用8051单片机、数码管显示器、控制按键为元件来设计的计算器.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除摘 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，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬件结合，来加以完善。计算机在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一。可是它还在发展之中，以后必将出现功能更加强大的计算机，基于这样的理念，本次设计是用8051单片机、数码管显示器、控制按键为元件来设计的计算器。利用此设计熟悉单片机微控制器及汇编语言编程，对其片资源及各个I/O端口的功能和基本用途的了解。关键字：8051 数码管 控制按键 汇编语言目 录摘 要1第一章 绪论21.1 课题简介31.2 设计目的31.3 设计任务3第二章 课题背景42.1 单片机发展现状42.2 计算器系统现状52.3 矩阵按键6第三章 硬件系统设置73.1硬件电路原理图73.2 键盘接口电路73.3 数码管显示8第四章 软件设计94.1算术运算流程图设计94.2 源程序设计10第五章 系统调试与存在的问题155.1 硬件调试155.2 软件调试15总 结16参考文献17附 录18附录一：计算器硬件连线图18第一章 绪论1.1 课题简介当今社会，随着人们物质生活的不断提高，电子产品已经走进了家家户户，无论是生活或学习，还是娱乐和消遣几乎样样都离不开电子产品，大型复杂的计算能力是人脑所不能胜任的，而且比较容易出错。计算器作为一种快速通用的计算工具方便了用户的使用。计算器可谓是我们最亲密的电子伙伴之一。本设计着重在于分析计算器软件和开发过程中的环节和步骤，并从实践经验出发对计算器设计做了详细的分析和研究。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产中。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。本系统就是充分利用了8051芯片的I/O引脚。系统以采用MCS-51系列单片机Intel8051为中心器件来设计计算器控制器，实现了能根据实际输入值显示并存储的功能，计算程序则是参照教材。1.2 设计目的通过本次课题设计，应用单片机原理应用技术、计算机应用基础等所学相关知识及查阅资料，完成简易计算器的设计， 以达到理论与实践更好的结合、进一步提高综合运用所学知识和设计的能力的目的。通过本次设计的训练，可以使我在基本思路和基本方法上对基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。1.3 设计任务 在本次课程设计中，主要完成如下方面的设计任务：1、简要阐述单片机技术发展的国内外现状及数码管、LED动态显示和矩阵键盘基本原理；2、掌握MCS-51系列某种产品（例如8051）的最小电路及外围扩展电路的设计方法；3、了解单片机数据转换功能及工作过程；4、完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定；5、用proteus软件完成原理电路图的绘制； 第二章 课题背景2.1 单片机发展现状单片机的发展趋势：低功耗CMOS化；微型单片化；主流与多品种共存；单片机从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展历程，可以发现单片机的发展趋势大致有：1、低功耗CMOS化MCS-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗的要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定了其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期内单片机发展的主要途径。2、微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)，有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就更强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 3、主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍是以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。因此以80C51为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，以其价低质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种形势将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。2.2 计算器系统现状计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设备及电子配件通过人工或机器设备组成。低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电路实现简单的串行运算，其随机存储器只有一、二个单元，供累加存储用。高档计算器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序，有较多的随机存储单元以存放输入程序和数据。键盘是计算器的输入部件，一般采用接触式或传感式。为减小计算器的尺寸，一键常常有多种功能。显示器是计算器的输出部件，有发光二极管显示器和液晶显示器等。除显示计算结果外，还常有溢出指示、错误指示等。计算器电源采用交流转换器或电池，电池可用交流转换器或太阳能转换器再充电。为节省电能，计算器都采用CMOS工艺制作的大规模集成电路（见互补金属-氧化物-半导体集成电路），并在内部装有定时不操作自动断电电路。计算器可选用的外围设备有微型打印机、盒式磁带机和磁卡机等。本次的设计是利用单片机设计简单的计算器，本设计利用单片机的I/O接口设计24键盘，8个键依次对应03、“+”、“-”、“=”和清除键。通过检测不同数字键、功能键的按下，可以进行小于255的数的加减乘除运算，并可连续运算。当键入值大于255时，将自动清零，可以重新输入。对应每一个数字键按下的同时，LED显示按下键的值，并显示最后的运算结果。2.3 矩阵按键键盘是单片机系统中最常用的人机对话输入设备，用户通过键盘向单片机输入数据或指令。键盘控制程序需完成的任务有：监测是否有键按下，有键按下时，若无硬件去抖动电路时，应用软件延时方法消除按键抖动影响；当有多个键同时按下时，只处理一个按键，不管一次按键持续多长时间，仅执行一次按键功能程序。矩阵按键扫描程序是一种节省I/O口的方法,按键数目越多节省I/O口就越可观，思路：先判断某一列（行）是否有按键按下，再判断该行（列）是哪一只键按下。但是，在程序的写法上，采用了最简单的方法，使得程序效率最高。本程序中，如果检测到某键按下了，就不再检测其它的按键，这完全能满足绝大多数需要，又能节省大量的CPU时间。 第三章 硬件系统设置3.1硬件电路原理图 硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。本设计选用以AT89S51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。 硬件电路原理图如图3.1所示：图3.1 硬件电路原理图3.2 键盘接口电路计算机输入数字和其他功能按键时要用到很多按键，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样的方式，而是采用矩阵键盘的方式。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。这样键盘上按键的数量就为4*4个。这样行列式键盘结构能有效的提高单片机系统中I/O口的利用率。3.3 数码管显示在本任务中用4位数码管显示当前数值的千，百，十，个，由于数码管个数多，如采用静态显示方式，则占用单片机的I/O口线太多，如果用定时器/计数器的串行移位寄存器工作方式及外接串入并出移位寄存器74LS164的方式，则电路复杂。所以，在数码管个数较多时，常采用动态显示方式。如图所示为单片机应用系统中的一种数码管动态显示电路图，4位数码管的相同段并联在一起，由一个8位I/O（P1口）输出字形码控制显示某一字形，每个数码管的公共端由另外一个I/O口（P0口)输出的字位码控制，即数码管显示的字形是由单片机I/O口输出的字形码确定，而哪个数码管点亮是由单片机I/O口输出的字位码确定的。4个数码管分时轮流循环点亮，在同一时刻只有1个数码管点亮，但由于数码管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留特性，所以适当地选取循环扫描频率，看上去所有数码管是同时点亮的，察觉不出闪烁现象。动态显示方式所接数码管不能太多，否则会因每个数码管所分配的实际导通时间太少，使得数码管的亮度不足。在本任务中，为了简便，字形码和字位码都没由加驱动电路，在实际应用中应加驱动电路。数码管有共阴极和共阳极两种，对于共阳数码管，字形驱动输出0有效，字位驱动输出1有效；而对于共阴数码管则相反，即：字形驱动输出1有效，字位驱动输出0有效。3.4 运算模块 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等计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由以下功能部件组成，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。第四章 软件设计4.1算术运算流程图设计算术运算程序的过程为：先判断输入的运算符是+、-、*、/ 中的哪一个，若是+或-，则要判断运算结果是否溢出，溢出则显示错误信息，没溢出就显示运算结果，若是/，则要先判断除数是否为零，为零就显示错误信息，不为零则显示运算结果，若是-，则直接显示运算结果。其流程图如图4.1所示。开始运算符是？加乘减除运算结溢出？除数为0？错误信息送显示 缓冲数值送显示缓冲YYNN图4.1 算术运算程序设计流程图4.2 源程序设计DISPBUF EQU 30H ;显示数据存储位置 ORG 0000H ;主程序的入口地址 START:MOV DISPBUF,#0C0H ;4个数码管显示0000字形数据 MOV DISPBUF+1,#0C0H MOV DISPBUF+2,#0C0H MOV DISPBUF+3,#0C0H MOV 37H,#00H ;数值初始化 MOV 27H,#00H MOV 26H,#00H MOV 25H,#00H MOV 24H,#00H MOV 23H,#00H MOV R3,#00H MOV R5,#00H MOV R4,#00HLOOP: LCALL KEY ;调用键盘扫描子程序 MOV R6,27H CJNE R6,#00H,START ;清除键判断 MOV R6,26H CJNE R6,#00H,FA ;显示数据转换子程序选择 LCALL CONV ;调用数码管显示数据转换子程序FA: LCALL DISPSCAN ;调用数码管动态显示子程序 SJMP LOOPKEY: MOV P2,#0FH ;键盘扫描子程序 ;低4位送1 MOV A,P2 ;行输入 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,K10 ;有按下跳转 RETK10: JB P2.0,K20 ;第一列K11: MOV P2,#0EFH ;一行一列 JB P2.0,K12 CJNE R5,#00H,L1 MOV R4,#00H INC R5 MOV R3,#1HL1: LJMP CENDK12: MOV P2,#0DFH JB P2.0,K13 CJNE R5,#00H,L2 MOV R4,#00H INC R5 MOV R3,#2HL2: LJMP CENDKIL: LJMP KENDL4: LJMP CENDK20: JB P2.1,K30 ;第二列K21: MOV P2,#0EFHJB P2.1,K22LJMP DYUK22: MOV P2,#0DFHJB P2.1,K23MOV 25H,#3HLJMP OPRCCTV:LJMP KENDK30: JB P2.2,K40 ;第三列K31: MOV P2,#0EFHJB P2.2,K32MOV 25H,#0HLJMP OPRK32: MOV P2,#0DFHJB P2.2,K33MOV 25H,#2HLJMP OPRK40: JB P2.3,KEND ;第四列K41: MOV P2,#0EFHJB P2.3,K42INC 27HLJMP KENDK42: MOV P2,#0DFHJB P2.3,K43MOV 25H,#1HLJMP OPROPR: INC R4 ;键值存储CJNE R5,#00H,CHANGCJNE R4,#2H,KBKZHI: MOV A,20HMOV B,#0AHMUL ABMOV 20H,25HADD A,20HCJNE R5,#00H,CZHMOV 23H,ALJMP KENDCZH: MOV 24H,ALJMP KENDKEND:MOV P2,#0FHMOV A,P2ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KENDRETCHANG: CJNE R4,#2H,HONG AJMP ZHIHONG:JNC CENDINC R5MOV 20H,25HMOV 24H,25HLJMP CENDKBK: JNC CENDMOV 20H,25HMOV 23H,25HLJMP CENDDYU: MOV R5,#00H ;结果计算MOV R4,#00HMOV 25H,#00HCJNE R3,#1H,SMOV A,23HADD A,24HMOV 23H,ASJMP CENDS: CJNE R3,#2H,S1CLR CMOV A,23HCJNE A,#00H,JIANFAMOV 23H,#0EHSJMP CENDJIANFA:SUBB A,24HMOV 23H,ASJMP CENDS1: CJNE R3,#3H,S2MOV A,23HMOV B,24HMOV A,23HMUL ABMOV R6,BCJNE R6,#00H,CHENGMOV 23H,ASJMP CENDS2: CJNE R3,#4,CENDMOV A,24HCJNE A,#00H,ZYMOV A,#00HSJMP CENDZY: MOV A,23HMOV B,24HDIV ABMOV 23H,ACEND:MOV P2,#0FHMOV A,P2ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,CENDCONV: CJNE R5,#02H,BEI ;数码管显示数据转换子程序 MOV A,24HAJMP JINGBEI: MOV A,23HJING: MOV B,#64HDIV ABMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+2,AMOV A,BMOV B,#0AHDIV ABMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+1,AMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF,ARETDISPSCAN:MOV R0,#DISPBUF ;数码管动态显示子程序MOV R2,#4HMOV A,#1HSC: PUSH ACCMOV A,R0MOV P1,APOP ACCMOV P0,ALCALL DELAY1RL AINC R0DJNZ R2,SCMOV P0,#1HRETDEL12: MOV R6,#1EHDEL2: MOV R7,#64HDEL1: DJNZ R7,DEL1DJNZ R6,DEL2RETDELAY1:MOV R6,#70 ;延时程序D2: MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,D2RETTABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H ;-字符表- DB 92H,82H,0F8H,80H,90H DB 88H,83H,0C6H,0A1H,86H END第五章 系统调试与存在的问题5.1 硬件调试常见故障：1、逻辑错误：它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等。 2、元器件失效：有两方面的原因：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、集成电路安装方向错误等。 3、可靠性差：因其可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动；走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。 4、电源故障：若样机由电源故障，则加电后很容易造成器件损坏。电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对，功率不足，负载能力差