单片机应用课程简易计算器设计报告

单片机应用课程设计报告设计题目基于单片机简易计算器设计目录1设计任务32系统总体方案设计321各模块方案选择与论证3211按键电路设计3212显示电路设计3213串口连接设计422总体方案设计43系统硬件电路设计531单片机最小系统电路53244矩阵键盘电路633LCD显示电路734串口模块84系统软件设计1041主程序流程图1042显示程序设计流程图114344矩阵键盘扫程序设计流程图1244四则运算设计流程图135实物仿真1451仿真调试146实物调试1561实物调试1562运算验证167心得体会17附录181设计任务计算器至少能正常显示8位数，能对整数进行简单的加、减、乘、除四则运算，在做除法时只取到小数部分的后3位；键盘包括数字键（09）、符号键（、/）、清除键和等号键，共16个按键，要求能够在按按键后LCD显示屏上能够显示对应的数字和符号，在进行运算时，按等号键能将最后结果输送给LCD并显示出来。2系统总体方案设计21各模块方案选择与论证211按键电路设计采用扫描方法，该编程比较熟悉，容易理解与编写。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。212显示电路设计使用LED数码管显示器，它的引脚比较多，在连接电路时比较的麻烦，并且在进行多个数据计算时，所需要的LED数码管也要更多，电路设计不美观。LCD1602液晶显示屏使用简单，模式固定，便于移植到各种类型的程序，而且它的功耗小、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的优点。最后采用LCD1602作为显示器。213串口连接设计为了方便单片机程序的修改与下载，制作了串口连接，减少了不必要的麻烦。使用9针母头串口，可直接与电脑连接。采用MAX232芯片进行连接，比较稳定，并且该芯片技术比较成熟。22总体方案设计本计算器是以STC89C52RC单片机为核心构成的简易计算器系统。该系统通过单片机控制，实现对44键盘扫描进行实时的按键检测，然后进行计算，并且显示。如图1。图1简易计算器总体设计图STC89C52RC单片机系统复位电路晶振电路44矩阵键盘串口连接电路LCD显示电路3系统硬件电路设计31单片机最小系统电路该系统电路以STC89C52RC最小系统的控制核心，主要注意晶振电路的接法和复位按钮的接法采用手动复位和外部时钟方式。如图2所示。18和19引脚连接一个晶振和两个电容30P，它们是振荡回路交联电容，如果没这两个电容的话，振荡部分会因为没有回路而停振，电路不能正常工作了。组成的晶振电路为单片机内部系统提供基本的时钟信号。1YXTAL30PFC65U7KR9SWPBGNDVE84/XIU图2单片机硬件电路原理图第9引脚连接单片机的复位按钮，当单片机正常工作时，且晶振稳定后，如果第9引脚上有一个高电平并维持2个机器周期24个振荡周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。在单片机启动后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，第9引脚处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在01S内，从5V释放到变为了15V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为35V，甚至更大，所以第9引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。在调试时发生系统错误或者死机的现象时就可以使用复位按钮，使得系统内部程序自动从头开始执行。3244矩阵键盘电路计算器的键盘布局如图3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。行线从上到先分别连接口的P17，P16，P15，P14，列线从上到下分别接口的P10，P11，P12，P13。行线全部为高电平，列线全部为低电平。S12456780C/图3矩阵键盘电路图33LCD显示电路LCD作为显示屏主要的特点有1）5V电压，对比可调度；2）内含复位电路；3）提供各种控制命令，如清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；4）有80字节显示数据存储器DDRAM5、内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。系统的D0D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应的数据。其接口电路如图4所示。1256790PVCGNDKRSWT图4LCD接口电路表1LCD的引脚说明符号引脚说明符号引脚说明VSS电源地DB4DATAI/OVDD电源正极（5V）DB5DATAI/OV0液晶显示偏压输入DB6DATAI/ORS数据/命令选择端（H/L）DB7DATAI/OR/W读写控制信号（H/L）CS1片选IC1信号E使能信号CS2片选IC2信号DB0DATAI/ORST复位端（H正常工作，L复位）DB1DATAI/OVEE负电源输出（10V）DB2DATAI/OBLA背光源正极（42）DB3DATAI/OBLK背光源正极34串口模块为了使单片机内的电平与计算机的电平一样需要利用电平转换，MAX232芯片是专为RS232标准串口设计的单电源点平转换芯片。其特点如下1）符合所有的RS232技术标准；2）只需要单一5V电源供电；3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生10V和10V电压；4功耗低，典型供电电流5MA；5内部集成2个RS232C驱动器；6高集成度，片外最低只需4个电容即可工作；7连接方式如图5所示。P0VCUF89DLEKR67JGNSTOUIMAX图5串口连接4系统软件设计41主程序流程图开始初始化参数初始化LCD显示本次功能键读取键码数字键清零键功能键键入数值状态清零根据上次功能键和输入的数据计算结果结果送显示缓冲LCD显示有否有键值数值送显示缓冲结果送显示缓冲等待数值键入等待数值键入结果送显示缓冲等待数值键入YNYN图6主程序流程图图411主程序流程图42显示程序设计流程图显示程序的过程为显示开始时，先进行LCD的初始化，判断是否显示汉字或ACSII码或图形，若不显示，则返回，若显示的是汉字或ACSII码，则进行相应功能的设置，然后送地址和数据，再判断是否显示完,显示完则返回，没有显示完则继续送地址，若显示的是图形，则先进行相应功能的设置，再送行地址和列地址，然后送数据，最后判断是否显示完，显示完则返回，没有显示完则继续送行地址和列地址。其流程图如图7所示。图7显示程序流程图NYN是否返回LCD初始化显示汉或ACSII码显示开始显示图形相应功能设置送地址送数据NN相应功能设置送行地址和列地址送数据是否YY4344矩阵键盘扫程序设计流程图键扫程序的过程为开始时，先判断是否有键闭合，无键闭合时，返回继续判断，有键闭合时，先去抖动，然后确定是否有键按下，若无键按下，则返回继续判断是否有键闭合，若有键按下，则判断键号，然后释放，若释放按键完毕，则返回，若没有释放按键，则返回继续释放。其流程图如图8所示。图8键盘扫描程序流程图YN开始有键闭合否去抖动确有键按下判断键号释放返回返回YNYN44四则运算设计流程图运算模块由键盘和显示屏组成。单片机通过按键来实现输入数据和操作方式的控制，在运算过程中，对所设的数据进行四则运算时，要先确定选用的是哪一个运算符，若是或，则要判断结果是否会溢出，溢出则显示错误提示，没有溢出则显示运算结果，若是则要判断除数是否为零，为零时显示错误提示，不为零显示运算结果。开始运算符是加乘减除除数为000运算结果溢出错误信息送显示缓冲数值送显示缓冲YYNN图9运算流程图5实物仿真51仿真调试根据上面的设计，此次课程设计使用KEILUVISION4和PROTEUS软件，其中使用KEILUVISION4软件编辑源程序，使用PROTEUS软件对硬件电路进行模拟。正确连接电路图，使其能按照题目要求及正常工作。从库里正确拾取元器件，认真合理地连线，做到不缺件，不缺线，选取合适的元件参考值，使其能正常工作。通过编译，连接程序。使其生成HEX文件，并连入连好的PROTEUS图中。如图10所示。图10PROTEUS仿真图仿真结果及显示1加法计算2减法计算3乘法计算4除法计算6实物调试61实物调试根据PROTEUS的电路图在ALTIUM中画PCB原理图，并做成PCB制作成电路板。将生成的HEX文件下载到到单片机里，连接好电源，进行电路测试。实物如图11所示。图11实物图62运算验证计算器只能准确进行最后结果为9位数的四则运算。1加法计算2减法计算3乘法计算4除法计算7心得体会所设计计算器处理数据及显示存在太大的局限性，觉得主要还是对程序中的运算模块理解不深，这点仍需大大加强。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试过程中要针对可能出现的故障认真分件失效，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，负载能力差等。调试方法包括多级调试和联机调试。在调析，直至检查出原因并排除。本次硬件调试过程中，对所出现的问题进行了认真的分析和改正，最后能够很好的达到设计要求的效果。这个实验给我们的感觉，硬件和软件上都不是很难。我们的焊工也马虎，即使难看了点，但只要软件能行，就能完美运行。可惜，在焊锡的时候，我们没有考虑到器件本省的问题就开始焊锡，导致焊锡后由于单片机插槽本省的问题使得我们的实验结果不理想，还好，后来通过组员的共同努力找出问题，最后将坏的器件拆了，焊上好的，最后一调试就成功了。LCD字符显示，3种不同的矩阵键盘扫描的方法，及软件上的巧妙技巧有了更好的了解。我们在这次实验上，感觉收获的更多。附录附录1PCB原理图和PCB图附录2主程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEULONGUNSIGNEDLONGDEFINERSP3_4/指令寄存器或数据寄存器的选择DEFINEEP3_5/读写操作的使能信号DEFINERWP2_7/读写操作的选择DEFINEBF0X80/忙检测标志位UCHARCODETAB14,5,6,7,8,9,C,0,/,1,2,3,/键盘的对应的数据UCHARNUMBER/按键输入键盘号BITFLAG00/“号按键标志BITFLAG10/“号按键标志BITFLAG20/“号按键标志BITFLAG30/“号按键标志BITFLAG40/“/“号按键标志BITFUHAO0/正负号标志BITPOINT0/小数点标志BITFLAG50/负数运算标志ULONGA0,B0S0/第一个整数存入A，第二个数整数存入B,传值SUCHARCODEKEY0XEF,0XDF,0XBF,0X7F/行扫描按键检测VOIDDELAYUINTZ/延时1MS子程序UINTX,YFORXZX0XFORY115Y0Y/1602夜晶显示器/UCHARBUSY/1602忙碌检测RS0RW1E1DELAY1WHILEP0E0RETURNP0VOIDWDATUCHARDAT/数据在1602显示P0DATBUSYRS1RW0DELAY5E1DELAY5E0VOIDWCMDUCHARCMD,UCHARBFC/写命令或写数据输出到1602的地址P0CMDIFBFCBUSYRS0RW0DELAY5E1DELAY5E0VOIDINIT/1602初始化E0WCMD0X38,0WCMD0X38,0WCMD0X38,0WCMD0X38,1WCMD0X08,1WCMD0X01,1WCMD0X06,1WCMD0X0C,1/44键盘，并得到按键值/VOIDANKEY/取44键盘输入代表键值NUMBERUCHARI,J,TEMPFORI0IA/判断减数的大小VALUEBAELSEVALUEABFUHAO1/结果是负数的标志位ELSEVALUEABIFFLAG21/减法运算IFFLAG51VALUEABFUHAO1ELSEIFAB/判断减数的大小VALUEABELSEVALUEBAFUHAO1/结果是负数的标志位IFFLAG31/乘法运算IFFLAG51FUHAO1VALUEABIFFLAG41/除法运算IFFLAG51FUHAO1VALUEULONGFLOATA/B1000POINT1SVALUERETURNVALUEVOIDRESULT/结果显示UCHARI0U