 每个引脚能驱动 写入“1”时，可 以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时 在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位 地址和 8 位数据的复用总线 位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编 在 程时，P0 端口接收指令字节 端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节 则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1 端口（P1.0P1.7，18 引脚） ：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端 口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电 流（ ） 。 此外，P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器/计数器 2 的外部技术输入（P1.0/T2） 和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体参见下表：- 7 -在对 Flash ROM 编程和程序校验时，P1 接收低 8 位地址。表 XX P1.0 和 P1.1 引脚复用功能 P2 端口（P2.0P2.7，2128 引脚） ：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双 向 I/O 端口。P2 的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。 对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。 P2 作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会 输出一个电流（I） 。 在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如 执行“MOVX R1”指令）时，P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区 中的 P2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不会改变。在对 Flash ROM 编程和程序校验期间， P2 也接收高位地址和一些控制信号。P3 端口（P3.0P3.7，1017 引脚） ： P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。P3 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端 口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3 做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一 个电流（ ） 。在对 Flash ROM 编程或程序校验时，P3 还接收一些控制信号。P3 口除作为一般 I/O 口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：表 XX P3 口引脚复用功能 复用功能RST（9 引脚） ：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效， 用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功 能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE/ ROG （30 引脚） 地址锁存控制信号 ： （ALE） 是访问外部程序存储器时， 锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 Flash 编程时，此引脚（ ROG）也用作编程输入 脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部 定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲 将会跳过。如果需要，通过将地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1” ，ALE 操作将无效。这 一位置“1” ，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOV 指令时有效。否则， ALE 将被微弱拉 高。这个 ALE 使能标志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于 外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（ SEN）是外部程序存储器选 SEN（29 引脚）通信号。当 AT89C51RC 从外部程序存储器执行外部代码时， SEN 在每个机器周 期被激活两次，而访问外部数据存储器时， SEN 将不被激活。 A/VPP （31 引脚） 访问外部程序存储器控制信号。 ： 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令， A 必须接 GND。注意加密方式 1 时， A 将内部锁 定位 RESET。为了执行内部程序指令， A 应该接 VCC。在 Flash 编程期间， A 也 接收 12 伏 VPP 电压。 XTAL1（19 引脚） ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2（18 引脚） ：振荡器反相放大器的输入端。3.2.2 4X4 键盘控制电路矩阵式键盘的结构与工作原理：在键盘中的按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图2.5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，只- 8 -需要单片机的一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键） 。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘比较是合理的。由于本系统按键较多，在这里采用矩阵式4*4键盘，这样可以合理应用硬件资源，用一个8位I/O口控制, 如图2.5所示：图 2.5 按键电路矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，图2.5中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。一旦有键按下，则输入线就会被拉低，行线输出是低电平。这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如2.3.2所述。矩阵式键盘的工作方法：为了确定矩阵式键盘上何键被按下，我们采用一种“扫描法” 。扫描法 ：扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。以图2.5所示键盘电路为例，介绍过程如下：1.判断键盘中有无键按下 将全部行线X0-X3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2.判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它行线为高电平。在确定某根行线为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。如图2.5所示。AT89C51单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的