基于C51简易计算器

单片机课程设计简易计算器专业班级学生姓名学号任课教师提交日期JINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY目录摘要01引言01一、设计任务和要求1、1设计要求1、2性能指标1、3设计方案的确定二、单片机简要原理2、1AT89C51的介绍2、2单片机最小系统2、3七段共阳极数码管三、硬件设计3、1键盘电路的设计3、2显示电路的设计四、软件设计4、1系统设计4、2显示电路的设计五、调试与仿真5、1KEILC51单片机软件开发系统5、2PROTEUS的操作6、心得体会参考文献附录1系统硬件电路图附录2程序清单1、设计任务和要求11设计要求本次课程设计，我选择的课题是单片机十进制加法计算器软硬件设计，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12性能指标本课程设计的十进制加法计算器的计算范围为0255，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13设计方案的确定按照11的设计要求，本课题需要使用数码管显示和扩展44键盘，由于AT89C51芯片的I口不够多，而且为了硬件电路设计的简单化，故选择串行动态显示和用P1口扩展44键盘，扩展的44键盘定义十个数字键，六个功能键，使用串行动态显示显示运算结果。主程序进行初始化，采用行列扫描进行查表得出键值，每次按键后调用显示子程序。二、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。21AT89C51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（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）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MCS51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。22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。（2）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110592MHZ，晶振旁电容选取30PF。23七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。三、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。31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44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五44键盘接口电路32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四、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；41系统设计（一）系统模块图单片机运算模块显示模块输入模块图六系统模块图此系统包括输入、运算和显示模块，由单片机控制。其中通过输入键盘模块将数字09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。（2）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。初始化参数清零键LED显示输入数值读取键值状态清零数值送显示缓存开始按键输入分析键值数字键等待数值输入结果送显示缓存保存结果和功能键根据上次功能键和输入的数据计算结果功能键否是是数字键是清零键是功能键图七主程序流程图42显示与按键设计（1）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09的共阳极字形代码如下表显示字型GFEDCBA段码001111110C0H100001100F9H210110110A4H310011110B0H4110011099H5110110192H6111110182H700001110F8H8111111180H9110111190H表一共阳极数码管段码对照表2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。图八计算键值子程序流程图五、调试与仿真下面用KEILUVISION3与PROTEUS仿真软件介绍十进制加法计算器的仿真与调试。51KEILC51单片机软件开发系统（一）系统的整体结构C51工具包的整体结构中，其中UVISION是C51FORWINDOWS的集成开发环境IDE，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51编译器编译生成目标文件OBJ。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件ABS。ABS文件由OH51转换成标准的HEX文件，以供调试器DSCOPE51或TSCOPE51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。（二）采用KEIL开发的89C51单片机应用程序步骤1在UVISION集成开发环境中创建新项目（PROJECT），扩展文件名为UV2,并为该项目选定合适的单片机CPU器件（本设计采用ATMEL公司下的AT89C51）2用UVISION的文本编辑器编写源文件，可以是汇编文件（ASM）,也可以使C语言文件（扩展名C），并将该文件添加到项目中去。一个项目文件可以包含多个文件，除了源程序文件外，还可以是库文件、头文件或文本说明文件。3通过UVISION3的相关选择项，配置编译环境、连接定位器以及DEBUG调试器的功能。4对项目中的源文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件，如果出现编译连接错误则返回到第2步，修改源文件中的错误后重构整个项目。5对没有语法错误的程序进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的ROM中。52PROTEUS的操作（一）硬件电路图的接法操作1放置选择（删除）元器件2移动元器件3缩放视图4连接导线5仿真，调试（二）单片机系统PROTEUS设计与仿真过程PROTEUS强大的单片机系统设计与仿真功能，使它可成为单片机系统应用开发和改进手段之一。全部过程都是在计算机上通过PROTEUS来完成的。其过程一般也可分为三步1在ISIS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等，简称PROTEUS电路设计。2在KEIL平台上进行单片机系统程序设计、编辑、汇编编译、代码级调试，最后生成目标代码文件（HEX）。简称PROTEUS源程序设计和生成目标代码文件。3在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。它在相当程度上反映了实际单片机系统的运行情况。简称PROTEUS仿真。（三）PROTEUS中课程设计的仿真结果在PROTEUS中将硬件电路全部接好以后，将KEIL中生成的HEX文件导入到单片机中，点击开始仿真按钮，电路开始仿真。可以观察到数码管显示“000”；分别依次按下按键“5”、“”、“6”和“”，可以看到数码管显示“11”；也可以分别调试其它功能键，结果发现调试结果与预期的理论值相吻合，即本次课设已成功。总的仿真原理电路图见附录1图九。6、心得体会为期一周的单片机课程设计终于结束了，通过紧张的工作，完成了我们的设计任务十进制加法计算器。总的来说，这次课程设计是比较成功的。当然，这其中也经历了许多坎坷，但是在我的坚持不懈下，在老师的细心指导下，在同学们的热情帮助下，最终克服了种种困难，取得了成功。刚开始接到这个计算器的课程设计任务时，因为以前做过类似的题目，于是在脑海中初步构建了编写程序的一些控制程序。但是由于缺乏编写大量程序的经验，不能如行云流水般的将全部的各部分代码写出，于是去网上查找相关资料，了解计算器的输入控制原理、运算处理以及显示的原理。了解之后自己尝试编写程序，在此过程中，其中键盘扫描和动态扫描显示扫描程序困扰了我很久，经过三四天的辛苦工作，终于初步把所需要的程序编好了，于是就用KEILUVERSION3进行仿真，在仿真期间也发现了许多错误，基本上都是平日容易犯的错误，比如忘记了子程序标号、死循环程序、标点符号的漏写等。经过反复的编译差错，仿真编译通过后，于是开始在PROTEUS中连硬件电路，全部接完电路之后将KEIL生成的HEX文件导入进行仿真，发现软件与硬件不能够对应协调工作，于是分别对软件和硬件进行检查，经过反复的仿真调试，并且在同学的帮助和自己对每个子程序进行仿真观察下，终于在课设快结束时成功的调试出结果了。这就是我这一周课设的经过，看似简单，过程却曲折艰辛。通过这次课程设计，我进一步加深了对电子自动控制的了解。并进一步熟练了对KEIL和PROTEUS软件的操作。在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发现自己以前学习上存在的不足，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对单片机汇编语言掌握得不够好。通过与同学探讨和请教老师，终于把问题都解决了，并加深了对计算器工作的原理的了解。同时也掌握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。做课程设计时，先查阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。学会了怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。总之，通过这次的设计，进一步了解了单片微型计算机及应用原理，收获很大，对软件编程、排错调试、查阅资料等方面得到较全面的锻炼和提高。同时通过本次课程设计的学习，掌握了一种系统的研究方法，可以进行一些简单的编程，我还深深的体会到设计课的重要性和目的性所在。为了完成项目，在网络上找到了许多相关的资料，大大扩充自己的知识面，使许多以前想解决却无法解决的困难迎刃而解。将书本上的理论知识和实际有机地结合起来，从理论中得出结论。锻炼了实际分析问题和解决问题的能力，提高了适应实际的能力，为今后的学习和实践打下了良好的基础。此次课设还巩固和综合运用所学过的原理知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1周航慈单片机应用程序设计技术（修订版）北京航空大学出版社2张志良单片机原理与控制技术第2版机械工业出版社3康华光电子技术基础（第5版）高等教育出版社出版，20064蒋力培单片微机系统实用教程第1版机械工业出版社5姜志海、刘连鑫单片微型计算机原理及应用电子工业出版社，2011附录1系统硬件电路图图九总电路原理图附录2程序清单YJEQU50H结果存放YJ1EQU51H中间结果存放GONGEQU52H功能存放ORG00HSTARTMOVR3,0初始化显示为空MOVGONG,0MOV32H,00HMOV33H,00HMOV34H,00HMLOOPCALLDISP调显示子程序WAITCALLTESTKEY判断有无按键JZWAITCALLGETKEY读键INCR3按键个数CJNEA,0,NEXT1判断是否数字键LJMPE1转数字键处理NEXT1CJNEA,1,NEXT2LJMPE1NEXT2CJNEA,2,NEXT3LJMPE1NEXT3CJNEA,3,NEXT4LJMPE1NEXT4CJNEA,4,NEXT5LJMPE1NEXT5CJNEA,5,NEXT6LJMPE1NEXT6CJNEA,6,NEXT7LJMPE1NEXT7CJNEA,7,NEXT8LJMPE1NEXT8CJNEA,8,NEXT9LJMPE1NEXT9CJNEA,9,NEXT10LJMPE1NEXT10CJNEA,10,NEXT11判断是否功能键LJMPE2转功能键处理NEXT11CJNEA,11,NEXT12LJMPE2NEXT12CJNEA,12,NEXT13LJMPE2NEXT13CJNEA,13,NEXT14LJMPE2NEXT14CJNEA,14,NEXT15LJMPE2NEXT15LJMPE3判断是否清除键E1CJNER3,1,N1判断第几次按键LJMPE11为第一个数字N1CJNER3,2,N2LJMPE12为第二个数字N2CJNER3,3,N3LJMPE13为第三个数字N3LJMPE3第四个数字转溢出E11MOVR4,A输入值暂存R4MOV34H,A输入值送显示缓存MOV33H,00HMOV32H,00HLJMPMLOOP等待再次输入E12MOVR7,A个位数暂存R7MOVB,10MOVA,R4MULAB十位数ADDA,R7MOVR4,A输入值存R4MOV32H,00H输入值送显示缓存MOV33H,34HMOV34H,R7LJMPMLOOPE13MOVR7,AMOVB,10MOVA,R4MULABJBOV,E3输入溢出ADDA,R7JBCY,E3输入溢出MOVR4,AMOV32H,33H输入值送显示缓存MOV33H,34HMOV34H,R7LJMPMLOOPE3MOVR3,0按键次数清零MOVR4,0输入值清零MOVYJ,0计算结果清零MOVGONG,0功能键设为零MOV32H,00H显示清空MOV33H,00HMOV34H,00HLJMPMLOOPE2MOV34H,00HMOV33H,00HMOV32H,00HMOVR0,GONG与上次功能键交换MOVGONG,AMOVA,R0CJNEA,10,N21判断功能键LJMPJIA“N21CJNEA,11,N22LJMPJIAN“N22CJNEA,12,N23LJMPCHENG“N23CJNEA,13,N24LJMPCHU“/“N24CJNEA,0,N25LJMPFIRST首次按功能键N25LJMPDEN“N4LJMPE3FIRSTMOVYJ,R4输入值送结果MOVR3,0按键次数清零LJMPDISP1结果处理JIAMOVA,YJ上次结果送累加器ADDA,R4上次结果加输入值JBCY,N4溢出MOVYJ,A存本次结果MOVR3,0按键次数清零LJMPDISP1JIANMOVA,YJSUBBA,R4上次结果减输入值JBCY,N4负数溢出MOVYJ,AMOVR3,0LJMPDISP1CHENGMOVA,YJMOVB,AMOVA,R4MULAB上次结果乘输入值JBOV,N4溢出MOVYJ,ALJMPDISP1CHUMOVA,R4MOVB,AMOVA,YJDIVAB上次结果除输入值MOVYJ,AMOVR3,0LJMPDISP1DENMOVR3,0LJMPDISP1DISP1MOVB,10MOVA,YJ结果送累加器DIVAB结果除10MOVYJ1,A暂存“商“MOVA,B取个位数MOV34H,A个位数送显示缓存MOVA,YJ1JZDISP11结果是否为一位数MOVB,10MOVA,YJ1DIVABMOVYJ1,AMOVA,BMOV33H,A十位送显示缓存MOVA,YJ1JZDISP11结果是否为二位数MOV32H,A百位数送显示缓存DISP11LJMPMLOOPDISPMOVR0,34HDIR1MOVDPTR,SEGTABMOVA,R0MOVCA,ADPTRMOVP0,ACJNER0,34H,DIR2SETBP20CALLD1MSCLRP20DECR0SJMPDIR1DIR2CJNER0,33H,DIR3SETBP21CALLD1MS